面向溶液空調(diào)室內(nèi)外雙工況模擬測試平臺的優(yōu)化設計

蔣小強，何華明，李興友，黃華鈴，夏 燁

構建制冷空調(diào)產(chǎn)品性能測試平臺,加強實驗測試技術,對于保證制冷空調(diào)設備向高效、節(jié)能的方向發(fā)展具有重要意義[1-2]。溶液空調(diào)機組在我國尚屬 “新產(chǎn)品”,對其在標準工況下進行性能測試,并在變工況下進行性能分析和研究,對于溶液空調(diào)機組的應用與發(fā)展具有重要意義[3-4]。

1 室內(nèi)外工況模擬要求與依據(jù)

在我國國家標準 《熱泵式熱回收型溶液調(diào)濕新風機組》(GB/T27943—2011)中規(guī)定了溶液空調(diào)機組的試驗工況,如表1所示。

根據(jù)表1可知,溶液空調(diào)機組性能測試同時包括制冷除濕和制熱加濕兩種工況,而每一種工況都應在3種不同室外氣候參數(shù)進行測試。建立溶液空調(diào)機組的室內(nèi)外雙工況模擬室的難度主要是在夏天需要對制熱加濕工況進行測試,此時需要在炎熱的氣候下降室外模擬室干球溫度最低降至-7℃；在冬天需要對制冷除濕工況進行測試,此時在低溫氣候下將室外模擬室干球溫度最高升至43℃。

表1 溶液空調(diào)機組的試驗工況

圖1 國家標準提供的雙工況試驗裝置原理圖

國家標準也提供了試驗裝置原理圖,如圖1所示。

由圖可知,雙工況試驗裝置包括兩個房間,兩套空調(diào)設備分別為兩個房間營造不同氣候條件。由于冷熱工況可能同時存在,理論上存在多種冷熱回收方案。

2 雙工況模擬平臺設計方案

要實現(xiàn)室外模擬室的氣候參數(shù)在 (43℃,30℃)～(-7℃,-8℃)之間變化和室內(nèi)模擬室的氣候參數(shù)在 (27℃,19℃)～(20℃,13.5℃) 之間變化,必須提供專門的冷熱源。在冷熱源方案中,最簡單的設計方案是分別針對最大冷負荷和最大熱負荷來選擇設備,這種方式初投資大,運行費用高。如果在設計方案中充分考慮熱量回收和冷量回收,可有效降低實驗測試能耗。

2.1 福州地區(qū)氣候參數(shù)

測試平臺的空調(diào)系統(tǒng)需要考慮全年中最冷(干)和最熱(濕)氣候,模擬室溫濕度必須要有較高的保證率(全年任何時候都可能要進行性能測試),因此有必要分析福州地區(qū)全年氣候特點。

根據(jù)文獻[5]提供的福州市典型年份逐時氣候參數(shù)可知,最高氣溫取38℃,最低氣溫取5℃；相對濕度分別取60和40。

2.2 室外模擬室冷熱源設計

溶液空調(diào)機組的性能測試包括在不同室外氣候條件下的制冷減濕和制熱加濕兩大功能[4-5]。冷源熱設計必須分別對室外模擬室和室內(nèi)模擬室進行考慮,且需同時考慮在全年氣候下的制冷減濕工況測試和制熱加濕工況測試。

2.2.1 制冷除濕測試工況

對溶液空調(diào)機組的制冷減濕性能測試,要求室外模擬室干球溫度在43～32℃之間變化。機組測試可能在冬季進行,也可能在夏季進行。

1)冬季氣候下制冷除濕性能測試。

在冬天測試時,由于室外氣溫低,顯然模擬室外氣候(43～32℃)需要加熱,且熱負荷較大。福州地區(qū)最冷月為1月份,平均溫度為11.4℃,最低溫度為5℃。故在冬天對溶液空調(diào)機組制冷工況進行測試時,需要對空氣進行加熱才能達到要求工況的43℃、35℃和32℃。取福州地區(qū)冬季室外最不利氣候參數(shù)為5℃、40,最大熱負荷發(fā)生在高溫測試工況下,即將空氣狀態(tài)點為5℃、40升至43℃、40(濕球溫度30℃),需要進行加溫加濕處理。由于溶液空調(diào)機組 (作為模擬室冷源熱)在冬季冷凝溫度限制導致無法將空氣加熱至43℃,故先采用溶液空調(diào)機組加熱加濕,后采用電加熱等濕加熱過程[6-7]。

圖2 冬季制冷除濕性能測試的室外模擬室高溫工況下空氣處理過程焓濕圖

如圖2所示,由于室外氣候溫度降低,溶液空調(diào)機組所加熱空氣的最高溫度受到限制,根據(jù)產(chǎn)品測試情況,此時出口空氣溫度最高取30℃,制冷系數(shù)取2.0,制熱系數(shù)取3.0[7-8]。溶液空調(diào)機組所承擔熱負荷為：

式中：Q1為溶液機組所需加熱量,單位kW；hL1和hw1分別是L1點和W1點的焓值,單位kJ/kg；m是所處理空氣的質量流量,單位kg/h。設可測試溶液空調(diào)機組的最大風量為4 000 m3/h,假設空氣密度保持為1.2 kg/m3不變,則測試平臺空氣質量流量取4 800 kg/h。根據(jù)式(1)可知,作為室外模擬室用的溶液空調(diào)機組,此時最大熱負荷為102 kW,從W1點到L1點所需電功率為34 kW。不難得知,從L1點至S1點所需加熱量為17.3 kW,由于這一段采用電加熱方式,故所需電功率即為17.3 kW,所需總的電功率為51.3 kW。(由于室內(nèi)外模擬室空間不大,為簡化分析,忽略室外模擬室圍護結構的冷熱量損失,即認為模擬室送風溫度即為對應測試工況下所要求的溫度。)

2)夏季氣候下制冷除濕性能測試。

在夏天測試時室外氣溫高。福州地區(qū)最熱月為7月份,最高溫度為38℃,而室外模擬室要求的溫度分別是43℃、35℃和32℃。故在某些氣候條件下,模擬室外工況需要進行加熱加濕 (最大約從30℃升至43℃)；在某些氣候條件下,模擬室內(nèi)工況需要進行降溫除濕 (最大約從38℃降至32℃),但不論哪種情況,由于溫差不大,故負荷不大。

2.2.2 制熱加濕測試工況

對溶液空調(diào)機組的制熱加濕性能測試,要求室外模擬室干球溫度在-7～2℃之間變化。同樣,機組測試可能在冬季進行,也可能在夏季進行。

1)夏季氣候下制熱加濕性能測試。

在夏天測試時,室外氣溫取38℃,要實現(xiàn)模擬室外氣候 (-7～2℃)需大幅度降溫。最大冷負荷出現(xiàn)在將室外空氣溫度從38℃、60降至-7℃、71時。根據(jù)圖2所示的焓濕處理過程,室外狀態(tài)點W2無法直接處理到所需的S2點狀態(tài)。故整個空氣處理過程將分兩個階段完成?？紤]到傳熱溫差,取中間狀態(tài)點為10℃、85。

圖3 夏季制熱加濕性能測試的室外模擬室低溫工況下空氣處理過程焓濕圖

根據(jù)式(1),可計算從W2至L2、L2至S2所需的冷負荷分別為104 kW、40 kW。根據(jù)壓縮機在高溫工況和低溫工況的性能參數(shù),取兩段空氣處理過程中溶液空調(diào)機組的制冷系數(shù)分別為3.0和2.0,則所需總電功率為54.7 kW。

2)冬季氣候下制熱加濕性能測試。

在冬天測試時,室外氣溫較低,如果最低氣溫取5℃,要模擬室外氣候 (-7～2℃)仍需降溫,但由于室外實際氣候參數(shù)與室外模擬室所需的氣候參數(shù)相差不大,所需冷負荷必然小于制冷除濕測試工況下所需的冷負荷。

2.2.3 室外模擬室所需最大冷熱源

根據(jù)2.2.1和2.2.2兩小節(jié)的分析結果,可知室內(nèi)外模擬室所需最大冷負荷為144 kW,所需最大熱負荷為119.3 kW,所需最大電功率為54.7 kW。

2.3 室內(nèi)模擬室冷熱源設計

2.3.1 制冷除濕性能測試

在對溶液空調(diào)機組進行制冷除濕性能測試時,要求室內(nèi)模擬室空氣保持在27℃、47的狀態(tài)。在夏天時,要將最不利空氣參數(shù)38℃、60降至27℃、47,所需的冷量為66.7 kW；在冬天,則要將空氣狀態(tài)5℃、40加熱升至27℃、47,所需熱負荷為58.5 kW。

2.3.2 制熱加濕性能測試

在對溶液空調(diào)機組進行制熱加濕性能測試時,要求室內(nèi)模擬室空氣保持在20℃、48的狀態(tài)。在夏天時,要將最不利空氣參數(shù)38℃、60降至20℃、48,所需的冷量為88.8 kW；在冬天,則要將空氣狀態(tài)5℃、40加熱升至20℃、48,所需熱負荷為36.7 kW。

2.3.3 室內(nèi)模擬室所需最大冷熱源

根據(jù)2.3.1和2.3.2兩小節(jié)內(nèi)容,室內(nèi)模擬室所需最大冷、熱負荷為88.8 kW、58.5 kW。

3 設計方案的節(jié)能優(yōu)化

按照前文計算結果對冷熱源設備進行選型,將導致初期投資大、運行費用高。如果考慮被測試機器的排氣冷熱量回收并用于機房空調(diào)設備,可能會降低測試平臺的初投資和運行費用。被測試溶液空調(diào)機組的排風溫度是冷熱回收的關鍵,下文將先確定排風溫度,然后確定冷熱回收方法。

3.1 被測試溶液空調(diào)機組排風溫度的確定

熱泵驅動式熱回收溶液空調(diào)機組的工作流程如圖4所示,新風和回風先進行熱量交換后,分別在除濕器或再生器中進行降溫除濕或加熱加濕。根據(jù)國家標準對于測試的要求,溶液空調(diào)機組的回風空氣狀態(tài)僅有兩種狀態(tài),分別是27℃、47和20℃、48。

圖4 溶液空調(diào)機組的氣流工作流程圖

新風經(jīng)過熱回收器后的干球溫度為：

式中：tx、tx1和th分別為被測溶液空調(diào)機組的新風溫度、經(jīng)過熱回收器后的新風溫度和回風溫度,單位℃；η為全熱回收器的效率,根據(jù)實測情況和相關文獻,取0.55[9]。

送風溫度由新風溫度、機組制冷量等參數(shù)決定。根據(jù)之前對溶液機組的測試,在新風干球溫度為36℃、65時,送風溫度為18℃、60。在測試要求的3個點工況中,新風狀態(tài)為(35℃,28℃)和(32℃,25℃)時,送風狀態(tài)可取18℃、60,而新風狀態(tài)為43℃、30℃時,送風狀態(tài)可按下列步驟確定。

式中：Qc為溶液機組的制冷量,單位kW,最大測試機組的制冷量為40 kW；hs和hx1是送風點和新風經(jīng)過熱回收器后的焓值,單位kJ/kg；m是所處理空氣的質量流量,取4 800 kg/h。

排風溫度由機組排熱量和輸入電功率決定,排風濕度由排濕量決定。

1)排風濕度：

式中,dp、dh、dx和ds分別為排風、回風、新風和送風的含濕量,單位g/kg。在式(4)中,已假定回風量(即排風量)和新風量(即送風量)保持在4 800 kg/h不變。

2)排風焓值：

2)送風空氣的焓值為：

式中：Qh為溶液機組的排熱量,單位kW；hp和hh是排風和回風的焓值,單位kJ/kg。排熱量可得(設制冷系數(shù)為3)：

根據(jù)式(2)～式(5)和相應步驟,可計算出被測試溶液空調(diào)機組的進出空氣各狀態(tài)參數(shù),如表2所示。

表2 制冷除濕性能測試時被測機組進出空氣狀態(tài)參數(shù)

3.2 室外模擬室熱負荷的優(yōu)化

根據(jù)表1,可對各種工況下的被測溶液空調(diào)機組的排氣進行熱回收,具體方案如下。

上述分析表明,考慮熱回收后,測試模擬平臺所需的最大熱負荷為17.2 kW。

3.3 室外模擬室冷負荷的優(yōu)化

根據(jù)前面分析,室外模擬室最大冷負荷出現(xiàn)在夏季對溶液空調(diào)機組的制熱加濕性能測試時。未優(yōu)化時,直接將空氣狀態(tài)點從38℃、60降至-7℃、71,所需最大冷負荷為144 kW。如果對被測試溶液空調(diào)機組的排風進行冷回收,有望降低冷負荷。同樣,確定冷回收方案的依據(jù)是排風溫濕度[11-12]。

排風溫度由機組排熱量和輸入電功率決定,排風濕度由排濕量決定。

1)排風濕度：

式中,dp、dh、dx和ds分別為排風、回風、新風和送風的含濕量,單位g/kg。

2)排風焓值：

式中,Qh為溶液機組的排熱量,單位kW；hp和hh是排風和回風的焓值,單位kJ/kg。排熱量可得(設制冷系數(shù)為3,制熱系數(shù)為4)：

根據(jù)式(7)～式(9)和相應步驟,可計算出被測試溶液空調(diào)機組的進出空氣各狀態(tài)參數(shù),如表3所示。

表3 制熱加濕性能測試時被測機組進出空氣狀態(tài)參數(shù)

根據(jù)表3中的排風溫度等數(shù)據(jù),可確定不同測試工況下的冷回收方案。

上述分析表明,考慮冷回收后,測試模擬平臺所需的最大冷負荷為13.5 kW。

4 測試平臺工作流程與平面布置

根據(jù)國家標準(GB/T27943—2011)的要求和前面分析得到的設計理論,搭建了室內(nèi)外雙工況模擬測試平臺,其工作流程及平面布置如圖5所示。

圖5 雙工況測試平臺工作流程及平面布置示意圖

在圖5中值得注意的是,被測試機組的排風并不是直接排出室外,而是先去機房準備回收利用。在部分時候,被測試機組的排風全部排出室外；部分時候,部分排風排出室外；而在某些時候,所有排風回收。排風量的調(diào)節(jié)由聯(lián)動電動調(diào)節(jié)閥門實現(xiàn),具體實驗裝置如圖6所示。

圖6 被測機組的排風管及聯(lián)動閥門

圖7 機房主機的新風管及聯(lián)動閥門

作為機房的溶液空調(diào)主機,兩路新風 (其中一路為工作氣流)均可全部來自室外,但對于非工作氣流的新風,可全部來自室外,也可全部來自機房內(nèi)部,也可部分來自室外部分來自機房內(nèi)部,這取決于室外空氣溫度、被測試機器排風溫度和測試工況的需要,并通過兩個聯(lián)動電動調(diào)節(jié)閥實現(xiàn),具體裝置如圖7所示。

為了保證室內(nèi)外模擬室的溫度分布均勻,采用孔板送風方式,如圖8所示。

圖8 室外模擬室頂部的孔板送風

經(jīng)過試運行和測試,搭建的室內(nèi)外模擬室均能達到設計工況要求,同時,室內(nèi)外模擬室溫濕度參數(shù)還能在一定范圍調(diào)節(jié),這不僅為空調(diào)設備性能測試提供條件,也可為空調(diào)設備的研發(fā)提供實驗研究平臺。

5 結束語

根據(jù)相關標準,設計并搭建了主要面向溶液空調(diào)機組測試的雙工況實驗測試平臺,可得到如下結論：

1)考慮了被測試溶液空調(diào)機組的排熱 (冷)及其回收,將最大設計冷、熱負荷分別從144 kW、119.3 kW降到17.2 kW、13.5 kW,降幅比例分別為88.1和88.7。降低初投資和運行費用顯著；

2)建立的雙工況模擬測試平臺,不僅可對溶液空調(diào)機組在點工況下的性能進行測試,還可通過調(diào)節(jié)室內(nèi)外模擬室溫度,對溶液空調(diào)機組變工況下的性能進行研究和研發(fā)；

3)機房冷熱源主機采用溶液空調(diào)機組,對空氣的處理更加簡單直接、高效節(jié)能；

4)構建的室內(nèi)外工況模擬室,不僅可以面向溶液空調(diào)機組的測試,也可對其他空調(diào)設備進行性能測試,如蒸發(fā)式冷氣機等。

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