風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)的節(jié)能性分析與研究

陳玲，錢雪峰，魏昇，曹向軍，張澤國

（合肥通用機(jī)械研究院，合肥 230088）

0 引言

近年來，隨著風(fēng)冷熱泵（以下均是指風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組）在一些大中型中央空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用更加廣泛，提高產(chǎn)品質(zhì)量的需求越來越多，測試系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。依據(jù)相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，對空調(diào)產(chǎn)品測試時要保持一定的工況要求，故測試系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的冷量和熱量，來平衡被測試機(jī)組測試時產(chǎn)生的熱量和冷量，所以測試系統(tǒng)能耗很大[1]，因此降低測試系統(tǒng)能耗的需求也就很迫切，現(xiàn)有的很多測試系統(tǒng)也利用地下水換熱、冷卻塔散熱、蒸汽加熱等措施來降低能耗，而本文提及的熱回收系統(tǒng)包括表冷器、板換、水泵、三通調(diào)節(jié)閥等來實(shí)現(xiàn)回收不同運(yùn)行工況時的被測試風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組的散發(fā)的冷熱量和測試系統(tǒng)中的設(shè)備自身的能量來維持測試系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，前期設(shè)備投入較少而且又能最大限度的降低能耗。

1 風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)測試方法及原理

1.1 測試方法

對于風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組：制冷量、制熱量按GB/T 10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》中5.1 載冷劑法進(jìn)行試驗(yàn)[2]。在機(jī)組蒸發(fā)器（冷凝器）冷（熱）水進(jìn)（出）口處安裝有水量測量裝置，試驗(yàn)時，還應(yīng)有能提供連續(xù)穩(wěn)定的冷水流量、冷卻水流量和符合試驗(yàn)工況水溫的附加裝置。機(jī)組制冷量按式(1)計(jì)算：

熱泵制熱量按式(2)計(jì)算：

式中：

Qn——機(jī)組凈制冷量，W；

C——平均溫度下水的比熱容，J/（kg·℃）；

qm——冷（熱）水質(zhì)量流量，kg/s；

t1——蒸發(fā)器（熱泵制熱時為冷凝器）冷（熱）水進(jìn)口溫度，℃；

t2——蒸發(fā)器（冷凝器）冷（熱）水出口溫度，℃；

Qh——熱泵制熱量，W；

Qc——環(huán)境空氣傳入干式蒸發(fā)器冷水側(cè)的修正項(xiàng)，W。

1.2 系統(tǒng)原理

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18430.1-2007《蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組/工商業(yè)用及類似用途的蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組》要求的測試項(xiàng)目[3]，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法》，本文搭建了性能評價系統(tǒng)（系統(tǒng)原理如圖1）。

圖1 評價系統(tǒng)原理圖

由圖1 可知采用聚氨酯發(fā)泡庫板搭建測試間，利用空氣溫度取樣器用來采集被試機(jī)周圍的溫濕度參數(shù)，反饋給空氣處理機(jī)組，該機(jī)組通過各功能段對被試機(jī)的排風(fēng)進(jìn)行處理，使得測試間內(nèi)的溫濕度滿足國標(biāo)要求的測試工況。被試機(jī)水泵從恒溫水箱抽水用來提供所需的水流量。而恒溫水箱主要用來為評價系統(tǒng)提供穩(wěn)定溫度的水源。

風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組測試時，通過空氣處理機(jī)組將風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷進(jìn)行處理，使得測試間內(nèi)的溫濕度達(dá)到國標(biāo)要求的值。而機(jī)組產(chǎn)生的冷熱水回到水箱后，通過水箱配置的冷熱源進(jìn)行平衡，從而達(dá)到機(jī)組在國標(biāo)要求的工況下穩(wěn)定運(yùn)行，采集系統(tǒng)將所有的測點(diǎn)采集，通過電腦內(nèi)專業(yè)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2 風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)中表冷器熱回收系統(tǒng)的節(jié)能性分析

風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組制冷評價試驗(yàn)時，水側(cè)的進(jìn)水溫度是通過調(diào)節(jié)被試機(jī)水泵前端三通調(diào)節(jié)閥從水箱進(jìn)水和被試機(jī)回水之間的比例來控制。故恒溫水箱的溫度應(yīng)比風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組進(jìn)水溫度要高，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，恒溫水箱的溫度與風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組制冷評價試驗(yàn)時的出水溫度之間的溫差一般控制在5℃～8℃左右，也就是12℃～15℃左右，而風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的冷凝排風(fēng)一般在40℃～43℃左右，因此空氣處理機(jī)組內(nèi)的表冷器熱回收系統(tǒng)就是利用風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的冷凝排風(fēng)和恒溫水箱之間進(jìn)行冷熱負(fù)荷平衡，最大限度地利用風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組自身產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷進(jìn)行的冷熱量平衡，評價系統(tǒng)在制冷評價試驗(yàn)時只有壓縮機(jī)的功率這部分熱量需要散去[4]，并不需要消耗大量的能量來單獨(dú)平衡風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的使用側(cè)產(chǎn)生的冷負(fù)荷和熱源側(cè)產(chǎn)生的熱負(fù)荷，而且風(fēng)冷冷(熱)水機(jī)組的能效比越高，同等制冷量下，需要測試系統(tǒng)散去的壓縮機(jī)功率也就越少，測試系統(tǒng)也越節(jié)能。以800 kW 風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組名義制冷為例，表冷器熱回收系統(tǒng)的運(yùn)用對測試系統(tǒng)的耗能比較見表1。

表1 表冷器熱回收系統(tǒng)性能評價系統(tǒng)主要電能耗

除去其他正常設(shè)備的耗功，無表冷器的測試系統(tǒng)的電消耗主要在平衡風(fēng)側(cè)熱量的壓縮冷凝機(jī)組耗功（能效比按3.5 計(jì)算）與平衡制冷量的電加熱耗功之和共計(jì)1058 kW，而有表冷器的測試系統(tǒng)與之對應(yīng)的只有表冷器水泵22 kW 的電消耗，按工業(yè)用電1.2 元計(jì)算，有無表冷器熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)電費(fèi)消耗如圖2。

圖2 有無表冷器熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)電費(fèi)消耗對比

從圖2 可以看出有了表冷器熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)每小時可節(jié)省1243 元，大大減少了空調(diào)企業(yè)的的測試成本。

3 風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)中冷凝熱回收系統(tǒng)的節(jié)能性分析

表冷器熱回收系統(tǒng)就是利用風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的冷凝排風(fēng)和恒溫水箱之間進(jìn)行冷熱負(fù)荷平衡，當(dāng)做一些非標(biāo)工況，測試間的溫度與水箱溫度接近的時候，無法用表冷器熱回收系統(tǒng)，比如測試間干球溫度15℃及以下的低溫制冷工況，此時沒有熱負(fù)載去平衡風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的制冷量，而此時為了維持測試間的溫度壓縮冷凝機(jī)組必須開啟，而壓縮冷凝機(jī)組的冷卻水出水溫度一般在35℃～40℃，供回水溫差4℃～7℃左右[5]，此時將被試機(jī)組產(chǎn)生的冷水直接與壓縮冷凝機(jī)組的冷卻水在板換里進(jìn)行換熱，通過調(diào)節(jié)熱回收三通閥可調(diào)節(jié)被試機(jī)出水進(jìn)入板換的水量，從而調(diào)節(jié)換熱量來適應(yīng)風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組的制冷量的變化。此系統(tǒng)稱為冷凝熱回收系統(tǒng)，該系統(tǒng)的使用不僅提高了壓縮冷凝機(jī)組的效率，降低了壓縮機(jī)功率，也減少性能評價系統(tǒng)中熱負(fù)載的配置，降低了性能評價系統(tǒng)的運(yùn)行成本。以700 kW 風(fēng)冷冷（熱）水機(jī)組15℃制冷為例，冷凝熱回收系統(tǒng)的運(yùn)用對性能評價系統(tǒng)的耗能比較見表2。

表2 冷凝熱回收系統(tǒng)性能評價系統(tǒng)主要電能耗

除去其他正常設(shè)備的耗功，無冷凝熱回收系統(tǒng)的性能評價系統(tǒng)的電消耗主要在平衡風(fēng)側(cè)熱量的壓冷機(jī)組耗功（能效比按3.5 計(jì)算）與平衡制冷量的電加熱耗功之和共計(jì)1001 kW，而有冷凝熱回收系統(tǒng)的性能評價系統(tǒng)與之對應(yīng)的只有平衡風(fēng)側(cè)熱量的壓冷機(jī)組耗功221 kW 的電消耗，按工業(yè)用電1.2 元/kWh 計(jì)算，有無冷凝熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)電費(fèi)消耗如圖3。

從圖3 中可以看出有了冷凝熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)每小時可節(jié)省936 元，也可相應(yīng)減少了測試成本。

圖3 有無冷凝熱回收系統(tǒng)時性能評價系統(tǒng)電費(fèi)消耗對比

4 結(jié)束語

通過對風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)節(jié)能性的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出：

（1）應(yīng)用了表冷器熱回收系統(tǒng)和冷凝熱回收系統(tǒng)的風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造均符合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，方案先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理。

（2）該表冷器熱回收系統(tǒng)和冷凝熱回收系統(tǒng)能夠使評價系統(tǒng)能在不同測試負(fù)荷，不同運(yùn)行工況時，充分利用被評價機(jī)組自身的冷負(fù)荷或熱負(fù)荷使得風(fēng)冷熱泵性能評價系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，減少了評價系統(tǒng)本身的熱負(fù)載或冷負(fù)載的配置，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的，同時響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召。也為了降低空調(diào)企業(yè)測試成本，可以推廣應(yīng)用。

[1]徐衛(wèi)榮,杜塏.風(fēng)冷冷熱水機(jī)組性能測試系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行分析及改進(jìn)([J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,38(6):1067-1071.

[2]GB/T 10870-2001,容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[3]GB/T 18430.1-2007,蒸汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組/工商業(yè)用及類似用途的汽壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4]郝穎磊，張秀平等.如何實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組性能試驗(yàn)裝置最大限度地節(jié)能[J].制冷與空調(diào)（北京）,2006,6(1):101-104.

[5]習(xí)紅軍,趙登育.冷水機(jī)組低品位冷凝熱的回收與利用[J].制冷與空調(diào),2011,25(4):374-376.