部分負(fù)荷下熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

姜小偉 梁彩華

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

部分負(fù)荷下熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)研究

姜小偉 梁彩華

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

中央空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，而熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行具有明顯優(yōu)勢(shì)。在熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)，研究了該系統(tǒng)在部分負(fù)荷下性能的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)負(fù)荷相同時(shí)，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)所能承受的最大負(fù)荷為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的81.5%。當(dāng)負(fù)荷百分比從81.5%降低到50%，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組平均COP由3.13提高到4.16，表明在部分負(fù)荷下，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)具有較大節(jié)能潛力。

空調(diào)系統(tǒng)；熱濕分段處理；部分負(fù)荷；節(jié)能

據(jù)美國(guó)制冷協(xié)會(huì)研究統(tǒng)計(jì)，中央空調(diào)負(fù)荷率低于設(shè)計(jì)負(fù)荷75%的工況占全年運(yùn)行時(shí)間的90%以上[1]。據(jù)國(guó)內(nèi)研究統(tǒng)計(jì)，我國(guó)空調(diào)設(shè)備90%時(shí)間運(yùn)行在設(shè)計(jì)負(fù)荷的70%以下[2]。針對(duì)空調(diào)負(fù)荷不斷變化的實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)集中式空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的調(diào)節(jié)方法主要有質(zhì)調(diào)節(jié)及量調(diào)節(jié)兩種[3]。量調(diào)節(jié)方法主要有變風(fēng)量(VAV)調(diào)節(jié)方法[4]、變水量(VWV)[5]調(diào)節(jié)方法。質(zhì)調(diào)節(jié)方法主要有變冷凍水出水溫度調(diào)節(jié)方法，這種調(diào)節(jié)方式能夠提高冷水機(jī)組的效率，降低冷水機(jī)組的能耗，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能意義[6－7]?，F(xiàn)針對(duì)定流量系統(tǒng)常用的節(jié)能方法是質(zhì)調(diào)節(jié)方法，而分段質(zhì)調(diào)節(jié)正是熱濕分段處理方法的特點(diǎn)。熱濕分段處理方法是對(duì)空調(diào)系統(tǒng)空氣處理過程進(jìn)行分段處理[8]，將常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中空氣由1個(gè)表冷器承擔(dān)顯熱負(fù)荷又承擔(dān)潛熱負(fù)荷，變?yōu)榭照{(diào)系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)表冷器，一個(gè)表冷器首先對(duì)空氣顯熱負(fù)荷進(jìn)行處理，另一個(gè)表冷器進(jìn)行潛熱負(fù)荷處理。顯熱負(fù)荷及潛熱負(fù)荷都由冷水機(jī)組承擔(dān)，對(duì)空氣潛熱負(fù)荷采取低溫冷凍水進(jìn)行處理，顯熱負(fù)荷則由高溫冷凍水承擔(dān)。制取溫度較高的冷凍水，提高了冷水機(jī)組的整體性能。據(jù)研究表明，冷水機(jī)組制取冷凍水時(shí)，蒸發(fā)溫度每增加l℃，機(jī)組的COP可以提高3%(蒸發(fā)溫度在2℃ ～15℃范圍內(nèi))[9]。熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)有兩種典型的運(yùn)行模式:冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行和冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，高溫表冷器冷凍水進(jìn)口溫度由高溫冷水機(jī)組單獨(dú)控制，可根據(jù)不同負(fù)荷需要來選取高溫冷凍水的供水溫度。冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)需要兩根供水管及兩根回水管，兩套獨(dú)立的冷凍水管路較為復(fù)雜。而冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，承擔(dān)空調(diào)顯熱負(fù)荷的高溫冷凍水的進(jìn)口溫度雖不能由高溫冷水機(jī)組單獨(dú)控制，但系統(tǒng)僅需一根供水管和一根回水管，系統(tǒng)管路相對(duì)簡(jiǎn)單，使熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)在實(shí)際空調(diào)工程節(jié)能改造時(shí)更易于實(shí)現(xiàn)。梁彩華等[8]建立了熱濕分段處理的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)所建立的模型在常規(guī)空調(diào)工況下的節(jié)能效果進(jìn)行研究，結(jié)果表明熱濕分段處理方法相對(duì)于常規(guī)空氣處理方法，在出風(fēng)溫度為16℃時(shí)，高溫冷水機(jī)組的COP可以提高達(dá)9.14%以上。李貴[10]、李偉[11]等研究了熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)在變空氣處理箱進(jìn)風(fēng)狀態(tài)、變高溫冷凍水供水溫度、變冷凍水流量等工況下的節(jié)能變化規(guī)律，并根據(jù)研究結(jié)果提出了該系統(tǒng)優(yōu)化控制策略。以上研究均基于冷水機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，而對(duì)節(jié)能改造中更易于實(shí)現(xiàn)的冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行缺乏研究。因此，文章研究了當(dāng)冷水機(jī)組串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，空調(diào)負(fù)荷變化對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為今后熱濕分段處理空調(diào)系實(shí)際運(yùn)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

熱濕分段處理空調(diào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示，主要由空氣處理箱、兩臺(tái)相同的冷水機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)和測(cè)試控制系統(tǒng)等組成。空氣處理箱中表冷器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1?？諝庀攘鹘?jīng)高溫表冷器，與低溫表冷器出來的冷凍水換熱后流經(jīng)低溫表冷器，由低溫機(jī)組出來的冷凍水處理至送風(fēng)狀態(tài)。低溫表冷器后設(shè)有加熱器和加濕器，用于保證進(jìn)風(fēng)的溫度和調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)的濕度。高溫表冷器出來的冷凍水由高溫機(jī)組降溫后進(jìn)入低溫機(jī)組。

圖1 熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)的流程圖Fig.1 Flow diagram of the segmented handling air-conditioning system

表1 表冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of cooling coil

1.2 測(cè)試裝置與方法

參數(shù)測(cè)試所使用的儀器儀表見表2。在進(jìn)風(fēng)狀態(tài)不變時(shí)，通過調(diào)節(jié)高、低溫冷水機(jī)組壓縮機(jī)頻率來改變冷水機(jī)組供冷量，進(jìn)而改變熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)的換熱量，實(shí)現(xiàn)部分負(fù)荷工況。實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:高、低溫表冷器均2排；進(jìn)風(fēng)壓力101325 Pa，進(jìn)風(fēng)流量1900 m3/h；進(jìn)風(fēng)干球溫度27℃，相對(duì)濕度50%；冷凍水流量0.35 L/s；冷卻水流量0.4 L/s，冷卻水進(jìn)口溫度32℃；高溫壓縮機(jī)初始頻率70 Hz，低溫壓縮機(jī)初始頻率80 Hz，此時(shí)低溫表冷器冷凍水進(jìn)水溫度均為7℃；為方便實(shí)驗(yàn)操作，壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)如下:高溫壓縮機(jī)頻率維持70 Hz不變，將低溫壓縮機(jī)頻率依次調(diào)至80 Hz、70 Hz、60 Hz、50 Hz、40 Hz；低溫壓縮機(jī)頻率穩(wěn)定在40 Hz后，再將高溫壓縮機(jī)頻率依次調(diào)至60 Hz、50 Hz、40 Hz。

定義熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷百分比為Bra:

式中:Qh和Ql分別為不同工況下高、低溫表冷器換熱量的實(shí)驗(yàn)值，kW；Qc為恒定工況下常規(guī)表冷器換熱量的實(shí)驗(yàn)值，kW。Qc的測(cè)試工況為:表冷器4排，進(jìn)風(fēng)壓力101325 Pa，進(jìn)風(fēng)流量1900 m3/h；進(jìn)風(fēng)干球溫度27℃，相對(duì)濕度50%；冷凍水流量0.35 L/s；冷凍水進(jìn)水溫度7℃。

表2 熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試用儀器儀表Tab.2 Measurement equipment involved in segmented handling air-conditioning system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為壓縮機(jī)頻率對(duì)冷凍水側(cè)溫度的影響。由圖2可見，隨著壓縮機(jī)總頻率的降低，系統(tǒng)冷凍水溫度有顯著升高。當(dāng)壓縮機(jī)總頻率由150 Hz降為80 Hz時(shí)，低溫機(jī)組冷凍水供水溫度從6.92℃提高到13.17℃，高溫機(jī)組的冷凍水供水溫度從10.71℃提高到15.34℃。這是由于壓縮機(jī)頻率降低時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，單位時(shí)間內(nèi)的制冷量減小，使得低溫機(jī)組冷凍水供水溫度升高，從而使高溫表冷器的冷凍水進(jìn)口溫度升高。圖3為壓縮機(jī)頻率對(duì)表冷器換熱量的影響。由圖3可見，隨著壓縮機(jī)總頻率的降低，高溫段、低溫段和總換熱量均下降。當(dāng)壓縮機(jī)總頻率由150 Hz降為80 Hz時(shí)，總換熱量從10.17 kW減少到6.2 kW。這是由于空氣流量、冷凍水流量均保持不變，冷凍水溫度升高導(dǎo)致冷凍水與空氣之間的換熱溫差降低，換熱量下降。

圖2 冷凍水側(cè)溫度隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系圖Fig.2 Temperature of chilled water side on various compressor frequencies

圖3表冷器換熱量隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系圖Fig.3 Heat transfer rate of cooling coil on various compressor frequencies

圖4 為壓縮機(jī)頻率對(duì)冷水機(jī)組蒸發(fā)溫度、冷凝溫度的影響。由圖5可見，隨著壓縮機(jī)總頻率的降低，高溫與低溫冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度呈現(xiàn)兩段不同的變化趨勢(shì):當(dāng)壓縮機(jī)頻率從150 Hz變化至110 Hz時(shí)，高溫機(jī)組的蒸發(fā)溫度略有升高，從4.4℃升高到6.0℃；冷凝溫度穩(wěn)定在37.6℃左右不變。低溫機(jī)組的蒸發(fā)溫度有顯著地升高，從2.3℃升高到6.7℃；冷凝溫度從38.5℃降低到35.6℃。當(dāng)壓縮機(jī)頻率從110 Hz變化至80 Hz內(nèi)，高溫機(jī)組的蒸發(fā)溫度有顯著地升高，由6.0℃升高到10.7℃；冷凝溫度從37.7℃降低到35.9℃；低溫機(jī)組的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度穩(wěn)定不變。這是由于壓縮機(jī)頻率從150 Hz變化至110 Hz時(shí)，高溫機(jī)組壓縮機(jī)頻率不變，低溫機(jī)組壓縮機(jī)頻率降低；壓縮機(jī)頻率從110 Hz變化至80 Hz時(shí)，高溫機(jī)組壓縮機(jī)頻率降低，低溫機(jī)組壓縮機(jī)頻率不變。當(dāng)壓縮機(jī)頻率降低時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速減小，制冷劑質(zhì)量流量減小，與冷凍水側(cè)的換熱時(shí)間加長(zhǎng)，換熱充分，蒸發(fā)溫度升高，冷凝溫度下降。

圖4 蒸發(fā)溫度、冷凝溫度隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系圖Fig.4 Evaporation temperature and condensing temperature on various compressor frequencies

圖5 系統(tǒng)COP隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系圖Fig.5 COP of the system on various compressor frequencies

圖5 為壓縮機(jī)頻率對(duì)冷水機(jī)組COP的影響。從圖5可見，機(jī)組COP隨著壓縮機(jī)總頻率的降低，有明顯的提高。高、低溫冷水機(jī)組的COP上升曲線呈現(xiàn)兩段不同的趨勢(shì):當(dāng)壓縮機(jī)頻率從150 Hz變化至110 Hz時(shí)，高溫機(jī)組COP略有升高，低溫機(jī)組COP有顯著升高；當(dāng)壓縮機(jī)頻率從110 Hz變化至80 Hz時(shí)，高溫機(jī)組COP有顯著升高，低溫機(jī)組COP略有升高。分析原因:在150 Hz～110 Hz內(nèi)，低溫機(jī)組蒸發(fā)溫度升高，壓縮機(jī)輸入功率顯著下降，從而使得低溫機(jī)組COP上升較快。高溫機(jī)組蒸發(fā)溫度略有升高，使得制冷量有所增大，但壓縮機(jī)輸入功率基本不變，從而使得高溫機(jī)組COP略有提高，如圖6所示。在110 Hz～80 Hz內(nèi)，冷水機(jī)組COP變化原因與上述原因相同，不再贅述。壓縮機(jī)總頻率由120 Hz降到100 Hz及由90 Hz降到80 Hz時(shí)，冷水機(jī)組平均COP升高幅度降低。主要原因是高、低溫機(jī)組壓縮機(jī)頻率由50 Hz降到40 Hz時(shí)，冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度變化趨勢(shì)不變，但機(jī)組的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率較低，壓縮機(jī)中的電動(dòng)機(jī)的磁通增大，造成磁路過飽和，勵(lì)磁電流大大增加，使得電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低[12]。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載降低時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的有功分量降低，定子電流的有功分量隨之降低，導(dǎo)致功率因數(shù)降低，鐵損增加，電動(dòng)機(jī)的效率會(huì)有所降低，從而使得壓縮機(jī)的總效率下降，冷水機(jī)組COP升高幅度降低。

從圖7系統(tǒng)COP、負(fù)荷百分比隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系圖上可以看出，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)所承擔(dān)的最大負(fù)荷為常規(guī)空調(diào)的81.5%。雖然兩個(gè)系統(tǒng)的表冷器換熱面積相同，但是每個(gè)系統(tǒng)中冷凍水的流速、流向不同，在表冷器內(nèi)換熱溫差也不同，從而使得換熱量不同。因此在針對(duì)既有空調(diào)系統(tǒng)采用熱濕分段處理方法進(jìn)行改造時(shí)，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)空氣處理箱中的表冷器換熱面積要比原空調(diào)系統(tǒng)大20% ～40%左右。當(dāng)負(fù)荷比由81.5%下降至50%時(shí)，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組的平均COP由3.13提高至4.16，提高率達(dá)32.9%。

圖6 制冷量、輸入功率隨壓縮機(jī)總頻率變化圖Fig.6 Cooling capacity and input power on various compressor frequencies

從圖8水側(cè)和空氣側(cè)換熱總量隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系曲線圖上可以看出，水側(cè)換熱總量略大于空氣側(cè)換熱總量，水側(cè)換熱總量與空氣側(cè)換熱總量最大相對(duì)誤差不超過7%。主要原因是由于空氣處理箱內(nèi)空氣在流動(dòng)過程有所流失，實(shí)際風(fēng)量值低于計(jì)算使用的額定風(fēng)量值。從圖9系統(tǒng)冷凝熱與蒸發(fā)側(cè)及壓縮機(jī)輸入功率隨壓縮機(jī)總頻率變化的關(guān)系曲線圖可以看出，系統(tǒng)冷凝熱略大于系統(tǒng)蒸發(fā)側(cè)制冷量與壓縮機(jī)輸入功率之和，二者最大相對(duì)誤差不超過9.5%。主要原因是由于蒸發(fā)側(cè)溫度較低，環(huán)境中部分熱量會(huì)通過冷凍水管路滲入到蒸發(fā)側(cè)。文中實(shí)驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)具有一定的精度及可信度。

圖7 系統(tǒng)COP、負(fù)荷百分比隨壓縮機(jī)總頻率變化圖Fig.7 COP and load rate on variouscompressor frequencies

圖8 水側(cè)、空氣側(cè)換熱總量隨壓縮機(jī)總頻率的關(guān)系曲線Fig.8 Heat transfer rate between water-side and air-side on various compressor frequencies

圖9 系統(tǒng)總能量隨壓縮機(jī)總頻率的關(guān)系曲線Fig.9 Total system energy on various compressor frequencies

3 結(jié)論

1)隨著高、低溫壓縮機(jī)頻率的降低，冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度上升，冷凝溫度下降，機(jī)組COP升高；但當(dāng)壓縮機(jī)頻率降低至40 Hz左右時(shí)，機(jī)組COP升高幅度降低，原因在于低頻率運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)效率下降。

2)在初始參數(shù)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相同時(shí)，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)所能承受的最大負(fù)荷為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的81.5%。

3)當(dāng)負(fù)荷比由81.5%下降至50%時(shí)，熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組平均COP提高了32.9%。中央空調(diào)系統(tǒng)50%以上的時(shí)間是在其負(fù)荷的50%～75%范圍內(nèi)運(yùn)行，故熱濕分段處理空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷下運(yùn)行具有明顯的節(jié)能效果。

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Experimental Study on Performance of Segmented Handling Air-conditioning System under Part Load Conditions

Jiang Xiaowei Liang Caihua

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Air conditioning systems are usually operated under part load conditions，and segmented handling air-conditioning system has significant advantages of realizing energy-saving operation under part load conditions.Chillers in serial configuration was carried out on a test bed of segmented handling air-conditioning system，and the performance of system in different load conditions were studied.Experiment results show that:the maximum load that segmented handling air-conditioning system can handle is only 81.5%compared with conventional systems when the design load is the same.When the load reduces from 81.5%to 50%，the chillers of the system average COP increases from 3.13 to 4.16，which indicates that segmented handling air conditioning system can create a big energy saving potential under part load conditions.

air-conditioning；segmented treatment；part load；energy-saving

TU831.3

A

0253－4339(2014)05－0025－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.025

梁彩華，男(1979－)，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，(025)83792692，E-mail:caihualiang＠163.com。研究方向:新型制冷空調(diào)技術(shù)、建筑節(jié)能、太陽能熱利用與建筑一體化等方面研究。

2013年12月13日

About the corresponding author

Liang Caihua(1979－)，male，doctor，professor，Ph.D.candidate supervisor，School of Energy and Environment，Southeast University，(025)83792692，E-mail:caihualiang＠163.com.Research fields:new refrigeration and air conditioning technology，building energy efficiency，solar thermal utilization and the building integration research and so on.