空調(diào)實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

戴永峰

（徐州原土建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 徐州221006）

0 引 言

據(jù)調(diào)查，建筑總面積不足我國(guó)城鎮(zhèn)民用建筑面積5%的大型公共建筑，其用電量約占我國(guó)建筑用電量的1／4，其中50%以上電耗用于中央空調(diào)，因此研究降低大型公共建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗非常重要［1］，而風(fēng)機(jī)盤(pán)管是半集中式空調(diào)系統(tǒng)中不可缺少的重要裝置，主要用來(lái)與空調(diào)房間進(jìn)行冷 （熱）量交換，以滿足空調(diào)房間負(fù)荷的需要［2］.文獻(xiàn)［3－4］均采用變冷水溫度的方式（也就是質(zhì)調(diào)節(jié)）來(lái)滿足測(cè)試要求，這種方式調(diào)節(jié)起來(lái)非常復(fù)雜而且技術(shù)不成熟.本文在對(duì)制冷機(jī)間歇工作.冷熱水摻混、變頻工作等3種制冷系統(tǒng)的對(duì)比分析后，選擇并設(shè)計(jì)了變頻控制制冷系統(tǒng)作為空調(diào)實(shí)驗(yàn)室的制冷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)盤(pán)管全工況性能測(cè)試系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的量調(diào)節(jié)方式，滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件要求，也符合常規(guī)教學(xué)需求.

1 制冷系統(tǒng)方案比較

風(fēng)機(jī)盤(pán)管實(shí)驗(yàn)室用于對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)行冷、熱工況實(shí)驗(yàn).即對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管在制熱或制冷狀態(tài)下，測(cè)量其制冷量和風(fēng)量，用于檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的性能.冷工況時(shí)空調(diào)小室的溫度為（27±0.1）℃，濕球溫度為（19.5±0.1）℃，風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)通（7±0.1）℃的冷水.熱工況時(shí)空調(diào)小室的溫度為（21±0.1）℃，風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)通（60±0.1）℃的熱水.根據(jù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)的流量和進(jìn)出水溫差，可求知該風(fēng)機(jī)盤(pán)管的制冷量或制熱量.通過(guò)橢圓噴嘴測(cè)量風(fēng)機(jī)盤(pán)管的風(fēng)量，同時(shí)根據(jù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)出口設(shè)置的干、濕球溫度計(jì)，得出進(jìn)出口空氣狀態(tài)的焓，這樣從風(fēng)側(cè)也可以得出風(fēng)機(jī)盤(pán)管的制冷量.從空調(diào)實(shí)驗(yàn)室制冷原理［5］可知，冷、熱工況均需要一個(gè)溫度恒定的冷熱源.本實(shí)驗(yàn)室的冷源采用變頻控制制冷系統(tǒng)，熱源采用電加熱熱水系統(tǒng).

單臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管所需的制冷量較小，市場(chǎng)上沒(méi)有適于該制冷量的冷水機(jī)組，因此需設(shè)計(jì)相應(yīng)的制冷系統(tǒng).可采用的制冷系統(tǒng)工作形式有：（1）制冷機(jī)間歇工作；（2）制冷機(jī)不停機(jī).將較低溫的冷水與熱水按一定比例摻混（簡(jiǎn)稱冷、熱水摻混）；（3）制冷機(jī)變頻工作等3種形式.實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)方案比較見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)方案比較

從表1可以看出，前兩種制冷系統(tǒng)的工作形式均為定速壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，定速壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)是：由于制冷量是按最大負(fù)荷匹配的，而系統(tǒng)全年滿負(fù)荷工作時(shí)間只有10% ～20%，在大多數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的制冷量大于負(fù)荷.為了避免制冷溫度低于所需溫度，制冷系統(tǒng)一般采用停、開(kāi)機(jī)的方法（即間歇工作）維持所需的制冷溫度，這樣就降低了系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)率，從而造成系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)效率的降低和能耗的增加，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)率50%時(shí)，效率約降低15%［6］.

與采用定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的制冷裝置相比較，采用變頻技術(shù)的制冷裝置，由于可以實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的制冷量與負(fù)荷的最佳匹配，所以減少了運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的開(kāi)、停機(jī)次數(shù)，在低負(fù)荷時(shí)壓縮機(jī)的效率較高，因此節(jié)能效果十分明顯.用全年總的運(yùn)行效率進(jìn)行比較（SEER），與采用定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)相比，采用變頻技術(shù)的制冷系統(tǒng)效率可提高1／3.

制冷機(jī)變頻工作可以實(shí)現(xiàn)冷水出水溫度的恒定且制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，雖然控制系統(tǒng)復(fù)雜，但結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的變頻控制冷水系統(tǒng)，不論在教學(xué)上還是在實(shí)際應(yīng)用中，都是可取的.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝調(diào)試

2.1 制冷系統(tǒng)及控制系統(tǒng)

考慮到實(shí)驗(yàn)室在不工作時(shí)，制冷系統(tǒng)也需要計(jì)算機(jī)房供冷，所以采用4臺(tái)變頻渦旋壓縮機(jī)，電機(jī)功率均為2.2kW，組成4組獨(dú)立的制冷系統(tǒng).制冷系統(tǒng)由渦旋式壓縮機(jī)、臥式殼管式冷凝器、干燥過(guò)濾器、電磁閥、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器（螺旋盤(pán)管）、氣液分離器組成［7］.制冷劑為R22.系統(tǒng)中設(shè)置高低壓控制器和高、低壓壓力表，用于保護(hù)壓縮機(jī)和監(jiān)控壓縮機(jī)工作［8］.冷凍水系統(tǒng)為開(kāi)式系統(tǒng)，蒸發(fā)器（螺旋盤(pán)管）浸沒(méi)在冷水箱中.

制冷系統(tǒng)原理為制冷劑R22經(jīng)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過(guò)熱蒸氣進(jìn)入臥式管殼式水冷冷凝器，冷凝成高壓常溫液體后經(jīng)干燥過(guò)濾器、電磁閥進(jìn)入熱力膨脹閥，經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流降壓降溫后，進(jìn)入蒸發(fā)器，制冷劑液體在蒸發(fā)盤(pán)管內(nèi)吸收冷凍水的熱量而氣化，氣化后的制冷劑蒸氣經(jīng)氣液分離器進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣端.

變頻控制系統(tǒng)如圖1所示，采用DDC控制系統(tǒng)，DI點(diǎn)14個(gè)，DO點(diǎn)4個(gè)，AI點(diǎn)3個(gè)，AO點(diǎn)2個(gè).通常情況下制冷機(jī)組JZ1－3按給定頻率（50～60Hz）工作，制冷機(jī)組JZ4始終變頻工作.制冷系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前，首先向冷凝器通冷卻水，此時(shí)，水流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，計(jì)算機(jī)根據(jù)水流開(kāi)關(guān)信號(hào)確定制冷機(jī)開(kāi)機(jī)與否，若水流開(kāi)關(guān)發(fā)出有水流信號(hào)，制冷系統(tǒng)電磁閥先打開(kāi)，延遲1min后制冷壓縮機(jī)開(kāi)機(jī).DDC計(jì)算機(jī)根據(jù)冷凍水的出水溫度，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)制冷壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)冷凍水出水溫度與給定值偏差較大時(shí)，制冷機(jī)組JZ1－3的3臺(tái)機(jī)組均按給定頻率工作，制冷機(jī)組JZ4按最大頻率工作；當(dāng)冷凍水出水溫度偏差小于某最大偏差時(shí)時(shí)，制冷機(jī)組JZ1－3中的1個(gè)或幾個(gè)工作，制冷機(jī)組JZ4變頻工作.水流開(kāi)關(guān)無(wú)信號(hào)時(shí)，機(jī)組不能工作；高壓高于給定值或低壓低于給定值制冷系統(tǒng)停機(jī).

2.2 設(shè)備選擇

制冷系統(tǒng)采用變頻渦旋壓縮機(jī)，其特點(diǎn)是效率高，制冷量調(diào)節(jié)范圍大（電機(jī)頻率在30～130Hz范圍內(nèi)變化），由于水冷式冷凝器具有冷凝溫度低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用水冷式冷凝器.同時(shí)，為保證不同季節(jié)冷卻水系統(tǒng)均能正常工作，在冷卻水進(jìn)出水管上裝有電動(dòng)三通閥，保證冷卻水進(jìn)入冷凝器的溫度在20℃以上.蒸發(fā)器采用廠家定型產(chǎn)品5P螺旋盤(pán)管.熱力膨脹閥采用RF4內(nèi)平衡式熱力膨脹閥［9］.

2.3 安裝與調(diào)試

圖1 制冷系統(tǒng)DDC控制原理框圖

在系統(tǒng)的安裝過(guò)程中，螺紋接頭處的喇叭口應(yīng)光滑，不得有翻邊、裂紋等缺陷，以免系統(tǒng)泄漏；布置管徑較細(xì)的引壓管時(shí)也不能隨意彎曲，防止彎曲半徑太小造成壓扁堵塞甚至產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象，導(dǎo)致壓力表和高低壓控制器指示錯(cuò)誤和失靈；制冷劑的充注量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，保證膨脹閥的供液充足，可以通過(guò)視液鏡或聽(tīng)制冷劑的流動(dòng)聲判斷膨脹閥前的供液是否充足；膨脹閥開(kāi)度小和制冷劑充注量少均會(huì)造成低壓壓力低.同時(shí)，要注意熱力膨脹閥的開(kāi)閥方向，并應(yīng)垂直安裝.由閥桿確定閥的開(kāi)啟狀態(tài)，順時(shí)針為關(guān)，逆時(shí)針為開(kāi).

2.4 運(yùn)行參數(shù)

渦旋變頻壓縮機(jī)由于采用了變頻器，因此其轉(zhuǎn)速隨頻率變化而產(chǎn)生不同的輸氣量，從而使制冷、制熱量增大或減小，目前，變頻壓縮機(jī)運(yùn)行范圍一般 為30～115Hz.在高頻，變頻壓縮機(jī)可以進(jìn)一步提升運(yùn)行頻率的方式，使變頻壓縮機(jī)輸出超過(guò)其額定能力.總體上看，變頻壓縮機(jī)可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的48%～104%之間.

表2為50Hz時(shí)制冷系統(tǒng)主要參數(shù).從表2可以看出，當(dāng)就頻壓縮機(jī)在50Hz運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)其冷凍水的進(jìn)出口水溫為12／7℃，冷卻水供回水溫度為29.1／32.3℃，基本滿足常規(guī)空調(diào)水系統(tǒng)的參數(shù)要求（冷凍水進(jìn)出口水溫為12／7℃，冷卻水供回水溫度為32／37℃）.

表2 50Hz時(shí)制冷系統(tǒng)主要參數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足風(fēng)機(jī)盤(pán)管實(shí)驗(yàn)室的溫濕度要求，需要提供溫度恒定的冷源，通過(guò)對(duì)比3種制冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇并設(shè)計(jì)了變頻控制制冷系統(tǒng).在暑期測(cè)試中，變頻控制制冷系統(tǒng)能滿足冷水 出水溫度恒定的要求，可提供風(fēng)機(jī)盤(pán)管溫度為5～11℃的冷凍水.該測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)為教師及學(xué)生對(duì)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的性能研究提供了設(shè)計(jì)合理、測(cè)試準(zhǔn)確穩(wěn)定的平臺(tái).

［1］夏玲，錢(qián)雪峰，岳海兵，等.風(fēng)機(jī)盤(pán)管性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及影響因素分析［J］.流體機(jī)械，2013，33（2）：17－20.

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