大冷量制冷機組匹配實驗

方杰+李瑛+錢芳+柳勝耀

摘 要：依據多聯(lián)式空調（熱泵）機組及實驗室設計相關要求初步選取制冷機組類型，根據實驗室負荷計算確定制冷機組的容量，采用變頻與定頻相結合技術選取匹配的制冷機組.通過極限低溫工況試驗、工況調整速度試驗檢測制冷機組的匹配性并在試驗的基礎上進行能耗分析.試驗結果表明，采用變頻與定頻相結合技術比定頻機組在冷量測試時節(jié)能13%以上.合理高效的匹配制冷機組有助于改善各種工況的穩(wěn)定速率，同時有效地控制制冷系統(tǒng)能耗，節(jié)約能源.

關鍵詞：制冷機組； 定頻； 變頻； 節(jié)能試驗

中圖分類號： TU 831.4 文獻標志碼： A

隨著多聯(lián)機空調器的廣泛應用，對測試其性能的實驗裝置進行研究具有十分重要的意義.國內外對多聯(lián)機性能測試的研究主要采用空氣焓差法，該方法不僅使得工廠、研發(fā)中心、研究所等機構減少了對實驗室的初期投資，還大大縮短了實驗所需要的時間，降低了能源的消耗，減少了運行成本.

國內外研究熱點主要集中在空氣焓差法測試實驗室中的環(huán)境溫度和濕度等的測量方法、測試對象的拓展，測試精度的提高，測試系統(tǒng)軟件的改進，實驗裝置的設計和布置等方面[1-4].制冷機組是多聯(lián)機實驗室的主要裝置，選取的制冷機組匹配與否決定著整個實驗室的成敗.其中壓縮機的能耗占整個制冷系統(tǒng)能耗的95%.因此，對制冷機組匹配性的研究，不僅有助于改善各種工況的穩(wěn)定速率、波動范圍，而且能有效地控制系統(tǒng)能耗[5].

1 制冷機組選擇

依據GB/T 7725—2004 房間空氣調節(jié)器[6]和GB/T 17758—2010 單元式空氣調節(jié)機[7]以及上海市質量監(jiān)督局的相關要求，設計、建造了一套最大可用于測試62.5 kW多聯(lián)機性能的測試實驗室。該實驗室布置如圖1所示.

目前常用的制冷方式主要分為蒸氣壓縮式制冷和吸收式制冷兩類.表1為常用制冷機組的容量范圍和能耗.根據表1和實驗室相關設計要求（最大測試制冷量62.5 kW）可初步確定該實驗室的機組應選擇水冷活塞式制冷機組.

變頻制冷系統(tǒng)可根據室內熱負荷的變化對壓縮機轉速進行調節(jié).在初始運行階段，壓縮機全速運行，隨著負荷的減少壓縮機轉速降低，從而平衡室內的熱負荷.實際情況下，制冷系統(tǒng)的運行工況都低于所設計的額定工況，因此變頻壓縮機通常可以在低頻、低制冷量的情況下運行，功耗較小[9].

定頻制冷系統(tǒng)采用開?？刂疲覂葴囟炔▌虞^大，存在開停損失.壓縮機啟動后，排氣壓力迅速增加，吸氣壓力迅速下降，蒸發(fā)器液態(tài)工質閃蒸，導致蒸發(fā)器內部溫度迅速下降，大量的液態(tài)工質轉移到氣液分離器中氣化，而以液態(tài)形式離開蒸發(fā)器的工質未能起到制冷作用，導致開機階段冷量反而下降.停機時，系統(tǒng)高溫高壓區(qū)的液態(tài)工質通過節(jié)流裝置轉移到低溫低壓區(qū).這個節(jié)流過程是高度不可逆的自發(fā)過程，存在可用能的損失.相比于低轉速連續(xù)工作的變頻制冷系統(tǒng)而言，定頻系統(tǒng)功耗較大.

因此，實驗室A、B兩室采用變頻與定頻相結合的技術.而C、D兩室由于所需冷負荷較大，壓縮機轉速較大，故不宜采用變頻與定頻相結合的技術，且由于在高速狀態(tài)下，定頻制冷機組相對節(jié)能，故C、D兩室采用定頻制冷機組.

2 壓縮機選型計算

由于該實驗室具有受周圍環(huán)境限制，以及半封閉壓縮機可拆卸、維護方便的特點，故選用半封閉式壓縮機.

2.1 實驗室冷負荷的計算[6]

由于A、B、C、D各室的結構基本相同，只是大小和對室內環(huán)境工況的要求不同等，所以它們的計算過程基本相同.此處計算均以B室為例，B室作為室內側，被試機制熱運行.B室長度L、寬度W、高度H分別為6 500、5 500、4 400 mm.

Q=Q1+Q2+Q3+Q4

（1）

式中：Q為B室的耗冷量；Q1為被測設備發(fā)熱量，最大值為25.725 kW；Q2為庫板漏熱量（由于庫房建在廠房內，所以由太陽輻射所引起的輻射熱忽略不計）；Q3為由于房間內各種發(fā)熱設備工作時產生的熱量，簡稱操作熱；Q4為房間降溫速度所需的冷量.

2.1.1 庫板漏熱量

庫板漏熱量即由于庫房內外空氣溫差而滲入的熱量，計算式為

Q2=KA（th-tm）

（2）

式中：K為圍護結構傳熱系數(shù)；th為室外計算溫度，對上海地區(qū)，取th=35℃；tm為室內設計溫度，應根據最低室溫計算，tm=-15℃；A為B室的圍護結構總面積，為177.1 m2.

圍護結構材料為硬質聚胺酯泡沫塑料，內外面板采用噴塑鋼板，隔熱材料厚度δ=100 mm.內外噴塑鋼板面板的熱阻忽略不計，則傳熱系數(shù)計算式為

K=11α1+δλ+1α2

（3）

式中：α1為外面板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取α1=23.26 W·m-2·K-1；α2為內面板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，取α2=17.45 W·m-2·K-1；λ為隔熱材料的熱導率，λ=0.028 W·m-2·K-1；

由式（2）得Q2=1.948 kW.

2.1.2 操作熱

實驗室內配有一臺循環(huán)風機，功率為2.8 kW，每個庫房內裝有四臺50 W日光燈.因此，操作熱Q3為3.0 kW.

2.1.3 房間降溫速度所需的冷量

Q4=mcpΔt/τ

（4）

式中：m為室內空氣質量，m=ρV，ρ為密度，可取1.205 kg·m-3，V為室內空氣體積，V=157.3 m3，則m=189.5 kg；cp為空氣定壓比熱，可取1.005 kJ·kg-1·℃-1；Δt為室內最大空氣溫差，為70℃；τ為工況調節(jié)時間，τ=1.5 h.

由式（4）得Q4=2.469 kW.因此，B室耗冷量為33.142 kW.

在上述選型計算的基礎上，綜合考慮房間的最大冷負荷及更多的余量，最終各室壓縮機選

型結果如表2所示.定頻制冷機組采用比澤爾定

速半封閉活塞式壓縮機4DC7.240S，制冷劑

選用R22，電氣參數(shù)為400 V/50 Hz.該系列半封閉壓縮機具有能效高、可靠性強的特點.變頻機組采用效率高、有效質流量大、噪聲低、振動小的Dorin變頻半封閉活塞式壓縮機HI550CC/2.

3 運行測試

該實驗室全部房間可作為一套多聯(lián)機實驗室或兩套焓差實驗室使用.A、B、C、D室可組合成一拖多不超過62.5 kW多聯(lián)機焓差實驗室；A、B室可組合成一套12.5 kW焓差實驗室；B、D和C、D室可分別組合成一套25 kW焓差實驗室.

3.1 極限工況測試

多聯(lián)機性能測試實驗室投入使用前需通過極限工況實驗以檢驗該制冷機組是否匹配.極限工況實驗主要為低溫極限工況、高溫極限工況、濕度極限工況實驗.

3.1.1 低溫極限工況實驗

低溫極限工況實驗是為檢測制冷機組能否達到制冷工況要求.室內側工況溫度設定為10℃，室外側工況溫度設定為-15℃.室內側、室外側低溫極限工況實驗曲線如圖2所示.

由圖2可知，實驗室的室內側和室外側均能在1.5 h內達到設計的低溫極限工況.在工況穩(wěn)定之后，室內側PID的輸出為39%，室外側為45%.空氣處理裝置和實驗室制冷系統(tǒng)均尚有裕量，完全能夠滿足低溫極限工況的要求.

3.1.2 濕度極限工況實驗[10]

濕度極限工況實驗是為檢驗制冷系統(tǒng)提供的加濕量能否滿足需要.由于高溫高濕工況和高溫低濕工況下濕度極限工況都較難達到且不易控制，故本文在低溫下進行濕度極限工況實驗.選取一個室外側和一個室內側進行低溫下的濕度極限工況實驗，室內側的設計極限低溫為10℃，室外側的設計極限低溫為-15℃.實驗結果如圖3所示.

從圖3可以看出，30 min左右室內側、室外側溫度均達到指定的極低溫，40 min左右相對濕度達到90%，并保持穩(wěn)定.

根據以上實驗數(shù)據可看出，所選取的制冷機組均能夠達到設定工況并保持穩(wěn)定，完全滿足設計要求.

3.2 工況調整速度實驗

工況調整速度實驗目的是檢測制冷機組能否在規(guī)定時間內，從一工況調整到所需工況.工況調整速度實驗分為升溫速度實驗和降溫速度實驗.實驗要求所耗時間不能超過1.5 h.

3.2.1 升溫速度實驗

室內側初始工況設為10℃，待工況穩(wěn)定后，升溫為45℃，升溫速度實驗曲線如圖4所示.

從圖4（a）可知，在室內側升溫速度實驗中，室內溫度由設計最低溫度10℃升溫到設計最高溫度45℃，耗時約為40 min.前30 min內，室內側溫度平穩(wěn)迅速上升，由于溫度調節(jié)過程存在延時，所以溫度升高至48℃左右，接著溫度下降到45℃并趨于穩(wěn)定.

室外側升溫速度實驗中，將初始工況溫度穩(wěn)定在設計最低溫度-15℃，一段時間后，將工況設定為最高溫度55℃.

從圖4（b）中可以看出，在室外側升溫速度實驗中，室外側溫度勻速上升，由設計最低溫度-15℃升溫到設計最高溫度55℃，耗時50 min.在前40 min左右，室內溫度平穩(wěn)迅速上升

3.2.2 降溫速度實驗

將室內側溫度設定在設計最高溫度45℃，待工況穩(wěn)定一段時間后，將溫度設定為設計最低溫度10℃，其降溫速度實驗曲線如圖5所示.室外側的降溫速度實驗與室內側的降溫速度實驗相同，先將實驗室的溫度穩(wěn)定在設計最高溫度55℃，再將溫度設定為設計最低溫度-15℃，其實驗曲線如圖5所示.

從圖5中可看出，室內側溫度勻速下降，溫度由設計最高溫度45℃降低到設計最低溫度10℃，耗時38 min.在前30 min，室內側溫度平穩(wěn)迅速下降到低于10℃的設計最低溫度，后平穩(wěn)上升穩(wěn)定在10℃.室外側亦是如此，從設計最高溫度55℃降到設計最低溫度-15℃，耗時50 min，其中前8 min左右為室外側降溫速度實驗前，溫度恒定.從第8 min至45 min，室外側溫度平穩(wěn)迅速下降，達到并低于-15℃的設計最低溫度后，降溫速度開始減小，達到-17℃后慢慢升溫并穩(wěn)定在設計最低溫度處.

在工況調整速度實驗中，無論是升溫速度試驗還是降溫速度實驗，所選取的制冷機組均能夠穩(wěn)定快速地達到設定工況，完全滿足設計要求.

3.3 變頻和定頻機組的能耗比較

A、B室組成12.5 kW焓差實驗室，當測試7.5 kW制冷設備時，只需開啟12.5 kW變頻機組即能滿足需要.運行時冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為0℃，依據HI550CC/2 Dorin變頻壓縮機性能參數(shù)，其功率為4.906 kW，相對定頻機組（功率為5.66 kW）運行時約節(jié)能13.3%.變頻和定頻機組能耗對比如圖6所示.

同樣，B、D組成的25 kW焓差實驗室，測試12.5 kW以上的制冷設備時，B室采用變頻與定頻相結合的技術，開啟一臺12.5 kW定頻制冷機組和一臺12.5 kW變頻制冷機組，相比兩臺12.5 kW定頻制冷機組約節(jié)能14.6%.

4 結 論

依據實驗室相關設計要求初步選擇水冷活塞式制冷機組，通過負荷計算、能耗分析等理論分析可知，在多聯(lián)式實驗中采用變頻和定頻相結合技術匹配制冷機組不僅滿足實驗室要求而且具有較大的節(jié)能效益.在經極限工況實驗、工況調整速

度實驗的基礎上進行的能耗對比實驗，有力地驗證

了變頻與定頻相結合的技術比定頻機組在冷量測

試時約節(jié)能13%以上.因此，合理地選擇制冷機組

對工況的穩(wěn)定性、系統(tǒng)能耗經濟性具有重要意義.

參考文獻：

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