變溫環(huán)境室空調系統(tǒng)實驗研究

張 柱 吳蔚蘭

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變溫環(huán)境室空調系統(tǒng)實驗研究

張 柱 吳蔚蘭

（中機中聯(lián)工程有限公司 重慶 400039）

介紹了變溫環(huán)境室空調系統(tǒng)實驗裝置，研究分析了不同工況下室內溫度分布、壓縮機啟停周期、制冷量及COP等運行參數(shù)的變化情況。實驗結果表明：室內控制溫度越接近坐落環(huán)境溫度，溫度波動幅度越小，不同位置的溫差也越??；與理論值相比，壓縮機的制冷量及COP隨環(huán)境室溫度升高而升高，理論制冷量大于實際制冷量；而壓縮機啟停比，無論理論值還是實驗值，均呈現(xiàn)從低溫到高溫下降的趨勢，但低溫時實驗值接近于理論值，高溫時低于理論值。

變溫環(huán)境室；制冷性能；溫度分布；壓縮機啟停比

0 引言

隨著科技的進步，需要營造低溫環(huán)境的場所和部門日益增加，例如揚州種子庫、杭州茶葉廠等單位以及食品冷加工行業(yè)需要創(chuàng)造低溫低濕的特殊空氣調節(jié)環(huán)境。農業(yè)與食品行業(yè)也需要溫度低、濕度大的低溫空調機組[1,2]，但是，我國生產的環(huán)境空氣調節(jié)制冷機組最為普遍的是18～25℃的恒溫恒濕機組和用于夏季降溫的冷凝壓縮機組，0℃以下的低溫環(huán)境空氣調節(jié)機組較少，國內制冷行業(yè)對低溫空調箱的性能了解不足，在一定程度上制約了低溫空調箱的技術發(fā)展和性能提高。目前低溫空調機組能否解決蒸發(fā)器表面結霜問題，機組輔助設備合理選型問題，以及倉庫和食品加工車間溫度的控制精確問題和均勻速度場、溫度場設計問題，是制冷行業(yè)急需解決和研究的目標。宋瑋[3]等對低溫空調送風溫差方面進行了分析，提出采用焓差小、風量大的送風方式，同時還對低溫空調室內除霜控制進行了研究，得出室內雙傳感器控制設備簡單，準確性提高。李斌、劉炳衡[4]等通過增加散流器，對食品加工車間進行溫度場、濕度場以及氣流組織研究分析，測得最佳送風溫度、送風溫差、送風次數(shù)。

但遺憾的是，對于變溫環(huán)境室的制冷系統(tǒng)以及能耗情況并未能具體的研究分析。本實驗利用建筑節(jié)能綜合實驗室，采用制冷劑為R404a，通過不斷改變環(huán)境室內溫度，將環(huán)境室溫度降至-15℃、升至15℃以上，溫度控制精度在±1℃之內，設置了11個控制工況，實現(xiàn)環(huán)境室的變溫工況，任何工況下維持風冷式冷凝器的進風溫度相同，分析環(huán)境室溫度分布規(guī)律性、壓縮機制冷性能以及能耗情況。

1 環(huán)境室冷熱負荷

1.1 環(huán)境室負荷變化規(guī)律

本實驗中環(huán)境室冷卻設備負荷包括圍護結構傳熱量和電動機運轉熱量，經計算[5-9]，如表1所示。

表1 環(huán)境室冷卻設備負荷

由表1可知，冷負荷與環(huán)境室溫度存在線性關系=-95.15+2759.35。

1.2 各工況下制冷量的變化規(guī)律

一個穩(wěn)定的線性熱源被置于無限均質環(huán)境中，假設初始溫度均勻且線熱源等速加熱或冷卻時，接近環(huán)境室某定點的溫度響應反映出環(huán)境室的溫度上升（下降），在時間1和2之間的溫度變化為Δ，即：

環(huán)境室溫度工況的變化必然引起蒸發(fā)溫度的變化，由上圖可知，蒸發(fā)溫度升高，制冷量增加[7]，這使得溫升速率加快，制冷壓縮機的啟停時間比減小。

1.3 各工況下制冷機開停狀況理論分析

本實驗采用TAG2516Z全封閉中低溫型壓縮冷凝機組，其壓縮機特性曲線如圖2所示，根據(jù)壓縮機性能曲線擬合得到環(huán)境溫度為15℃時壓縮機制冷量與其蒸發(fā)溫度的關系曲線如下式：

=1.272+242.35+9281.1

實驗設定：當室內環(huán)境溫度高于設定工況1℃時，壓縮機啟動工作；當環(huán)境溫度低于設定工況1℃時，壓縮機停止工作。在每個設定工況下壓縮機的理論啟停比為：，其中=+10；為環(huán)境溫度，℃；為壓縮機理論蒸發(fā)溫度，℃。

圖2 壓縮機特性曲線

2 環(huán)境室的實驗研究

2.1 實驗裝置與檢測裝置介紹

變溫環(huán)境實驗裝置是建筑節(jié)能綜合實驗室的一部分，是以控制環(huán)境室溫度變化為目的的實驗輔助裝置。變溫環(huán)境實驗室主要由制冷系統(tǒng)、風循環(huán)系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等幾部分組成，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。制冷系統(tǒng)：采用風冷式全封閉中低溫型泰康TAG2516Z—BR壓縮冷凝機組為主機，高溫空氣融霜的直接膨脹制冷系統(tǒng)；換熱系統(tǒng)：采用高低溫空調箱（包括冷風機、翅片管型電加熱器、粗效空氣過濾器、中效空氣過濾器）為熱量交換裝置；送風系統(tǒng)：采用軸流風機為送風設備，空氣循環(huán)使用（可補充新風）的空氣調節(jié)系統(tǒng)；測試系統(tǒng)為風速、壓力、溫度、濕度和電功率的數(shù)據(jù)采集裝置。主要管道包括制冷劑管道、均勻送風管道、送回風管道、新排風管道以及控制線路。除了上述的主要設備以外，還包括制冷系統(tǒng)中的電磁閥、干燥過濾器以及風系統(tǒng)中的送回風閥。

圖3 變溫環(huán)境實驗裝置系統(tǒng)圖

其中實驗中數(shù)據(jù)采集裝置為日本YOKOGAWA公司的MX100多點數(shù)據(jù)采集儀，溫度測量采用銅-康銅（T型）熱電偶、壓力測量采用精度為0.2級的壓力變送器、風速測量采用德國test0425精密型熱敏風速儀、濕度測量采用CF5020Y溫濕度測量儀等進行測量。環(huán)境室溫度測點與風速測點布置如圖4所示。

主要控制參數(shù)如下：環(huán)境室圍護結構主要為20cm厚的空心磚，在其內表面貼有5cm厚的擠塑板（材料為聚苯乙烯泡沫塑料），其中的一面墻上有玻璃窗（2.1m×1.5m，與測試間內側室相連），另一面有厚為10cm的保溫門（0.8m×1.8m），此外一面墻有玻璃窗（0.4m×3m，與室外環(huán)境相連）。

圖4 環(huán)境室溫度測點與風速測點布置圖

為了滿足房間均勻送風和溫度控制精度的要求，變溫空調系統(tǒng)采用全空氣式制冷系統(tǒng)，在所控房間以外設置變溫可控空調箱。空調箱容積2.71m×1.6m×1.2m，環(huán)境室室外環(huán)境溫度為夏季空氣調節(jié)日平均溫度29℃。

（1）溫度控制范圍：-20～40℃；

（2）環(huán)境室容積：4.2m（長）×2.1m（寬）×3.4m（高）；

（3）保溫材料：聚苯乙烯泡沫塑料，玻璃窗；

（4）溫度控制精度：±1℃；

（5）對濕度無要求。

2.2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.2.1 環(huán)境室的溫度場情況及分析

環(huán)境室溫度測點如圖4所示，圖5、圖6、圖7和圖8分別為環(huán)境室在控制工況-15℃、0℃、6℃和15℃的溫度分布情況。從圖中可以看出，第一排溫度略高于第二排，這是因為第二排距均勻送風道較近，第1列的溫度要略低于第2、3列，這是因為雙百葉送風窗風向傾斜向下，回風口在均勻送風道的右下方，下方的空氣擾動較上方劇烈。根據(jù)環(huán)境室氣流組織的計算，整個環(huán)境室內在第1排溫度測點位于氣流的繞動區(qū)，第2排溫度測點主要位于氣流回風區(qū)，在低溫工況下，環(huán)境室溫度呈現(xiàn)從門口位置向回風口逐漸升高的趨勢，在高溫工況下，環(huán)境室溫度呈現(xiàn)從門口位置向回風口逐漸降低的趨勢。

從環(huán)境室在設計范圍內溫度場的測試結果來看，整個環(huán)境室不同位置的溫度波動范圍均在要求范圍之內。高溫環(huán)境好于低溫環(huán)境，環(huán)境室控制溫度越接近坐落環(huán)境溫度，波動幅度越小，不同位置的溫度差也就越小。

圖5 -15℃環(huán)境室溫度分布

圖6 0℃環(huán)境室溫度分布

圖7 6℃環(huán)境室溫度分布

圖8 15℃環(huán)境室溫度分布

2.2.2 壓縮機啟停比的情況分析

圖9 壓縮機啟停比變化曲線

由表1可知，環(huán)境室溫度升高，環(huán)境室與室外溫差減小，環(huán)境室冷負荷降低。圖9為控制環(huán)境室溫度在設定工況下±0.5℃范圍內波動時，壓縮機啟停時間比值隨設定溫度的變化曲線，通過圖8可以看出，無論理論值還是實驗值，均呈現(xiàn)從低溫到高溫下降的趨勢，可從表1與圖2看出主要因為溫度越低環(huán)境室冷負荷越大，而壓縮機的制冷量小，則壓縮機正常運行時間長；壓縮機停止運行時，環(huán)境室與室外溫差大，環(huán)境室溫度回升快，壓縮機停止時間短。相反，當高溫時，環(huán)境室內外溫差小，所需冷負荷小，蒸發(fā)溫度高，制冷量大，壓縮機啟動時間小于停止時間。另外，還可以看出，-15℃—-10℃時壓縮機啟停比理論值大于實驗值，而在-10℃以上，理論值小于實驗值。主要是因為在低溫工況時，壓縮機屬于正常運行工況；在高溫工況下，壓縮機理論啟停比是在蒸發(fā)溫度不變，以理論制冷量計算得出，而壓縮機實際啟停比則是壓縮機剛啟動的短時間內，蒸發(fā)器進出口制冷劑溫度偏高，制冷量小于理論制冷量，壓縮機運行時間比理論值要長。

2.2.3 各工況下制冷系統(tǒng)的制冷量及COP分析

圖10為壓縮機制冷量隨蒸發(fā)溫度變化曲線，通過圖中對比看出，理論制冷量和實際制冷量均隨蒸發(fā)溫度升高呈上升趨勢。理論制冷量大于實際制冷量，而且相同蒸發(fā)溫度下與理論制冷量相比，實際制冷量的增長趨勢明顯減小。主要原因有以下幾個方面：

（1）試驗階段恒溫室周圍環(huán)境溫度較低，以圍護結構傳熱量為主的冷負荷較小，制冷機產冷量遠大于該負荷。

圖10 壓縮機制冷量隨蒸發(fā)溫度變化曲線

（2）所計入的冷量基本是開機過程處理“過潮”階段的冷量，大部分冷量消耗于制冷壓縮機本體。該損失在需要制冷的較高環(huán)境室溫度下將更大，也就是開機時間越短損失越大。這是引起溫度越高制冷量變化趨勢越小的主要原因。

（3）制冷機和蒸發(fā)器（冷風機）按照最低環(huán)境室溫度配置，當環(huán)境室溫度提高后制冷壓縮機的制冷量增大，蒸發(fā)器換熱面積沒有變化，引起蒸發(fā)溫度降低，制冷壓縮機的冷量未能得到充分釋放，而是通過自恒減少冷量的輸出。

（4）蒸發(fā)器表面結霜導致冷風機效率和蒸發(fā)溫度降低而產生的冷量損失。

（5）管道、風閥、風管等帶來的冷量損失等。

綜上分析可知，大幅度變溫環(huán)境的營造需要根據(jù)負荷的變化規(guī)律，配備制冷量可變的制冷系統(tǒng)，保持在各種運行工況下有適宜的對應參數(shù)，才能保證設備的經濟性。

圖11為制冷系統(tǒng)COP的變化曲線，=/，式中為制冷壓縮機的輸入功率：。通過測量各工況下制冷壓縮機三相電流和電壓計算得出壓縮機輸入功率。無論是理論COP還是實驗測得COP均隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，但理論COP大于實驗值。由圖10可知，當蒸發(fā)溫度為0℃時，實驗COP值與理論COP值相差最大為1.1。隨蒸發(fā)溫度的升高實際COP值與理論COP值有差值變大的趨勢。這主要是因為隨蒸發(fā)溫度的升高制冷量與理論制冷量相比差距變大，而高溫下壓縮機耗功也在增大，所以壓縮機COP差距逐漸增大。

圖11 壓縮機COP隨蒸發(fā)溫度變化曲線

3 結8BBA

（1）在各工況均穩(wěn)定兩個小時的測試中，隨著環(huán)境室控制溫度的升高，壓縮機的啟停時間比減小，壓縮機的運行時間越短。啟?？刂撇呗允且环N不夠經濟的方法，這增加了能耗。除非改變熱力膨脹閥的調節(jié)特性與制冷系統(tǒng)啟動瞬時的系統(tǒng)溫度特點相吻合。制冷壓縮機的變流量調節(jié)與電子膨脹閥的合理配合亦能夠改善制冷系統(tǒng)的運行效率。

（2）環(huán)境室控制溫度越接近坐落環(huán)境溫度，溫度波動幅度越小，不同位置的溫差也越小；該系統(tǒng)可以滿足更高控制精度，但壓縮機啟停更加頻繁。

（3）通過壓縮機理論COP與實驗COP的對比可以看出，這種壓縮機頻繁啟停以維持環(huán)境室溫度穩(wěn)定的運行方式，壓縮機耗功量大，制冷量小。

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Experimental Study on Air Conditioning System of Variable Temperature Ambient Chamber

Zhang Zhu Wu Weilan

( CMCU ENGINEERING Co., Ltd, Chongqing, 400039 )

This paper introduces experimental facilities on air conditioning system of variable temperature ambient chamber. Researching and analysis the operating parameters of temperature distribution, compressor start-stop cycle and cooling capacity and COP changes. The results showed that the closer chamber controlled temperature is located to the ambient temperature, the smaller the temperature fluctuations is, temperature difference is also smaller; compared with the theoretical value, with ambient chamber temperature rising, compressor cooling capacity and COP rise; theoretical cooling capacity is more than the actual cooling capacity and compression of the start-stop, regardless of the theoretical value or experimental values, showed a downward trend from low to high, but the low temperature test values close to the theoretical value, when the high temperature is lower than the theoretical value.

variable temperature ambient chamber; performance of refrigeration; temperature distribution; compression of the start-stop

1671-6612（2017）04-428-05

TB66

A

張 柱（1989.9-），男，工學碩士，E-mail：1208862027@qq.com

2017-07-12