低泄漏空氣側經濟器的產品設計要點

段平森

（英格索蘭亞太工程技術中心，江蘇太倉215400）

0 引 言

空氣側經濟器能幫助建筑合理利用室外新風實現免費制冷和通風?！渡逃媒ㄖ?jié)能規(guī)范》ASHARE 90.1要求美國大部分地區(qū)4.5冷噸及以上的獨立風冷產品必須安裝空氣側經濟器[1]；相關的規(guī)范和標準還有《國際節(jié)能規(guī)范》IECC[2]以及《加利福尼亞州建筑能效標準》TITLE 24[3]。美國不同地區(qū)適用的規(guī)范和標準的版本不同，這些規(guī)范和標準定義了空氣側經濟器可用的控制方式、適用地區(qū)、工作臨界條件和可靠性要求等內容。同時滿足3個規(guī)范和標準的最新版本的空氣側經濟器允許在全美所有地區(qū)銷售，其典型特征是風閥的密封等級較高，行業(yè)內用“低泄漏”來表述其產品等級。作為風冷產品的子系統(tǒng)，其產品設計需要基于整機制冷系統(tǒng)完成性能和可靠性的測試和驗證，并滿足相關法規(guī)的認證要求。

1 結構組成

空氣側經濟器主要包括新風進氣裝置、新風/回風風閥、控制模塊、傳動機構和過壓釋放裝置[4]。一般安裝在風冷整機系統(tǒng)（如屋頂機）的室內側，由控制模塊通過傳動機構來控制風閥開閉和過壓釋放裝置的啟停。

2 工作原理

空氣側經濟器的功能包括免費制冷和通風換氣。需要根據各地的氣候特點來選擇合適的控制方式，從而實現最佳節(jié)能效果。以ASHARE 90.1為例，其定義了允許的控制方式、適用地區(qū)和工作臨界條件（如表1）。這些控制方式涉及到新風和回風溫度、空氣比焓等參數。控制模塊按設定的控制方式和工作臨界條件，讀取新風和回風參數，并結合整機的混風溫度來控制風閥合理引入室外新風；當建筑室內因為引入新風導致氣壓過高時，過壓釋放裝置啟動進行排氣。

表1 ASHARE 90.1-2016允許的控制方式、適用地區(qū)和工作臨界條件[1]

空氣側經濟器主要有4種工作模式[4]：

1)制熱模式。整機系統(tǒng)制熱時，新風風閥關閉至設定的最小開度，引入新風僅作為通風功能。

2) 免費制冷模式。整機系統(tǒng)引入的新風足以滿足全部制冷需求，壓縮機不運行。

3) 集成制冷模式。整機系統(tǒng)引入的新風只能滿足部分制冷需求，壓縮機部分或者全部負荷運行。

4) 機械制冷模式。新風溫度或者比焓超過設定的上限條件時，整機系統(tǒng)采用壓縮機制冷。新風風閥關閉至設定的最小開度，引入新風僅作為通風功能。

3 設計和驗證

3.1 風閥裝置

密封性能和機構可靠性是風閥裝置設計的重點，TITLE 24、ASHARE 90.1和IECC要求對其進行認證。

3.1.1 密封設計

從功能上，風閥裝置分新風風閥、回風風閥和排氣風閥。從形式上，分重力風閥和電動風閥。新風和回風風閥使用電動風閥，由控制模塊控制開閉；過壓釋放裝置可使用重力風閥或者電動風閥，可根據ASHARE 90.1標準確定適用條件[1]。3個標準的密封要求不同，要按最高要求來設計。對于電動風閥，漏風量在1 in水柱壓差時不能大于4 CFM/ft2；對于重力風閥，漏風量在1 in水柱壓差時不能大于20 CFM/ft2，但任一邊長度小于24 in時，漏風量不大于40 CFM/ft2即可，詳見表2。

表2 TITLE 24、ASHARE 90.1和IECC對風閥的密封要求[1-3]

3.1.2 傳動機構

可以使用一個電動機同時驅動多個風閥，也可以使用多個電動機單獨驅動各個風閥，甚至多個電動機驅動同一風閥。典型的機構設計有連桿傳動和齒輪傳動，以及兩種方式的組合。圖1為北美一種公開的風閥裝置的專利設計，其傳動機構采用了齒輪和齒條的組合設計。TITLE 24要求傳動機構能通過6萬次循環(huán)測試和驗證[3]。風閥從關閉到最大開度，再完全關閉為一個循環(huán)。測試后傳動機構應當功能完好，風閥相關部件無損壞，且依然滿足密封要求。

圖1 一種采用齒輪和齒條組合的風閥傳動機構設計[5]

3.2 風性能

對于新風裝置，主要用進氣裝置和新風風閥的風阻來表述風性能；對于回風裝置，主要用回風風閥的風阻來表述風性能；對于過壓釋放裝置，用回風靜壓為大氣壓力時裝置的最大排風能力來表述風性能。一般而言，新風風閥和回風風閥為聯動設計，即新風風閥全開始時，回風風閥完全關閉，反之亦然。新風風閥全開時，整機系統(tǒng)增加了新風風阻，同時沒了回風管道產生的風阻；但回風風閥全開時，整機系統(tǒng)卻額外增加了回風風阻。因此，新風風阻通常要求較寬松，而回風風阻則要求較嚴格（風阻小）。

實際工作中，風閥存在部分開啟的狀態(tài)。當風閥開口尺寸和葉片數量相同且部分開啟時，平行式多葉風閥（如圖2）的空氣流通能力優(yōu)于對開式多葉風閥（如圖3）。圖4對比了兩種風閥在不同開度時的流量特性：水平軸表示風閥開度百分比，垂直軸表示空氣流通量百分比?？梢愿鶕嘛L設計需求選擇合適的風閥類型。

圖2 平行式多葉風閥

圖3 對開式多葉風閥

圖4 兩種風閥在不同開度時流量特性

3.3 制冷可靠性

與整機系統(tǒng)集成工作時，需要驗證蒸發(fā)器是否結霜、飛水和壓縮機是否頻繁跳機。這些風險與空氣側經濟器的新風設計、控制邏輯和整機的制冷系統(tǒng)有關。

3.3.1 蒸發(fā)器結霜

當室外環(huán)境溫度較低，整機處于集成制冷模式時，引入新風使得蒸發(fā)器較容易出現結霜。可以通過測試找出結霜時對應的新風臨界溫度來判斷風險等級和制定應對措施。

應當基于可能的最惡劣工況來測試，一般規(guī)律如下：1)對于安裝同一空氣側經濟器的整機系統(tǒng)，大噸位設備比小噸位設備更容易結霜；2) 壓縮機全負載運行時比部分負載時更容易結霜；3) 室內風機在小風量時比大風量時更容易結霜，因為小風量時帶走冷量較少；4)室內干球和濕球溫度應當設置為較低，可參考行業(yè)或企業(yè)標準確定最惡劣工況；5)新風的干球溫度需要測試多個值，直到找出蒸發(fā)器結霜時對應的臨界溫度；6) 新風濕度應當盡可能高（與新風干球溫度的設定值匹配）；7)新風風閥開度應當設置為控制系統(tǒng)在此時允許的最大值，從而引入更多的低溫新風（風閥在不同工作模式下的開度通常由控制邏輯設定，下同）。

找出結霜對應的新風臨界溫度后，一般有以下應對方式：1)為整機系統(tǒng)安裝防結霜保護選項，讓整機系統(tǒng)在環(huán)境溫度降低至結霜臨界溫度前提前啟動保護機制。通常屋頂機默認安裝有該選項，但溫度設定不一定滿足空氣側經濟器的防結霜要求。2)如果整機系統(tǒng)安裝的防結霜保護選項不能滿足空氣側經濟器的應用需求，可以為蒸發(fā)器安裝除霜傳感器，在蒸發(fā)器出現結霜時啟動除霜功能。3)如果采用以上兩種方式整機系統(tǒng)依然有較嚴重的結霜問題，應當考慮變更整機制冷系統(tǒng)或者空氣側經濟器的設計。比如調整空氣側經濟器的控制邏輯，減少新風引入量。

3.3.2 蒸發(fā)器飛水

當室外新風溫度較高，整機處于機械制冷模式時，引入新風使得蒸發(fā)器容易形成冷凝水和發(fā)生飛水。應當在設計階段采取措施提前預防該風險的發(fā)生。一般是檢查新風的進氣方向是否合理，蒸發(fā)器上的局部風速是否過高。

應當基于可能的最惡劣工況來測試，一般規(guī)律如下：1)壓縮機全負荷運行時會形成更多的冷凝水；2)室內風量較大時更容易飛水；3)對于傾斜放置的蒸發(fā)器，還應當檢查風量較小時是否有冷凝水滴落；4)室內/室外干球和濕球溫度應當設置為較高，這樣更容易形成冷凝水；5)新風風閥開度應當設置為控制系統(tǒng)在此時允許的最大值，從而引入更多的高溫新風。改善蒸發(fā)器飛水問題通常有以下應對方式：a.改進空氣側經濟器的新風設計，比如調整控制邏輯，減少高溫新風的引入量；b.改進整機系統(tǒng)的制冷設計。

3.3.3 壓縮機跳機保護

當室外新風溫度較高，整機處于機械制冷模式時，引入新風增加了系統(tǒng)制冷負載，使得壓縮機排氣管溫度和壓力升高，較容易出現跳機保護。整機系統(tǒng)應當在較高的環(huán)境溫度時，依然可以連續(xù)運行進行制冷；部分產品銷售的地區(qū)氣候較為溫和，可以考慮適當降低溫度要求。由于高溫新風是觸發(fā)壓縮機跳機保護的主要原因，因此該風險的測試和驗證工作可以并入蒸發(fā)器飛水的測試和驗證實驗一并完成。

3.4 傳感器位置

如第2節(jié)“工作原理”中所述，控制系統(tǒng)除了需要獲取新風和回風空氣參數外，還需要結合整機系統(tǒng)的混風溫度來控制風閥開度。傳感器測量的空氣參數準確與否決定了風閥能否按照控制邏輯正確開合，從而實現最佳節(jié)能效果。新風和回風傳感器一般安裝在各自的進氣裝置內或者風閥葉片上，測量值的準確度較高；混風傳感器的最佳測量位置與新風進氣方向、新風和回風比例，以及整機布局等因素有關，一般需要通過分析或者測試來確定最佳位置，通常安裝在室內風機進風口附近。

可先使用CFD進行仿真分析，然后通過焓差實驗來測試驗證。大致的方法是：根據應用情況設定一組差值較大的新風和回風溫度，令新風風閥和回風風閥位于0～100%之間的若干開度組合；整機室內側風量可采用名義風量；布置多個混風測量點在可能的合理位置，將各個位置的測量溫度同整機送風口的溫度（視作真實混風溫度）進行對比，測量值最接近的位置即可用于安裝混風傳感器。圖5為某安裝有空氣側經濟器的整機系統(tǒng)在不同位置測量混風溫度的數據分析。可以看到，混風溫度會隨著風閥開度組合的變化而變化，只有在各種開度組合下測量值始終較為接近真實混風溫度的位置才能用于安裝混風傳感器。

圖5 安裝有空氣側經濟器的整機系統(tǒng)在不同位置測量混風溫度的數據分析

3.5 防水驗證

空氣側經濟器在整機上工作引入新風時，整機室內側為負壓，雨水較容易進入。當新風風閥全開，且整機室內側風量較大時情況比較惡劣。通常用淋雨測試來驗證該性能，使用UL1995或UL60335標準。UL標準只要求控制雨水噴灑壓力和角度[6-7]，但產品開發(fā)時可考慮加入橫風，更好地模擬應用環(huán)境。測試主要檢查整機回風口是否有雨水進入，強電部件和控制部件是否有雨水附著。

3.6 認證要求

表3總結了低泄漏空氣側經濟器的主要認證要求[1]。TITLE 24、ASHARE 90.1 和IECC 均 要 求 對 風 閥 基 于AMCA 511進行密封等級認證（詳細要求見表3），三者對各個功能的風閥的密封等級要求不同，可按照最高要求進行測試證明，并提交報告到各自所屬認證機構。TITLE 24還要求產品完全滿足以下要求[3]：1)產品保修。承諾保修5 a。通常要求提交證明文件，比如測試結果或者質量統(tǒng)計數據。2)風閥機構可靠性。提交風閥機構通過6萬次循環(huán)測試的報告。驅動電動機也提供單獨的證明文件。3)故障檢測與診斷。基于標準中的NA7.5.4文件要求完成測試驗證。涉及到功能檢查、控制響應、傳感器精度、控制設定和故障報告等內容的測試驗證。

表3 低泄漏空氣側經濟器的主要認證要求[1-3]

此外，過壓釋放裝置中的主動排風選項屬于強電裝置，需要基于UL標準完成關于電動機溫升、絕緣強度及防水驗證[5-6]。當產品設計和適用范圍發(fā)生變化時，以上合規(guī)文件(包括測試數據和產品手冊) 需要更新并重新提交。

4 結 語

低泄漏空氣側經濟器的產品設計重點是關注風閥的開閉控制、與整機制冷系統(tǒng)的集成工作，以及相關法規(guī)和標準的合規(guī)認證?？刂七壿嬍窃擃惍a品的核心，利用傳感器采集空氣數據，從而合理控制風閥開閉來實現主要功能；風閥裝置的密封等級和機構可靠性主要通過結構設計來保證；制冷可靠性與產品的新風設計，控制邏輯和整機制冷系統(tǒng)有關，需要根據不同的產品對像來制定測試工況。設計驗證和合規(guī)認證確保了產品質量和性能的可靠性；合規(guī)認證關乎企業(yè)誠信和質量監(jiān)管，需要認真對待，否則公司將在信用和經濟上付出代價。這些經驗有助于國內廠商開發(fā)類似產品，開拓海外市場。