空調(diào)系統(tǒng)能效的有限時(shí)間熱力學(xué)評價(jià)方法及算例

陳飛虎 廖曙光 王程

1 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院

2 長沙麥融高科股份有限公司

能源問題是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題，而對制冷系統(tǒng)的能效評價(jià)有全年綜合能效系數(shù)（AEER)等指標(biāo)。王等對某中學(xué)帶新風(fēng)與不帶新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)全年能效進(jìn)行了計(jì)算[1]。但該模型為穩(wěn)態(tài)的模型。本課題組應(yīng)用有限時(shí)間熱力學(xué)對單元式水冷多聯(lián)熱管系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，并對全國五個(gè)氣候區(qū)的節(jié)能率進(jìn)行了計(jì)算[2]。袁等利用有限時(shí)間熱力學(xué)逆循環(huán)的熱力學(xué)完善度計(jì)算方法計(jì)算分體式空調(diào)器的有限時(shí)間熱力學(xué)完善度,并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明,當(dāng)室外溫度在30～38 ℃范圍內(nèi)時(shí),分體式空調(diào)器的計(jì)算EERm 與實(shí)測EERt 的相對誤差在25%以內(nèi)。指出有限時(shí)間熱力學(xué)理論可為合理評價(jià)分體式空調(diào)器的能效提供參考[3]。但目前缺少對制冷系統(tǒng)全年能效的精確的計(jì)算方法。本文擬對風(fēng)冷精密空調(diào)在不同全年室外環(huán)境溫度下的能效進(jìn)行計(jì)算。提出了一種新的計(jì)算方法。

1 風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)模型

以某風(fēng)冷精密空調(diào)為對象，其額定制冷量為100 kW，額定功率為32.1 kW。

傳統(tǒng)的熱力學(xué)在計(jì)算熱水機(jī)組工作狀況時(shí)所給出的只是在額定工況的COP，而在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境中，各個(gè)狀態(tài)參數(shù)如室外空氣溫度、冷水溫度、冷卻水溫度等是不斷的發(fā)生變化的，因此應(yīng)用上述有限時(shí)間熱力學(xué)分析方法對于機(jī)組工作的整個(gè)過程中的各個(gè)參數(shù)發(fā)生變化對于系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的影響進(jìn)行全面的分析，從而能夠更好的再現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況[4]。

如圖1，制冷劑的T-S 圖，1’-2’-3’-4’-5’為理論制冷循環(huán)，1-2-3-4-5 為實(shí)際的制冷循環(huán)。本文假設(shè)室內(nèi)的環(huán)境不變?？紤]不同室外溫度條件下，制冷系統(tǒng)全年的能耗。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)的T-S 圖

1.1 冷凝器的火用分析

設(shè)總冷凝熱為Qcond，其逐時(shí)的冷凝量等于從2 狀態(tài)到狀態(tài)點(diǎn)4 的焓降[5]。

當(dāng)室外環(huán)境溫度變化時(shí)，冷凝溫度隨之變化。根據(jù)T-S 圖，冷凝溫度即4 點(diǎn)的狀態(tài)可以確定[6]。

又有：

1.2 壓縮機(jī)的火用分析

壓縮機(jī)壓縮終點(diǎn)狀態(tài)2 點(diǎn)參數(shù)可由下式來確定[7]：

所以：

式中：ηis,c表示壓縮機(jī)的等熵壓縮效率，本機(jī)組取0.85。狀態(tài)點(diǎn)1 點(diǎn)和3 點(diǎn)由蒸發(fā)溫度和冷凝溫度可以得到[8]。

質(zhì)量流量為mref的制冷劑逐時(shí)進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)為1，排出時(shí)為2，由于壓縮機(jī)壓縮過程的不可逆性，產(chǎn)生了過程的熵增和火用損失，其火用平衡方程為[9]：

壓縮機(jī)逐時(shí)輸入的火用量即有用功為：

不可逆壓縮過程的熵增為：

則壓縮機(jī)壓縮過程的火用損失為：

理想可逆壓縮時(shí)，壓縮機(jī)耗功為：

1.3 系統(tǒng)的能效和火用分析

系統(tǒng)的η 和AEER 為[10]:

2 風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型

2.1 冷凝器的仿真模型

根據(jù)冷凝溫度Tc、蒸發(fā)溫度Te、2 點(diǎn)的焓h2、熵s2、4 點(diǎn)的焓h4和熵s4值可以得到冷凝器流和的火用流和火用損。于是，模塊的值可以計(jì)算得出，如圖2[11]。

圖2 冷凝器的仿真模型

2.2 壓縮機(jī)的仿真模型

由輸入的蒸發(fā)溫度Te計(jì)算得到制冷劑的熵值s1，再由冷凝溫度Tc計(jì)算得到制冷劑的熵值s2。根據(jù)Te、Tc和壓縮機(jī)的壓縮效率ηis,c計(jì)算得出(h2-h1)的值，然后將(h2-h1)減去初始溫度T0乘以(s2-s1)的積，將計(jì)算結(jié)果(h2-h1)-T0(s2-s1)乘以制冷劑流量mref就得到壓縮機(jī)的火用損失mref[(h2-h1)-T0(s2-s1)]。(輸出信號(hào)2，Icom)并將(h2-h1)乘以工質(zhì)的質(zhì)量流量mref，得出在不同的室外溫度時(shí)，即不同的冷凝溫度下，壓縮機(jī)逐時(shí)的輸入功（輸出信號(hào)1，com）。如圖3[12]。

圖3 壓縮機(jī)仿真模型

2.3 系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，查到長沙地區(qū)的室外溫度如表1[13]。并室外溫度作為輸入值。

表1 IDC 機(jī)房平均室外氣象溫度分布表

將系統(tǒng)的各個(gè)部件按制冷劑的流動(dòng)方向進(jìn)行連接，并建立系統(tǒng)的仿真模型，如圖4[14]。

圖4 系統(tǒng)的仿真模型

3 計(jì)算結(jié)果與討論

根據(jù)式（7）和（8），將100 kW 風(fēng)冷精密空調(diào)全年逐時(shí)輸入的電功進(jìn)行積分。得到全年的總用電量，如圖5。然后分季度對所用的電費(fèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)全年能耗計(jì)算與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，比較分析了仿真模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對誤差，按下式計(jì)算：

表2 仿真模型值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對誤差

4 結(jié)論

本文應(yīng)用熱力學(xué)分析方法，并提出以全年為一計(jì)算周期，來計(jì)算和評價(jià)制冷系統(tǒng)的能效。并根據(jù)全年各個(gè)季度用電量的測試值對模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明，該方法能達(dá)到工程要求精度。該方法可為熱力系統(tǒng)的分析和評價(jià)提供參考。

本文主要考慮室外環(huán)境溫度對制冷系統(tǒng)全年能耗的影響，但實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)溫度會(huì)隨著冷凝側(cè)的不同而發(fā)生變化，該部分工作需進(jìn)一步討論。