風(fēng)冷熱泵空調(diào)變工況冷卻特性的研究

摘 要： 由于室內(nèi)外溫度、濕度和風(fēng)速等參數(shù)隨季節(jié)、時間段和天氣條件發(fā)生變化，使得風(fēng)冷熱泵空調(diào)在不同工況下的耗能較大。為了實現(xiàn)建筑的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，研究風(fēng)冷熱泵空調(diào)變工況冷卻特性。以國標(biāo)系列壓縮機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)庫為基準(zhǔn)，在變工況過程內(nèi)對風(fēng)冷熱泵空調(diào)的系統(tǒng)工作簡化處理，獲取壓縮機(jī)在制冷過程中的功率。按照建筑的應(yīng)用特征，采用翅片管式的蒸發(fā)器分析換熱量，根據(jù)制冷工質(zhì)特質(zhì)計算蒸發(fā)器換熱量。選擇分布參數(shù)法設(shè)定計算區(qū)間，簡化制冷器的運(yùn)行過程，構(gòu)建平衡方程獲取風(fēng)冷冷凝器冷卻流動特征，從而優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行策略，提高系統(tǒng)的能效比和降低能耗。仿真結(jié)果表明：進(jìn)風(fēng)量對風(fēng)冷熱泵空調(diào)的冷卻性能有顯著影響，進(jìn)風(fēng)量為350 m3/h 時制冷量為450～1 200 W，露點(diǎn)效率為0.52～0.89，進(jìn)風(fēng)量為550 m3/h 時出口干球溫度滿足舒適度需求（23～28 ℃），進(jìn)風(fēng)量為850 m3/h 時制冷量為520～1 900 W，露點(diǎn)效率為0.12～0.62。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)冷熱泵；空調(diào)系統(tǒng)；冷卻特性；制冷量；平衡方程；變工況

中圖法分類號： TU18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）04-0502-08

我國城鎮(zhèn)化處于高速發(fā)展階段，從中國建筑節(jié)能協(xié)會等行業(yè)組織發(fā)布的報告分析中可知2020 年開始每年持續(xù)性增加18 億到20 億m2建筑面積；并且隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，每提高1%就會增加1000 m2甚至更多的建筑用地，能耗也會隨著快速增長［1］。建筑能耗占我國能源總消費(fèi)的比例已達(dá)27.5%，在建筑能耗中，暖通空調(diào)系統(tǒng)和生活熱水系統(tǒng)耗能比例接近60%。當(dāng)前，風(fēng)冷熱泵空調(diào)應(yīng)用廣泛，空調(diào)機(jī)組運(yùn)行受到能源、環(huán)境、工程狀況、使用時間及要求等多種因素的影響和制約，因此應(yīng)客觀全面地對風(fēng)冷熱泵空調(diào)運(yùn)行工況進(jìn)行比較分析。

在以上背景下，張杰［2］綜合考慮了室外溫度、換流站空氣含水量以及處理空氣送風(fēng)量等多個因素對空調(diào)系統(tǒng)冷卻效果的影響，明確不同條件對空調(diào)冷卻的影響程度，研究結(jié)果表明，處理空氣送風(fēng)量越大，空調(diào)冷卻效果就會相應(yīng)降低。雖然研究考慮了室外溫度、換流站空氣含水量和處理空氣送風(fēng)量等因素，但在實際運(yùn)行中還存在其他許多影響空調(diào)系統(tǒng)性能的因素未被考慮，如析濕系數(shù)、肋效率等影響因素。朱奕豪［3］等人提出了一種新的冷卻塔控制策略，降低冷卻塔的出水溫度至接近室外空氣濕球溫度，更加注重根據(jù)實際環(huán)境條件動態(tài)調(diào)整冷卻塔的運(yùn)行參數(shù)，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在季節(jié)變化或氣候不穩(wěn)定的地區(qū)，室外空氣濕球溫度會出現(xiàn)劇烈波動，該控制策略難以實現(xiàn)穩(wěn)定的冷卻塔出水溫度。李遼［4］等人考慮重力作用，對GDC窗的流動和傳熱特征展開了深入研究，引入流體力學(xué)建立GDC窗的模型，降低空調(diào)冷負(fù)荷。由于研究重點(diǎn)放在了GDC窗的流動和傳熱特征上，而在實際應(yīng)用中存在其他一些因素影響空調(diào)冷負(fù)荷，如建筑結(jié)構(gòu)、室內(nèi)布局等因素被忽略。

空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的主要源頭，其耗能控制及電力負(fù)荷調(diào)節(jié)對于降低運(yùn)行成本至關(guān)重要。從能量角度來看，空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗主體，如何控制其耗能、達(dá)到電力的削峰填谷作用是節(jié)約運(yùn)行成本的主要目的之一。本文以風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)作為研究對象，由于系統(tǒng)的制冷性能直接影響著空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和能耗情況，因此圍繞系統(tǒng)的冷卻過程展開分析，以全面了解系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、提高能效、減少能耗。風(fēng)冷熱泵空調(diào)系統(tǒng)包含制冷系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)濕空氣進(jìn)入蒸發(fā)器后被冷卻到露點(diǎn)溫度以下，水分被凝結(jié)析出而降低含濕量的過程，稱為濕工況；當(dāng)濕空氣溫度保持在露點(diǎn)溫度以上，空氣僅會被冷卻而含濕量不變，此過程被稱為干工況［2］。

空調(diào)系統(tǒng)的冷卻過程需消耗一定的能量，在實現(xiàn)冷卻目標(biāo)的前提下如何將能耗降低是亟待解決的關(guān)鍵問題。本文基于空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)性能分析揭示了變工況過程的冷卻特性，并提出了提高冷卻性能的方法，在滿足風(fēng)冷熱泵冷卻效果的同時有效降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗。通過精準(zhǔn)控制進(jìn)風(fēng)量，發(fā)現(xiàn)露點(diǎn)效率與制冷量之間存在微妙的平衡關(guān)系：隨著進(jìn)風(fēng)量的增加，露點(diǎn)效率雖然有所降低，但制冷量卻得以提升，從而實現(xiàn)了在滿足冷卻需求的同時降低能耗的目標(biāo)。這些策略不僅有助于提高空調(diào)系統(tǒng)的冷卻性能，更在節(jié)能減排方面發(fā)揮了積極作用。

1 空調(diào)變工況冷卻過程的參數(shù)分析

在進(jìn)行空調(diào)變工況冷卻特性分析時，采用TRNSYS軟件對空調(diào)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器以及冷凝器三部分進(jìn)行模擬。將時間步長設(shè)定為1 min，總模擬時間為24 h，以模擬一整天的變工況運(yùn)行，室內(nèi)溫度與室外溫度分別設(shè)定為25 ℃、30 ℃，室內(nèi)濕度與室外濕度設(shè)定為50%、60%。設(shè)定的變工況條件為室外溫度從上午9 點(diǎn)至下午5 點(diǎn)逐漸升高，從30 ℃升至35 ℃，室內(nèi)負(fù)荷隨時間變化，例如中午時分由于太陽輻射和人員活動增加，負(fù)荷達(dá)到峰值。TRNSYS是一款用于建筑能源系統(tǒng)模擬的軟件，可以用于模擬各種建筑系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的能耗、熱負(fù)荷和溫濕度分布等。TRNSYS 構(gòu)建的整個系統(tǒng)之間的關(guān)系如下：

圖1 中，壓縮機(jī)模塊向蒸發(fā)器模塊提供制冷劑，熱量從蒸發(fā)器中吸收，并導(dǎo)致制冷劑蒸發(fā)；蒸發(fā)器模塊向室內(nèi)空氣模塊提供冷卻效果，即將冷卻的空氣輸送到建筑物內(nèi)部；模擬制冷循環(huán)中的換熱過程，蒸發(fā)器和冷凝器模塊通常通過制冷劑進(jìn)行換熱，從而實現(xiàn)熱量的傳遞和轉(zhuǎn)移；不同組件模塊可能需要接收控制信號，實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)。這種聯(lián)系可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制和優(yōu)化。

1.1 風(fēng)冷熱泵空調(diào)的壓縮機(jī)功率

季節(jié)變化，使得室內(nèi)外溫度會出現(xiàn)顯著波動。在夏季高溫時，空調(diào)系統(tǒng)需要更多的能量來降低室內(nèi)溫度，特別是在非適應(yīng)區(qū)域這種需求更加明顯。由于這些參數(shù)的復(fù)雜變化，使得風(fēng)冷熱泵空調(diào)在不同工況下的耗能較大。壓縮機(jī)作為空調(diào)制冷系統(tǒng)中的核心機(jī)械部件，其性能參數(shù)的精確計算對于分析整個系統(tǒng)的冷卻特性至關(guān)重要。為了有效評估和優(yōu)化系統(tǒng)的性能，計算壓縮機(jī)功率是至關(guān)重要的一項工作。壓縮機(jī)功率是決定整個空調(diào)系統(tǒng)能耗的重要因素，通過精確計算壓縮機(jī)功率可以更好地了解系統(tǒng)在不同工況下的能耗情況，從而制定相應(yīng)的節(jié)能策略、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，降低能源消耗，提高系統(tǒng)效率。在現(xiàn)有風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)組中，以常用的國標(biāo)系列壓縮機(jī)性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫為例，對變工況內(nèi)的風(fēng)冷熱泵空調(diào)壓縮機(jī)的功率進(jìn)行計算［3］。為實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)運(yùn)行分析，對其系統(tǒng)工作進(jìn)行簡化：