大冷量制冷機(jī)組匹配實(shí)驗(yàn)

方杰+李瑛+錢(qián)芳+柳勝耀

摘 要：依據(jù)多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組及實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)相關(guān)要求初步選取制冷機(jī)組類(lèi)型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)荷計(jì)算確定制冷機(jī)組的容量，采用變頻與定頻相結(jié)合技術(shù)選取匹配的制冷機(jī)組.通過(guò)極限低溫工況試驗(yàn)、工況調(diào)整速度試驗(yàn)檢測(cè)制冷機(jī)組的匹配性并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行能耗分析.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用變頻與定頻相結(jié)合技術(shù)比定頻機(jī)組在冷量測(cè)試時(shí)節(jié)能13%以上.合理高效的匹配制冷機(jī)組有助于改善各種工況的穩(wěn)定速率，同時(shí)有效地控制制冷系統(tǒng)能耗，節(jié)約能源.

關(guān)鍵詞：制冷機(jī)組； 定頻； 變頻； 節(jié)能試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TU 831.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

隨著多聯(lián)機(jī)空調(diào)器的廣泛應(yīng)用，對(duì)測(cè)試其性能的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行研究具有十分重要的意義.國(guó)內(nèi)外對(duì)多聯(lián)機(jī)性能測(cè)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(jī)構(gòu)減少了對(duì)實(shí)驗(yàn)室的初期投資，還大大縮短了實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間，降低了能源的消耗，減少了運(yùn)行成本.

國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)主要集中在空氣焓差法測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境溫度和濕度等的測(cè)量方法、測(cè)試對(duì)象的拓展，測(cè)試精度的提高，測(cè)試系統(tǒng)軟件的改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和布置等方面[1-4].制冷機(jī)組是多聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)室的主要裝置，選取的制冷機(jī)組匹配與否決定著整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的成敗.其中壓縮機(jī)的能耗占整個(gè)制冷系統(tǒng)能耗的95%.因此，對(duì)制冷機(jī)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(dòng)范圍，而且能有效地控制系統(tǒng)能耗[5].

1 制冷機(jī)組選擇

依據(jù)GB/T 7725—2004 房間空氣調(diào)節(jié)器[6]和GB/T 17758—2010 單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)[7]以及上海市質(zhì)量監(jiān)督局的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)、建造了一套最大可用于測(cè)試62.5 kW多聯(lián)機(jī)性能的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)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(lèi).表1為常用制冷機(jī)組的容量范圍和能耗.根據(jù)表1和實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)計(jì)要求（最大測(cè)試制冷量62.5 kW）可初步確定該實(shí)驗(yàn)室的機(jī)組應(yīng)選擇水冷活塞式制冷機(jī)組.

變頻制冷系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷的變化對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié).在初始運(yùn)行階段，壓縮機(jī)全速運(yùn)行，隨著負(fù)荷的減少壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而平衡室內(nèi)的熱負(fù)荷.實(shí)際情況下，制冷系統(tǒng)的運(yùn)行工況都低于所設(shè)計(jì)的額定工況，因此變頻壓縮機(jī)通常可以在低頻、低制冷量的情況下運(yùn)行，功耗較小[9].

定頻制冷系統(tǒng)采用開(kāi)停控制，室內(nèi)溫度波動(dòng)較大，存在開(kāi)停損失.壓縮機(jī)啟動(dòng)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(zhì)閃蒸，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)部溫度迅速下降，大量的液態(tài)工質(zhì)轉(zhuǎn)移到氣液分離器中氣化，而以液態(tài)形式離開(kāi)蒸發(fā)器的工質(zhì)未能起到制冷作用，導(dǎo)致開(kāi)機(jī)階段冷量反而下降.停機(jī)時(shí)，系統(tǒng)高溫高壓區(qū)的液態(tài)工質(zhì)通過(guò)節(jié)流裝置轉(zhuǎn)移到低溫低壓區(qū).這個(gè)節(jié)流過(guò)程是高度不可逆的自發(fā)過(guò)程，存在可用能的損失.相比于低轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)室A、B兩室采用變頻與定頻相結(jié)合的技術(shù).而C、D兩室由于所需冷負(fù)荷較大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較大，故不宜采用變頻與定頻相結(jié)合的技術(shù)，且由于在高速狀態(tài)下，定頻制冷機(jī)組相對(duì)節(jié)能，故C、D兩室采用定頻制冷機(jī)組.

2 壓縮機(jī)選型計(jì)算

由于該實(shí)驗(yàn)室具有受周?chē)h(huán)境限制，以及半封閉壓縮機(jī)可拆卸、維護(hù)方便的特點(diǎn)，故選用半封閉式壓縮機(jī).

2.1 實(shí)驗(yàn)室冷負(fù)荷的計(jì)算[6]

由于A、B、C、D各室的結(jié)構(gòu)基本相同，只是大小和對(duì)室內(nèi)環(huán)境工況的要求不同等，所以它們的計(jì)算過(guò)程基本相同.此處計(jì)算均以B室為例，B室作為室內(nèi)側(cè)，被試機(jī)制熱運(yùn)行.B室長(zhǎng)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(cè)設(shè)備發(fā)熱量，最大值為25.725 kW；Q2為庫(kù)板漏熱量（由于庫(kù)房建在廠房?jī)?nèi)，所以由太陽(yáng)輻射所引起的輻射熱忽略不計(jì)）；Q3為由于房間內(nèi)各種發(fā)熱設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，簡(jiǎn)稱(chēng)操作熱；Q4為房間降溫速度所需的冷量.

2.1.1 庫(kù)板漏熱量

庫(kù)板漏熱量即由于庫(kù)房?jī)?nèi)外空氣溫差而滲入的熱量，計(jì)算式為

Q2=KA（th-tm）

（2）

式中：K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；th為室外計(jì)算溫度，對(duì)上海地區(qū)，取th=35℃；tm為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，應(yīng)根據(jù)最低室溫計(jì)算，tm=-15℃；A為B室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)總面積，為177.1 m2.

圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為硬質(zhì)聚胺酯泡沫塑料，內(nèi)外面板采用噴塑鋼板，隔熱材料厚度δ=100 mm.內(nèi)外噴塑鋼板面板的熱阻忽略不計(jì)，則傳熱系數(shù)計(jì)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(nèi)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(dǎo)率，λ=0.028 W·m-2·K-1；

由式（2）得Q2=1.948 kW.

2.1.2 操作熱

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配有一臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī)，功率為2.8 kW，每個(gè)庫(kù)房?jī)?nèi)裝有四臺(tái)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(nèi)空氣質(zhì)量，m=ρV，ρ為密度，可取1.205 kg·m-3，V為室內(nèi)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(nèi)最大空氣溫差，為70℃；τ為工況調(diào)節(jié)時(shí)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(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮房間的最大冷負(fù)荷及更多的余量，最終各室壓縮機(jī)選

型結(jié)果如表2所示.定頻制冷機(jī)組采用比澤爾定

速半封閉活塞式壓縮機(jī)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(jī)具有能效高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn).變頻機(jī)組采用效率高、有效質(zhì)流量大、噪聲低、振動(dòng)小的Dorin變頻半封閉活塞式壓縮機(jī)HI550CC/2.

3 運(yùn)行測(cè)試

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

3.1 極限工況測(cè)試

多聯(lián)機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室投入使用前需通過(guò)極限工況實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)該制冷機(jī)組是否匹配.極限工況實(shí)驗(yàn)主要為低溫極限工況、高溫極限工況、濕度極限工況實(shí)驗(yàn).

3.1.1 低溫極限工況實(shí)驗(yàn)

低溫極限工況實(shí)驗(yàn)是為檢測(cè)制冷機(jī)組能否達(dá)到制冷工況要求.室內(nèi)側(cè)工況溫度設(shè)定為10℃，室外側(cè)工況溫度設(shè)定為-15℃.室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)低溫極限工況實(shí)驗(yàn)曲線如圖2所示.

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)均能在1.5 h內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)的低溫極限工況.在工況穩(wěn)定之后，室內(nèi)側(cè)PID的輸出為39%，室外側(cè)為45%.空氣處理裝置和實(shí)驗(yàn)室制冷系統(tǒng)均尚有裕量，完全能夠滿(mǎn)足低溫極限工況的要求.

3.1.2 濕度極限工況實(shí)驗(yàn)[10]

濕度極限工況實(shí)驗(yàn)是為檢驗(yàn)制冷系統(tǒng)提供的加濕量能否滿(mǎn)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(dá)到且不易控制，故本文在低溫下進(jìn)行濕度極限工況實(shí)驗(yàn).選取一個(gè)室外側(cè)和一個(gè)室內(nèi)側(cè)進(jìn)行低溫下的濕度極限工況實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)側(cè)的設(shè)計(jì)極限低溫為10℃，室外側(cè)的設(shè)計(jì)極限低溫為-15℃.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看出，30 min左右室內(nèi)側(cè)、室外側(cè)溫度均達(dá)到指定的極低溫，40 min左右相對(duì)濕度達(dá)到90%，并保持穩(wěn)定.

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，所選取的制冷機(jī)組均能夠達(dá)到設(shè)定工況并保持穩(wěn)定，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

3.2 工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)

工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菣z測(cè)制冷機(jī)組能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，從一工況調(diào)整到所需工況.工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)分為升溫速度實(shí)驗(yàn)和降溫速度實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)要求所耗時(shí)間不能超過(guò)1.5 h.

3.2.1 升溫速度實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)側(cè)初始工況設(shè)為10℃，待工況穩(wěn)定后，升溫為45℃，升溫速度實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示.

從圖4（a）可知，在室內(nèi)側(cè)升溫速度實(shí)驗(yàn)中，室內(nèi)溫度由設(shè)計(jì)最低溫度10℃升溫到設(shè)計(jì)最高溫度45℃，耗時(shí)約為40 min.前30 min內(nèi)，室內(nèi)側(cè)溫度平穩(wěn)迅速上升，由于溫度調(diào)節(jié)過(guò)程存在延時(shí)，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(cè)升溫速度實(shí)驗(yàn)中，將初始工況溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)最低溫度-15℃，一段時(shí)間后，將工況設(shè)定為最高溫度55℃.

從圖4（b）中可以看出，在室外側(cè)升溫速度實(shí)驗(yàn)中，室外側(cè)溫度勻速上升，由設(shè)計(jì)最低溫度-15℃升溫到設(shè)計(jì)最高溫度55℃，耗時(shí)50 min.在前40 min左右，室內(nèi)溫度平穩(wěn)迅速上升

3.2.2 降溫速度實(shí)驗(yàn)

將室內(nèi)側(cè)溫度設(shè)定在設(shè)計(jì)最高溫度45℃，待工況穩(wěn)定一段時(shí)間后，將溫度設(shè)定為設(shè)計(jì)最低溫度10℃，其降溫速度實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示.室外側(cè)的降溫速度實(shí)驗(yàn)與室內(nèi)側(cè)的降溫速度實(shí)驗(yàn)相同，先將實(shí)驗(yàn)室的溫度穩(wěn)定在設(shè)計(jì)最高溫度55℃，再將溫度設(shè)定為設(shè)計(jì)最低溫度-15℃，其實(shí)驗(yàn)曲線如圖5所示.

從圖5中可看出，室內(nèi)側(cè)溫度勻速下降，溫度由設(shè)計(jì)最高溫度45℃降低到設(shè)計(jì)最低溫度10℃，耗時(shí)38 min.在前30 min，室內(nèi)側(cè)溫度平穩(wěn)迅速下降到低于10℃的設(shè)計(jì)最低溫度，后平穩(wěn)上升穩(wěn)定在10℃.室外側(cè)亦是如此，從設(shè)計(jì)最高溫度55℃降到設(shè)計(jì)最低溫度-15℃，耗時(shí)50 min，其中前8 min左右為室外側(cè)降溫速度實(shí)驗(yàn)前，溫度恒定.從第8 min至45 min，室外側(cè)溫度平穩(wěn)迅速下降，達(dá)到并低于-15℃的設(shè)計(jì)最低溫度后，降溫速度開(kāi)始減小，達(dá)到-17℃后慢慢升溫并穩(wěn)定在設(shè)計(jì)最低溫度處.

在工況調(diào)整速度實(shí)驗(yàn)中，無(wú)論是升溫速度試驗(yàn)還是降溫速度實(shí)驗(yàn)，所選取的制冷機(jī)組均能夠穩(wěn)定快速地達(dá)到設(shè)定工況，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.

3.3 變頻和定頻機(jī)組的能耗比較

A、B室組成12.5 kW焓差實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)測(cè)試7.5 kW制冷設(shè)備時(shí)，只需開(kāi)啟12.5 kW變頻機(jī)組即能滿(mǎn)足需要.運(yùn)行時(shí)冷凝溫度為40℃，蒸發(fā)溫度為0℃，依據(jù)HI550CC/2 Dorin變頻壓縮機(jī)性能參數(shù)，其功率為4.906 kW，相對(duì)定頻機(jī)組（功率為5.66 kW）運(yùn)行時(shí)約節(jié)能13.3%.變頻和定頻機(jī)組能耗對(duì)比如圖6所示.

同樣，B、D組成的25 kW焓差實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試12.5 kW以上的制冷設(shè)備時(shí)，B室采用變頻與定頻相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)啟一臺(tái)12.5 kW定頻制冷機(jī)組和一臺(tái)12.5 kW變頻制冷機(jī)組，相比兩臺(tái)12.5 kW定頻制冷機(jī)組約節(jié)能14.6%.

4 結(jié) 論

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)計(jì)要求初步選擇水冷活塞式制冷機(jī)組，通過(guò)負(fù)荷計(jì)算、能耗分析等理論分析可知，在多聯(lián)式實(shí)驗(yàn)中采用變頻和定頻相結(jié)合技術(shù)匹配制冷機(jī)組不僅滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室要求而且具有較大的節(jié)能效益.在經(jīng)極限工況實(shí)驗(yàn)、工況調(diào)整速

度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)，有力地驗(yàn)證

了變頻與定頻相結(jié)合的技術(shù)比定頻機(jī)組在冷量測(cè)

試時(shí)約節(jié)能13%以上.因此，合理地選擇制冷機(jī)組

對(duì)工況的穩(wěn)定性、系統(tǒng)能耗經(jīng)濟(jì)性具有重要意義.

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