基于空氣焓差法的空調機柜性能測試實驗研究

周茂軍, 羅秀芳, 曾 智, 劉向龍, 李小華

(1.湖南尊豐機電科技有限公司，湖南 懷化 418000；2.湖南工程學院 建筑工程學院，湖南 湘潭 411104)

0 引言

中國房地產研究會副會長顧云昌曾在“西部低碳經濟與綠色建筑產業”高峰論壇表示，我國現在每年新建的房屋面積約占世界總量的50%，而建筑能耗約占中國全社會能耗總量的40%[1]。建筑能耗巨大不但使得能源消耗量大，同時也會導致環境污染問題突出，大部分國家近1/3的能源消耗和30%的溫室氣體排放主要來源于建筑能耗[2]。

建筑能耗在很大程度上取決于建筑空調設備的能效?？照{機柜是一種能夠對室內空氣的溫度、相對濕度進行調節的裝置，作為一種常見的一次回風系統設備，已經廣泛使用在空調工程中。目前空調器性能測試方法有2種, 即空氣焓差法和房間型量熱計法，由于空氣焓差法測試簡便，使用范圍更加廣泛。夏玲等[3]在空氣焓差法空調性能測試中融入了全自動測控技術，大幅度提高了性能測試效率，該項技術不僅可以減少測試人員的勞動強度和在崗時間，實現空調性能的全自動無人值守測試，還可以增加測試過程的可追溯性。李四祥等[4]分析了空氣焓差測試空調器的實驗誤差，發現誤差主要來自試驗參數允差計算偏差和測量偏差。郁夏夏等[5]提出了基于空氣焓差法測量制冷量不確定度的數學模型，通過分析各參數對制冷量不確定度的影響，提出了一種減小制冷量測量不確定度的方法。張愷等[6]分析空氣焓差法性能測試的不確定度, 得出用空氣焓差法測試空調器性能時引起不確定度的各種因素, 以及各參數對制冷量測量值的影響。

通過上述文獻分析可知，利用空氣焓差法計算空調性能時往往會產生測量誤差，且目前大部分利用數學方法建立空氣焓差法不確定度模型，來表征其測量誤差，其方法較為復雜。本文以全熱回收型空調機柜為研究對象，在空氣焓差法測量的基礎上，使用水流量計算空調性能以驗證其測試誤差，方法簡單可靠，可為實際空調工程的性能測試提供理論和試驗基礎。

1 試驗

1.1 試驗系統

本試驗以空調機柜為研究對象，在該實驗方案中，混合室、新風室、噴淋室和處理室依次相互連接，處理室內部依次設置有表冷器、加濕器、電加熱器等，電加熱器一側設置有送風機，混合室進風端設置有回風機。在全熱回收室內部設置有數據檢測W2點，頂部設置有排風口。余熱回收室底部設置有新風口，新風口設置有數據檢測W1點?；旌鲜乙粋仍O置有回風口并布置混合點C，回風口設置有數據檢測N點。處理室出風端設置有數據檢測O點。如圖1所示。

圖1 空調測點布置圖

其空氣處理過程為：首先新風進入全熱回收裝置，與排風進行全熱回收后到達W2點，然后與室內空氣進行混合到達C點，再與表冷器進行熱交換至送風狀態點O，最后送入室內?？諝鉅顟B點處理過程示意如圖2。

圖2 空氣狀態點處理過程

W為室外環境狀態點，W2為熱回收狀態點，C為混合狀態點，N為室內狀態點，L為送風狀態點，ε為熱濕比線。

1.2 空氣狀態點測量

DT-321s溫濕度儀具有測量空氣濕度、溫度功能，是應用于實驗室、工業、工程和家庭測量的理想儀器，因此本試驗測量采用該儀器測量室內外空氣狀態。本實驗將DT-321s溫濕度儀放置離新風口1 m處位置進行數據測量，由于室外空氣狀態點時時刻刻都在改變，直至溫濕度儀參數穩定時，記錄儀器的數據。

測量室內狀態點時，測點布置在離房間圍護結構0.5 m、離地高度0.5～1.5 m處，布置4個檢測點。本實驗室內狀態點取4個測點的平均值。

測量空氣處理過程狀態點時，將溫濕度儀放置在處理過程點的箱體中，當數據處于穩定時，認為此時空氣狀態點穩定并記錄數據。

1.3 風量測試

本實驗中采用AR866A風速儀測量，由于氣流速度在管道斷面上的分布是不均勻的，隨之造成的壓力分布也是不均勻的。因此在測定斷面上必須進行多點測量再取其平均值。管道斷面如圖3所示。

圖3 新風口截面

該風管是矩形風管，為了測量的準確性，將管道斷面劃分為若干等面積的小矩形，測點布置在每個小矩形的中心。將風速儀的探頭放置到布置好的測點位置，等數據處于穩定時，記錄數據。

1.4 水流量測試

本文使用JTLL-I超聲波流量計測量冷凍水流量。由于冷凍水管管徑在Φ15～200 mm之間，因此采用V法安裝，其測試精度更高。冷凍水進出口溫度采用熱電偶裝置測量。

2 實驗結果及分析

2.1 制冷量計算

空氣焓差法的原理是通過測量空調機柜的進出口空氣焓差，再乘以空氣流量。其計算公式如下[7]：

(1)

式中:Q為制冷量，kW；qv為空氣體積流量，kg/s；h1，h2分別為制冷機柜進出口焓值，kJ/kg；v為空氣質量體積，m3/kg；d為空氣含濕量，kg/kg。

qv=Av

(2)

式中：A為空調機柜風道截面積，m2；v為風速，m/s。

h=1.005t+d(2 500+1.84t)

(3)

式中：h為焓值，kJ/kg；t為空氣干球溫度，℃。

d=622(φp/(P-φp))

(4)

式中：φ為相對濕度，%；p為水蒸氣飽和分壓力，Pa；P為大氣壓，Pa。

水側制冷量計算原理為，測量空調機柜進出口水溫和水流量，其計算公式如下[7]：

Q=cqm(tw1-tw2)

(5)

式中:Q為制冷量，kW；c為比熱容,J/(kg·K)；tw1,tw2分別為空調機柜進出口水溫，℃；qm為水的質量流量，kg/s。

2.2 兩種計算方式制冷量比較

利用超聲波流量計測量了冷凍水管的水流量，并利用熱電偶溫度計測量了冷凍水管的進出水溫，其具體數據見表2。

表1 空氣焓差法計算結果

表2 水流量測試計算結果

由上述結果可知，利用空氣焓差法計算的制冷量大于利用水流量計算的制冷量，這是因為在利用空氣焓差法的計算過程中將熱回收過程所得制冷量也計算進來了。因此，利用空氣焓差法對比水流量計算制冷量，應該要嚴格定義空氣在冷凍水中獲得的冷量。將空氣焓差法中余熱回收所得冷量剔除，兩者之間的制冷量如圖4所示。

圖4 兩者計算方法結果對比

由圖4可知，利用空氣焓差法和水流量計算方法所得制冷量十分接近，最大誤差不超過10%，平均誤差不超過5%。且從圖中可以明顯看出水流量計算結果均大于空氣焓差法計算結果，這是因為利用空氣焓差法測得的制冷量是由冷凍水提供，而在實際過程中傳熱效率不可能為1，因此會有部分冷量散失，因此所得結果會偏小于水流量計算方法。

2.3 兩種機柜COP(能效比，Coefficient of Performance)比較

通過上述比較結果可知，空氣焓差法和水流量計算制冷量相差并不大，但在實際測試過程中，空氣焓差法更加簡單方便，因此本文通過將余熱回收裝置的開啟，進行模擬常規空調機柜和全熱回收型空調機柜的運行工況，通過對比兩者的實際運行COP，其具體數據見圖5。由圖5可知，全熱回收型空調機柜的COP在這6種工況下均高于常規空調機柜，其中在工況1的條件下最為明顯，高出常規空調機柜約0.57。相較于常規空調機柜，全熱回收型空調機柜COP最高可提升約21.41%，平均提升約12.31%，由此可見在一次回風之前進行余熱回收的結果十分理想。

圖5 兩種空調機柜COP對比

3 結論

本文以一種全熱回收型空調機柜為研究對象，利用空氣焓差法和水流量測試方法進行制冷量對比，并通過全熱回收型空調機柜和常規空調機柜的性能對比分析，得出以下結論：

(1)在常規一次回風空調機柜之前進行余熱回收，其系統COP最高可提升約21.41%，節能效果明顯。

(2)通過對比空氣焓差法和水流量測試方法計算制冷量，其結果誤差不超過10%，測試結果穩定可靠。

(3)考查實際測試的結果和試驗的方便性，空氣焓差法較水流量測試方法更加具有實際工程意義，可為實際空調測試提供理論研究基礎。