房間空調(diào)器實驗室節(jié)能技術(shù)及能耗等級劃分的探討

陳容健 耿帥凱

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070；2.中國家用電器研究院安徽中家智銳科技有限公司 安徽滁州 341103

1 引言

綠色可持續(xù)一直是國家重視的發(fā)展方式，節(jié)能減排是整個社會對發(fā)展的訴求，在如今的耗能產(chǎn)業(yè)中，不僅企業(yè)會想方設(shè)法降低能耗、節(jié)約運營成本，國家和政府也相應(yīng)出臺了許多與能源使用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)文件以提高能源使用效率?？照{(diào)實驗室是典型的恒溫恒濕實驗室，對溫度、濕度都有著嚴(yán)格的要求，其應(yīng)用頻率高、用電量大，是重要能耗設(shè)備之一，推動空調(diào)實驗室新型節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，建立能耗等級劃分制度，是一項十分有意義的工作。

在空調(diào)實驗室節(jié)能技術(shù)相關(guān)研究中，唐崢、羅祥坤、鄧本崢等人從能量平衡、PLC控制方式、設(shè)備運行等多角度出發(fā)，運用冷凝熱回收原理提出了一套較完整的節(jié)能解決方案[1]。何曙等分析了量熱計法和空氣焓值法實驗室的差異[2]。陳坤、李征濤等人通過PID調(diào)節(jié)器對電動三通閥、熱氣旁通閥及蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，做了降低空氣處理機(jī)組綜合能耗的研究[3]。與此同時，國內(nèi)專業(yè)從事設(shè)計、制造空氣實驗室裝置的單位，北方一般有中國家用電器研究院、中國建筑科學(xué)研究院、中國海洋大學(xué)等單位，南方有擎天、蘭石、源知、海普等單位，都已經(jīng)嘗試建造節(jié)能空調(diào)實驗室，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

就目前所知，空調(diào)實驗室節(jié)能技術(shù)已經(jīng)成熟并開始應(yīng)用，但是行業(yè)對空調(diào)實驗室的能耗等級和測試效率一直沒有明確的要求，這也導(dǎo)致實驗室建造廠商因為掌握的技術(shù)深度不夠或者為了降低建造成本，不愿使用和推廣新型節(jié)能技術(shù)，從而降低了實驗室長期運行的節(jié)能效率，嚴(yán)重阻礙行業(yè)向更高的水平發(fā)展。本文希望通過介紹空調(diào)實驗室新型節(jié)能技術(shù)，探討空調(diào)實驗室能耗等級劃分的方式，從而推動空調(diào)實驗室進(jìn)行能耗等級劃分及評價，推動空調(diào)實驗室向更精準(zhǔn)、更節(jié)能、更先進(jìn)的方向發(fā)展。

2 目前行業(yè)空調(diào)實驗室狀況

目前行業(yè)中主流空調(diào)實驗室為平衡環(huán)境型房間實驗室（如圖1所示）和空氣焓差法實驗室（如圖2所示）這兩種。其中平衡環(huán)境型實驗室采用房間型量熱計原理，即在量熱計的室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)進(jìn)行冷熱量平衡。而空氣焓差法則是通過設(shè)計合適的裝置，測試空調(diào)器送風(fēng)口的風(fēng)量、溫濕度以及回風(fēng)口的溫度，根據(jù)送、回風(fēng)溫度對應(yīng)的焓值之差與風(fēng)量的乘積即可得到空調(diào)器的制冷量或熱泵制熱量[2]。平衡環(huán)境型房間實驗室和空氣焓差法實驗室雖然測試原理不同，但都是為了去創(chuàng)造一個恒溫恒濕的空間環(huán)境，靠空氣處理機(jī)去平衡實驗室內(nèi)不斷變化的冷、熱、濕負(fù)荷，從而達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。而空調(diào)實驗室的能耗幾乎全部集中在空調(diào)處理機(jī)中，故兩種實驗室的能耗等級相同。

圖1 平衡環(huán)境型房間實驗室原理圖

圖2 空氣焓差法實驗室原理圖

目前行業(yè)中一味要求空調(diào)實驗室測試精度和重復(fù)性，但受結(jié)構(gòu)材料和測量傳感器的固有精度限制，整體的不確定度已明顯局限在±1%～2%之內(nèi)，同時再提高精度要求，對產(chǎn)品測試意義也不大。所以在成熟行業(yè)技術(shù)中，如無新技術(shù)革新，將導(dǎo)致行業(yè)得不到更先進(jìn)的技術(shù)來推動發(fā)展。因此在保證測量精度的基礎(chǔ)上，盡可能減少空調(diào)實驗室的整體能耗已成為其發(fā)展的新形勢。在測量精度要求上，GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》已明確規(guī)定相關(guān)的內(nèi)容，其測量顯示的不確定度和最大讀數(shù)允差如表1和表2所示。然而，國家和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)文件中卻鮮有關(guān)于空調(diào)實驗室能耗方面的規(guī)定，故本文通過探討如何對實驗室耗能等級進(jìn)行合理劃分，希望加快有關(guān)空調(diào)實驗室能耗等級劃分的新規(guī)范或新標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)。

表1 測量不確定度

表2 制冷和熱泵制熱量試驗的讀數(shù)允差

3 空調(diào)實驗室新技術(shù)介紹

實現(xiàn)空調(diào)實驗室能源等級劃分，必須依靠節(jié)能高新技術(shù)，在實現(xiàn)高精度測試的同時，降低空調(diào)實驗室的運行能耗。在空調(diào)實驗室運行的過程中，要實現(xiàn)恒溫恒濕控制，需要制冷機(jī)組和電加熱器不斷工作以保持冷熱平衡，這個過程導(dǎo)致的冷熱抵消是實驗室耗能的主要方面。如圖3所示為空氣處理的過程[4]。

從圖3可知，在空氣處理的過程中，電加熱器和電加濕器處于一直工作的狀態(tài)，從而有冷熱抵消導(dǎo)致能量損失。實踐表明，僅電加熱器一項耗能，便超過整個實驗室總耗能的1/2[1]，所以減少電加熱器的投入，是降低實驗室能耗的主要路徑。以下是目前空調(diào)實驗室采用的幾大主要節(jié)能技術(shù)。

圖3 空氣處理過程圖

3.1 熱量回收技術(shù)

制冷系統(tǒng)為逆卡諾循環(huán)，提供冷量的過程，就是將實驗室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移至實驗室外側(cè)的過程，所以制冷系統(tǒng)需要冷凝器高效散熱以保證其工作效率。熱量回收技術(shù)的思路是將這部分熱量代替電加熱器，從而減少電加熱器輸出，達(dá)到節(jié)能的效果。但是熱量回收技術(shù)要求所用的熱交換器有較好的換熱能力，所以常用平行流微通道冷凝器，并輔以電動三通閥控制，以提高熱交換器的換熱系數(shù)[5]。帶冷凝熱回收的系統(tǒng)圖和圖例如圖4、圖5所示。

圖4 帶冷凝熱回收的系統(tǒng)圖

圖5 帶冷凝熱回收系統(tǒng)圖的圖例

3.2 變頻變?nèi)菡{(diào)節(jié)技術(shù)

制冷系統(tǒng)變頻技術(shù)是目前運用最廣泛、最成熟的節(jié)能技術(shù)，通過改變壓縮機(jī)或者循環(huán)風(fēng)機(jī)的運行頻率從而實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的能力調(diào)節(jié)?？梢詫㈦娂訜崞骺刂破骱椭评湎到y(tǒng)所配備的變頻器形成耦合系統(tǒng)，從而實現(xiàn)能力的自動調(diào)節(jié)，此種方法控制簡單，增加易損件少，效果明顯。某品牌變頻器如圖6所示。

圖6 某品牌變頻器

3.3 蒸發(fā)器容量可變技術(shù)

蒸發(fā)器的容量應(yīng)當(dāng)與壓冷機(jī)組相匹配，才能展現(xiàn)壓冷機(jī)組最大的制冷能力。蒸發(fā)器換熱面積的大小不僅會改變壓冷機(jī)組的制冷量，而且會改變系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。一般來說，蒸發(fā)器換熱面積的增加會提高蒸發(fā)溫度，反之，會降低蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度。所以較小換熱面積的蒸發(fā)器對一些低濕度工況有利，較大換熱面積的蒸發(fā)器對高濕度工況有利。因此如果可以改變蒸發(fā)器換熱面積的大小，將大幅度縮短工況的穩(wěn)定過程。同時會降低某些工況的耗電量，對整個實驗室的節(jié)能和工況的優(yōu)化都有重要影響[5]。

如圖7所示是一種改變蒸發(fā)器換熱面積的方法，稱之為分組蒸發(fā)器技術(shù)，通過電磁閥的開閉，改變蒸發(fā)器的換熱面積。此方法初次投入成本低，控制邏輯簡單，效果明顯。

表3是某空調(diào)制造廠新建的節(jié)能空調(diào)實驗室采用分組蒸發(fā)器后的對比，旁通項為關(guān)閉電磁閥、減少蒸發(fā)器換熱面積后的數(shù)據(jù)，顯而易見，整體耗電量下降的同時，電加濕投入量變高。所以該技術(shù)運用于高溫低濕工況時最為有利。

3.4 蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)技術(shù)

蒸發(fā)壓力的改變必然導(dǎo)致蒸發(fā)溫度的改變，而蒸發(fā)溫度的改變對蒸發(fā)器的除濕能力、結(jié)霜速度起著至關(guān)重要的作用。正常情況下蒸發(fā)器的迎面風(fēng)速、蒸發(fā)器的換熱面積、壓縮機(jī)的頻率、冷凝壓力是影響蒸發(fā)壓力的因素，但是這些因素的變化對蒸發(fā)壓力的調(diào)節(jié)有限，為了更有效地控制蒸發(fā)壓力，部分廠家在制冷系統(tǒng)中采用蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥（吸氣壓力調(diào)節(jié)閥），如圖8所示。在高溫高濕工況，通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥可以提高蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力，從而提高蒸發(fā)溫度，在降低電加熱器輸出的同時可以降低除濕量，從而起到節(jié)能的效果。

圖7 分組蒸發(fā)器技術(shù)原理簡圖

表3 分組蒸發(fā)器技術(shù)運行數(shù)據(jù)表

圖8 蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥圖

3.5 熱氣旁通技術(shù)

熱氣旁通技術(shù)就是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體直接旁通到壓縮機(jī)的回氣端（有時候也會旁通到蒸發(fā)器的入口處），從而減少制冷系統(tǒng)內(nèi)有效制冷劑流量，達(dá)到控制制冷系統(tǒng)能力的效果。在特定工況中，減少制冷系統(tǒng)能力，電加熱器投入也會隨之降低，從而減少了冷熱抵消導(dǎo)致的能量損失，起到節(jié)能的效果[3]。熱氣旁通原理圖如圖9所示。

圖9 熱氣旁通原理圖

4 空調(diào)實驗室能耗等級劃分的探討

要促進(jìn)各個空調(diào)實驗室承建商推廣使用上述新型節(jié)能技術(shù)，必然需要對承建商所建造的實驗室的耗能水平進(jìn)行限制。在實驗室實際使用過程中，低耗能的同時能否保證高效地完成測試任務(wù)，則是對空調(diào)實驗室能耗等級劃分的主要依據(jù)。故在測試過程中，可以以被測空調(diào)器的功率（WES）與實驗室自身的功率（WTS-WES）比值來衡量實驗室的能耗水平。暫時將此值的結(jié)果命名為：空調(diào)實驗室平衡能效（Balanced energy efficiency ratio），簡寫為BEER。則實驗室瞬時平衡能效（BEERS）公式為：

式中，BEERS—瞬時平衡能效，WES—被測空調(diào)器的功率，WTS—實驗室運行總功率。

對于一個完整的測試工況，可以求出整個穩(wěn)定區(qū)間的平衡能耗比（BEER），此時以空調(diào)器在此區(qū)間的耗電量（WE）為分子，以實驗室自身的耗電量（WT－WE）為分母，WT代表整個實驗室在測試過程中的總耗電量。則：

式中，BEER—平衡能效比，WE—被測空調(diào)器耗電量，WT—實驗室運行總耗電量。

在空調(diào)實驗室使用中，往往對一臺被測機(jī)組進(jìn)行一系列工況的實驗測試，受空調(diào)測試過程中IPLV測試方式的啟發(fā)，為了更準(zhǔn)確描述空調(diào)實驗室實際使用過程中的耗能水平，可以用實驗室的平衡狀態(tài)綜合部分性能系數(shù)BIPLV（Balance integrated part load value）：

其中BEERi代表不同工況的平衡能效比，η代表每個工況的平衡能效比所占權(quán)重。

以上劃分實驗室能耗等級的方式，為長期從事焓差室建設(shè)和房間空調(diào)器測試工作中總結(jié)而得，希望可對以后實驗室能耗等級劃分標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)起到啟發(fā)和推動作用。

在實驗室建造時，應(yīng)該鼓勵實驗室建造商應(yīng)用創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)，從而使硬件方面的節(jié)能成為可能。另一方面，在日常實驗室運行過程中，實行實時監(jiān)控管理和實驗成本管理。每次實驗均要記錄實驗過的能耗成本。實驗室測試過程中，往往會出現(xiàn)實驗人員的異常操作，從而產(chǎn)生不必要的耗電。目前實驗室的軟件和測控系統(tǒng)，主要測量被測機(jī)的功率，而忽略了對實驗室測量過程中整體的能耗統(tǒng)計和異常耗能分析，從而無法及時發(fā)現(xiàn)、糾正實驗人員的錯誤操作。為此，實驗室軟件上應(yīng)具備監(jiān)控、記錄、生成實驗室測試過程中整體耗電量的功能，在空調(diào)測試報告中，明確顯示各個測試工況的實驗室總體耗電量和主要設(shè)備耗電量，從而運算實驗成本，使其成為實驗報告不可缺少的組成部分。

5 結(jié)論

本文通過介紹空調(diào)實驗室新型節(jié)能技術(shù)和探討未來實驗室能耗等級劃分的方式，目的是推動行業(yè)新增空調(diào)實驗室新型節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，希望對以后空調(diào)實驗室能耗等級評價及劃分起到啟發(fā)和推動的作用。最終得出降低實驗室的能耗應(yīng)從兩方面實現(xiàn)：（1）建造階段推廣新型節(jié)能技術(shù)，對空調(diào)實驗室進(jìn)行耗能考核，以劃分不同能效等級的實驗室。（2）加強(qiáng)計算機(jī)軟件對實驗室運行階段耗能評價管理、實時對各個工況的實驗室用電量進(jìn)行記錄分析，督促實驗人員以最節(jié)能的方式進(jìn)行實驗測試，讓實驗耗能成本成為測試報告不可缺少的組成部分。對于本文探討提出的能效等級劃分的方式，未來將通過大量的實驗數(shù)據(jù)，以完善實驗室能耗等級劃分的具體內(nèi)容。