基于空氣焓差法的空調(diào)機(jī)柜性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究

周茂軍, 羅秀芳, 曾 智, 劉向龍, 李小華

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

0 引言

中國(guó)房地產(chǎn)研究會(huì)副會(huì)長(zhǎng)顧云昌曾在“西部低碳經(jīng)濟(jì)與綠色建筑產(chǎn)業(yè)”高峰論壇表示，我國(guó)現(xiàn)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(guó)全社會(huì)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(shí)也會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題突出，大部分國(guó)家近1/3的能源消耗和30%的溫室氣體排放主要來(lái)源于建筑能耗[2]。

建筑能耗在很大程度上取決于建筑空調(diào)設(shè)備的能效。空調(diào)機(jī)柜是一種能夠?qū)κ覂?nèi)空氣的溫度、相對(duì)濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，作為一種常見(jiàn)的一次回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，已經(jīng)廣泛使用在空調(diào)工程中。目前空調(diào)器性能測(cè)試方法有2種, 即空氣焓差法和房間型量熱計(jì)法，由于空氣焓差法測(cè)試簡(jiǎn)便，使用范圍更加廣泛。夏玲等[3]在空氣焓差法空調(diào)性能測(cè)試中融入了全自動(dòng)測(cè)控技術(shù)，大幅度提高了性能測(cè)試效率，該項(xiàng)技術(shù)不僅可以減少測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和在崗時(shí)間，實(shí)現(xiàn)空調(diào)性能的全自動(dòng)無(wú)人值守測(cè)試，還可以增加測(cè)試過(guò)程的可追溯性。李四祥等[4]分析了空氣焓差測(cè)試空調(diào)器的實(shí)驗(yàn)誤差，發(fā)現(xiàn)誤差主要來(lái)自試驗(yàn)參數(shù)允差計(jì)算偏差和測(cè)量偏差。郁夏夏等[5]提出了基于空氣焓差法測(cè)量制冷量不確定度的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析各參數(shù)對(duì)制冷量不確定度的影響，提出了一種減小制冷量測(cè)量不確定度的方法。張愷等[6]分析空氣焓差法性能測(cè)試的不確定度, 得出用空氣焓差法測(cè)試空調(diào)器性能時(shí)引起不確定度的各種因素, 以及各參數(shù)對(duì)制冷量測(cè)量值的影響。

通過(guò)上述文獻(xiàn)分析可知，利用空氣焓差法計(jì)算空調(diào)性能時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，且目前大部分利用數(shù)學(xué)方法建立空氣焓差法不確定度模型，來(lái)表征其測(cè)量誤差，其方法較為復(fù)雜。本文以全熱回收型空調(diào)機(jī)柜為研究對(duì)象，在空氣焓差法測(cè)量的基礎(chǔ)上，使用水流量計(jì)算空調(diào)性能以驗(yàn)證其測(cè)試誤差，方法簡(jiǎn)單可靠，可為實(shí)際空調(diào)工程的性能測(cè)試提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)以空調(diào)機(jī)柜為研究對(duì)象，在該實(shí)驗(yàn)方案中，混合室、新風(fēng)室、噴淋室和處理室依次相互連接，處理室內(nèi)部依次設(shè)置有表冷器、加濕器、電加熱器等，電加熱器一側(cè)設(shè)置有送風(fēng)機(jī)，混合室進(jìn)風(fēng)端設(shè)置有回風(fēng)機(jī)。在全熱回收室內(nèi)部設(shè)置有數(shù)據(jù)檢測(cè)W2點(diǎn)，頂部設(shè)置有排風(fēng)口。余熱回收室底部設(shè)置有新風(fēng)口，新風(fēng)口設(shè)置有數(shù)據(jù)檢測(cè)W1點(diǎn)?；旌鲜乙粋?cè)設(shè)置有回風(fēng)口并布置混合點(diǎn)C，回風(fēng)口設(shè)置有數(shù)據(jù)檢測(cè)N點(diǎn)。處理室出風(fēng)端設(shè)置有數(shù)據(jù)檢測(cè)O點(diǎn)。如圖1所示。

圖1 空調(diào)測(cè)點(diǎn)布置圖

其空氣處理過(guò)程為：首先新風(fēng)進(jìn)入全熱回收裝置，與排風(fēng)進(jìn)行全熱回收后到達(dá)W2點(diǎn)，然后與室內(nèi)空氣進(jìn)行混合到達(dá)C點(diǎn)，再與表冷器進(jìn)行熱交換至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最后送入室內(nèi)。空氣狀態(tài)點(diǎn)處理過(guò)程示意如圖2。

圖2 空氣狀態(tài)點(diǎn)處理過(guò)程

W為室外環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)，W2為熱回收狀態(tài)點(diǎn)，C為混合狀態(tài)點(diǎn)，N為室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)，L為送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，ε為熱濕比線。

1.2 空氣狀態(tài)點(diǎn)測(cè)量

DT-321s溫濕度儀具有測(cè)量空氣濕度、溫度功能，是應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)、工程和家庭測(cè)量的理想儀器，因此本試驗(yàn)測(cè)量采用該儀器測(cè)量室內(nèi)外空氣狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)將DT-321s溫濕度儀放置離新風(fēng)口1 m處位置進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，由于室外空氣狀態(tài)點(diǎn)時(shí)時(shí)刻刻都在改變，直至溫濕度儀參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，記錄儀器的數(shù)據(jù)。

測(cè)量室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)時(shí)，測(cè)點(diǎn)布置在離房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.5 m、離地高度0.5～1.5 m處，布置4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)取4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。

測(cè)量空氣處理過(guò)程狀態(tài)點(diǎn)時(shí)，將溫濕度儀放置在處理過(guò)程點(diǎn)的箱體中，當(dāng)數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為此時(shí)空氣狀態(tài)點(diǎn)穩(wěn)定并記錄數(shù)據(jù)。

1.3 風(fēng)量測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)中采用AR866A風(fēng)速儀測(cè)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(cè)定斷面上必須進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量再取其平均值。管道斷面如圖3所示。

圖3 新風(fēng)口截面

該風(fēng)管是矩形風(fēng)管，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，將管道斷面劃分為若干等面積的小矩形，測(cè)點(diǎn)布置在每個(gè)小矩形的中心。將風(fēng)速儀的探頭放置到布置好的測(cè)點(diǎn)位置，等數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定時(shí)，記錄數(shù)據(jù)。

1.4 水流量測(cè)試

本文使用JTLL-I超聲波流量計(jì)測(cè)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(cè)試精度更高。冷凍水進(jìn)出口溫度采用熱電偶裝置測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 制冷量計(jì)算

空氣焓差法的原理是通過(guò)測(cè)量空調(diào)機(jī)柜的進(jìn)出口空氣焓差，再乘以空氣流量。其計(jì)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(jī)柜進(jìn)出口焓值，kJ/kg；v為空氣質(zhì)量體積，m3/kg；d為空氣含濕量，kg/kg。

qv=Av

(2)

式中：A為空調(diào)機(jī)柜風(fēng)道截面積，m2；v為風(fēng)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(duì)濕度，%；p為水蒸氣飽和分壓力，Pa；P為大氣壓，Pa。

水側(cè)制冷量計(jì)算原理為，測(cè)量空調(diào)機(jī)柜進(jìn)出口水溫和水流量，其計(jì)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(diào)機(jī)柜進(jìn)出口水溫，℃；qm為水的質(zhì)量流量，kg/s。

2.2 兩種計(jì)算方式制冷量比較

利用超聲波流量計(jì)測(cè)量了冷凍水管的水流量，并利用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量了冷凍水管的進(jìn)出水溫，其具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 空氣焓差法計(jì)算結(jié)果

表2 水流量測(cè)試計(jì)算結(jié)果

由上述結(jié)果可知，利用空氣焓差法計(jì)算的制冷量大于利用水流量計(jì)算的制冷量，這是因?yàn)樵诶每諝忪什罘ǖ挠?jì)算過(guò)程中將熱回收過(guò)程所得制冷量也計(jì)算進(jìn)來(lái)了。因此，利用空氣焓差法對(duì)比水流量計(jì)算制冷量，應(yīng)該要嚴(yán)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(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

由圖4可知，利用空氣焓差法和水流量計(jì)算方法所得制冷量十分接近，最大誤差不超過(guò)10%，平均誤差不超過(guò)5%。且從圖中可以明顯看出水流量計(jì)算結(jié)果均大于空氣焓差法計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)槔每諝忪什罘y(cè)得的制冷量是由冷凍水提供，而在實(shí)際過(guò)程中傳熱效率不可能為1，因此會(huì)有部分冷量散失，因此所得結(jié)果會(huì)偏小于水流量計(jì)算方法。

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

通過(guò)上述比較結(jié)果可知，空氣焓差法和水流量計(jì)算制冷量相差并不大，但在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，空氣焓差法更加簡(jiǎn)單方便，因此本文通過(guò)將余熱回收裝置的開(kāi)啟，進(jìn)行模擬常規(guī)空調(diào)機(jī)柜和全熱回收型空調(diào)機(jī)柜的運(yùn)行工況，通過(guò)對(duì)比兩者的實(shí)際運(yùn)行COP，其具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。由圖5可知，全熱回收型空調(diào)機(jī)柜的COP在這6種工況下均高于常規(guī)空調(diào)機(jī)柜，其中在工況1的條件下最為明顯，高出常規(guī)空調(diào)機(jī)柜約0.57。相較于常規(guī)空調(diào)機(jī)柜，全熱回收型空調(diào)機(jī)柜COP最高可提升約21.41%，平均提升約12.31%，由此可見(jiàn)在一次回風(fēng)之前進(jìn)行余熱回收的結(jié)果十分理想。

圖5 兩種空調(diào)機(jī)柜COP對(duì)比

3 結(jié)論

本文以一種全熱回收型空調(diào)機(jī)柜為研究對(duì)象，利用空氣焓差法和水流量測(cè)試方法進(jìn)行制冷量對(duì)比，并通過(guò)全熱回收型空調(diào)機(jī)柜和常規(guī)空調(diào)機(jī)柜的性能對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1)在常規(guī)一次回風(fēng)空調(diào)機(jī)柜之前進(jìn)行余熱回收，其系統(tǒng)COP最高可提升約21.41%，節(jié)能效果明顯。

(2)通過(guò)對(duì)比空氣焓差法和水流量測(cè)試方法計(jì)算制冷量，其結(jié)果誤差不超過(guò)10%，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠。

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