房間空調器實驗室節能技術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

綠色可持續一直是國家重視的發展方式，節能減排是整個社會對發展的訴求，在如今的耗能產業中，不僅企業會想方設法降低能耗、節約運營成本，國家和政府也相應出臺了許多與能源使用相關的標準文件以提高能源使用效率。空調實驗室是典型的恒溫恒濕實驗室，對溫度、濕度都有著嚴格的要求，其應用頻率高、用電量大，是重要能耗設備之一，推動空調實驗室新型節能技術的應用發展，建立能耗等級劃分制度，是一項十分有意義的工作。

在空調實驗室節能技術相關研究中，唐崢、羅祥坤、鄧本崢等人從能量平衡、PLC控制方式、設備運行等多角度出發，運用冷凝熱回收原理提出了一套較完整的節能解決方案[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調節器對電動三通閥、熱氣旁通閥及蒸發壓力調節閥進行調節控制，做了降低空氣處理機組綜合能耗的研究[3]。與此同時，國內專業從事設計、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、中國建筑科學研究院、中國海洋大學等單位，南方有擎天、蘭石、源知、海普等單位，都已經嘗試建造節能空調實驗室，并取得了明顯的經濟效益。

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

2 目前行業空調實驗室狀況

目前行業中主流空調實驗室為平衡環境型房間實驗室（如圖1所示）和空氣焓差法實驗室（如圖2所示）這兩種。其中平衡環境型實驗室采用房間型量熱計原理，即在量熱計的室內側和室外側進行冷熱量平衡。而空氣焓差法則是通過設計合適的裝置，測試空調器送風口的風量、溫濕度以及回風口的溫度，根據送、回風溫度對應的焓值之差與風量的乘積即可得到空調器的制冷量或熱泵制熱量[2]。平衡環境型房間實驗室和空氣焓差法實驗室雖然測試原理不同，但都是為了去創造一個恒溫恒濕的空間環境，靠空氣處理機去平衡實驗室內不斷變化的冷、熱、濕負荷，從而達到穩定的狀態。而空調實驗室的能耗幾乎全部集中在空調處理機中，故兩種實驗室的能耗等級相同。

圖1 平衡環境型房間實驗室原理圖

圖2 空氣焓差法實驗室原理圖

目前行業中一味要求空調實驗室測試精度和重復性，但受結構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，同時再提高精度要求，對產品測試意義也不大。所以在成熟行業技術中，如無新技術革新，將導致行業得不到更先進的技術來推動發展。因此在保證測量精度的基礎上，盡可能減少空調實驗室的整體能耗已成為其發展的新形勢。在測量精度要求上，GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》已明確規定相關的內容，其測量顯示的不確定度和最大讀數允差如表1和表2所示。然而，國家和行業的標準文件中卻鮮有關于空調實驗室能耗方面的規定，故本文通過探討如何對實驗室耗能等級進行合理劃分，希望加快有關空調實驗室能耗等級劃分的新規范或新標準出現。

表1 測量不確定度

表2 制冷和熱泵制熱量試驗的讀數允差

3 空調實驗室新技術介紹

實現空調實驗室能源等級劃分，必須依靠節能高新技術，在實現高精度測試的同時，降低空調實驗室的運行能耗。在空調實驗室運行的過程中，要實現恒溫恒濕控制，需要制冷機組和電加熱器不斷工作以保持冷熱平衡，這個過程導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，從而有冷熱抵消導致能量損失。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。以下是目前空調實驗室采用的幾大主要節能技術。

圖3 空氣處理過程圖

3.1 熱量回收技術

制冷系統為逆卡諾循環，提供冷量的過程，就是將實驗室內的熱量轉移至實驗室外側的過程，所以制冷系統需要冷凝器高效散熱以保證其工作效率。熱量回收技術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，達到節能的效果。但是熱量回收技術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[5]。帶冷凝熱回收的系統圖和圖例如圖4、圖5所示。

圖4 帶冷凝熱回收的系統圖

圖5 帶冷凝熱回收系統圖的圖例

3.2 變頻變容調節技術

制冷系統變頻技術是目前運用最廣泛、最成熟的節能技術，通過改變壓縮機或者循環風機的運行頻率從而實現制冷系統的能力調節。可以將電加熱器控制器和制冷系統所配備的變頻器形成耦合系統，從而實現能力的自動調節，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 蒸發器容量可變技術

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

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

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

3.4 蒸發壓力調節技術

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

圖7 分組蒸發器技術原理簡圖

表3 分組蒸發器技術運行數據表

圖8 蒸發壓力調節閥圖

3.5 熱氣旁通技術

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

圖9 熱氣旁通原理圖

4 空調實驗室能耗等級劃分的探討

要促進各個空調實驗室承建商推廣使用上述新型節能技術，必然需要對承建商所建造的實驗室的耗能水平進行限制。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，則是對空調實驗室能耗等級劃分的主要依據。故在測試過程中，可以以被測空調器的功率（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。暫時將此值的結果命名為：空調實驗室平衡能效（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，可以求出整個穩定區間的平衡能耗比（BEER），此時以空調器在此區間的耗電量（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—被測空調器耗電量，WT—實驗室運行總耗電量。

在空調實驗室使用中，往往對一臺被測機組進行一系列工況的實驗測試，受空調測試過程中IPLV測試方式的啟發，為了更準確描述空調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綜合部分性能系數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和房間空調器測試工作中總結而得，希望可對以后實驗室能耗等級劃分標準的出現起到啟發和推動作用。

在實驗室建造時，應該鼓勵實驗室建造商應用創新節能技術，從而使硬件方面的節能成為可能。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，往往會出現實驗人員的異常操作，從而產生不必要的耗電。目前實驗室的軟件和測控系統，主要測量被測機的功率，而忽略了對實驗室測量過程中整體的能耗統計和異常耗能分析，從而無法及時發現、糾正實驗人員的錯誤操作。為此，實驗室軟件上應具備監控、記錄、生成實驗室測試過程中整體耗電量的功能，在空調測試報告中，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 結論

本文通過介紹空調實驗室新型節能技術和探討未來實驗室能耗等級劃分的方式，目的是推動行業新增空調實驗室新型節能技術的發展，希望對以后空調實驗室能耗等級評價及劃分起到啟發和推動的作用。最終得出降低實驗室的能耗應從兩方面實現：（1）建造階段推廣新型節能技術，對空調實驗室進行耗能考核，以劃分不同能效等級的實驗室。（2）加強計算機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行記錄分析，督促實驗人員以最節能的方式進行實驗測試，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據，以完善實驗室能耗等級劃分的具體內容。