姜小伟 梁彩华

(东南大学能源与环境学院 南京 210096)

部分负荷下热湿分段处理空调系统性能实验研究

姜小伟 梁彩华

(东南大学能源与环境学院 南京 210096)

中央空调系统大部分时间是在部分负荷下运行，而热湿分段处理空调系统在部分负荷下实现节能运行具有明显优势。在热湿分段处理空调系统实验台上进行了冷水机组串联运行的实验，研究了该系统在部分负荷下性能的变化规律。实验结果表明:在设计负荷相同时，热湿分段处理空调系统冷水机组串联运行时所能承受的最大负荷为常规空调系统的81.5%。当负荷百分比从81.5%降低到50%，热湿分段处理空调系统冷水机组平均COP由3.13提高到4.16，表明在部分负荷下，热湿分段处理空调系统具有较大节能潜力。

空调系统；热湿分段处理；部分负荷；节能

据美国制冷协会研究统计，中央空调负荷率低于设计负荷75%的工况占全年运行时间的90%以上[1]。据国内研究统计，我国空调设备90%时间运行在设计负荷的70%以下[2]。针对空调负荷不断变化的实际情况，实现集中式空调系统节能运行的调节方法主要有质调节及量调节两种[3]。量调节方法主要有变风量(VAV)调节方法[4]、变水量(VWV)[5]调节方法。质调节方法主要有变冷冻水出水温度调节方法，这种调节方式能够提高冷水机组的效率，降低冷水机组的能耗，对空调系统具有明显的节能意义[6－7]。现针对定流量系统常用的节能方法是质调节方法，而分段质调节正是热湿分段处理方法的特点。热湿分段处理方法是对空调系统空气处理过程进行分段处理[8]，将常规空调系统中空气由1个表冷器承担显热负荷又承担潜热负荷，变为空调系统中设有两个表冷器，一个表冷器首先对空气显热负荷进行处理，另一个表冷器进行潜热负荷处理。显热负荷及潜热负荷都由冷水机组承担，对空气潜热负荷采取低温冷冻水进行处理，显热负荷则由高温冷冻水承担。制取温度较高的冷冻水，提高了冷水机组的整体性能。据研究表明，冷水机组制取冷冻水时，蒸发温度每增加l℃，机组的COP可以提高3%(蒸发温度在2℃ ～15℃范围内)[9]。热湿分段处理空调系统有两种典型的运行模式:冷水机组串联运行和冷水机组并联运行。冷水机组并联运行时，高温表冷器冷冻水进口温度由高温冷水机组单独控制，可根据不同负荷需要来选取高温冷冻水的供水温度。冷水机组并联运行时需要两根供水管及两根回水管，两套独立的冷冻水管路较为复杂。而冷水机组串联运行时，承担空调显热负荷的高温冷冻水的进口温度虽不能由高温冷水机组单独控制，但系统仅需一根供水管和一根回水管，系统管路相对简单，使热湿分段处理空调系统在实际空调工程节能改造时更易于实现。梁彩华等[8]建立了热湿分段处理的数学模型，并针对所建立的模型在常规空调工况下的节能效果进行研究，结果表明热湿分段处理方法相对于常规空气处理方法，在出风温度为16℃时，高温冷水机组的COP可以提高达9.14%以上。李贵[10]、李伟[11]等研究了热湿分段处理空调系统在变空气处理箱进风状态、变高温冷冻水供水温度、变冷冻水流量等工况下的节能变化规律，并根据研究结果提出了该系统优化控制策略。以上研究均基于冷水机组并联运行，而对节能改造中更易于实现的冷水机组串联运行缺乏研究。因此，文章研究了当冷水机组串联运行时，空调负荷变化对系统性能参数的影响规律，实验结果为今后热湿分段处理空调系实际运用提供参考依据。

1 实验

1.1 实验系统

热湿分段处理空调实验系统装置如图1所示，主要由空气处理箱、两台相同的冷水机组、冷却水系统和测试控制系统等组成。空气处理箱中表冷器主要结构参数如表1。空气先流经高温表冷器，与低温表冷器出来的冷冻水换热后流经低温表冷器，由低温机组出来的冷冻水处理至送风状态。低温表冷器后设有加热器和加湿器，用于保证进风的温度和调节进风的湿度。高温表冷器出来的冷冻水由高温机组降温后进入低温机组。

图1 热湿分段处理空调系统的流程图Fig.1 Flow diagram of the segmented handling air-conditioning system

表1 表冷器结构参数Tab.1 Parameters of cooling coil

1.2 测试装置与方法

参数测试所使用的仪器仪表见表2。在进风状态不变时，通过调节高、低温冷水机组压缩机频率来改变冷水机组供冷量，进而改变热湿分段处理空调系统的换热量，实现部分负荷工况。实验参数为:高、低温表冷器均2排；进风压力101325 Pa，进风流量1900 m3/h；进风干球温度27℃，相对湿度50%；冷冻水流量0.35 L/s；冷却水流量0.4 L/s，冷却水进口温度32℃；高温压缩机初始频率70 Hz，低温压缩机初始频率80 Hz，此时低温表冷器冷冻水进水温度均为7℃；为方便实验操作，压缩机频率调节如下:高温压缩机频率维持70 Hz不变，将低温压缩机频率依次调至80 Hz、70 Hz、60 Hz、50 Hz、40 Hz；低温压缩机频率稳定在40 Hz后，再将高温压缩机频率依次调至60 Hz、50 Hz、40 Hz。

定义热湿分段处理空调系统负荷百分比为Bra:

式中:Qh和Ql分别为不同工况下高、低温表冷器换热量的实验值，kW；Qc为恒定工况下常规表冷器换热量的实验值，kW。Qc的测试工况为:表冷器4排，进风压力101325 Pa，进风流量1900 m3/h；进风干球温度27℃，相对湿度50%；冷冻水流量0.35 L/s；冷冻水进水温度7℃。

表2 热湿分段处理空调系统测试用仪器仪表Tab.2 Measurement equipment involved in segmented handling air-conditioning system

2 实验结果与分析

图2为压缩机频率对冷冻水侧温度的影响。由图2可见，随着压缩机总频率的降低，系统冷冻水温度有显著升高。当压缩机总频率由150 Hz降为80 Hz时，低温机组冷冻水供水温度从6.92℃提高到13.17℃，高温机组的冷冻水供水温度从10.71℃提高到15.34℃。这是由于压缩机频率降低时，压缩机转速降低，单位时间内的制冷量减小，使得低温机组冷冻水供水温度升高，从而使高温表冷器的冷冻水进口温度升高。图3为压缩机频率对表冷器换热量的影响。由图3可见，随着压缩机总频率的降低，高温段、低温段和总换热量均下降。当压缩机总频率由150 Hz降为80 Hz时，总换热量从10.17 kW减少到6.2 kW。这是由于空气流量、冷冻水流量均保持不变，冷冻水温度升高导致冷冻水与空气之间的换热温差降低，换热量下降。

图2 冷冻水侧温度随压缩机总频率变化的关系图Fig.2 Temperature of chilled water side on various compressor frequencies

图3表冷器换热量随压缩机总频率变化的关系图Fig.3 Heat transfer rate of cooling coil on various compressor frequencies

图4 为压缩机频率对冷水机组蒸发温度、冷凝温度的影响。由图5可见，随着压缩机总频率的降低，高温与低温冷水机组的蒸发温度、冷凝温度呈现两段不同的变化趋势:当压缩机频率从150 Hz变化至110 Hz时，高温机组的蒸发温度略有升高，从4.4℃升高到6.0℃；冷凝温度稳定在37.6℃左右不变。低温机组的蒸发温度有显著地升高，从2.3℃升高到6.7℃；冷凝温度从38.5℃降低到35.6℃。当压缩机频率从110 Hz变化至80 Hz内，高温机组的蒸发温度有显著地升高，由6.0℃升高到10.7℃；冷凝温度从37.7℃降低到35.9℃；低温机组的蒸发温度、冷凝温度稳定不变。这是由于压缩机频率从150 Hz变化至110 Hz时，高温机组压缩机频率不变，低温机组压缩机频率降低；压缩机频率从110 Hz变化至80 Hz时，高温机组压缩机频率降低，低温机组压缩机频率不变。当压缩机频率降低时，压缩机转速减小，制冷剂质量流量减小，与冷冻水侧的换热时间加长，换热充分，蒸发温度升高，冷凝温度下降。

图4 蒸发温度、冷凝温度随压缩机总频率变化的关系图Fig.4 Evaporation temperature and condensing temperature on various compressor frequencies

图5 系统COP随压缩机总频率变化的关系图Fig.5 COP of the system on various compressor frequencies

图5 为压缩机频率对冷水机组COP的影响。从图5可见，机组COP随着压缩机总频率的降低，有明显的提高。高、低温冷水机组的COP上升曲线呈现两段不同的趋势:当压缩机频率从150 Hz变化至110 Hz时，高温机组COP略有升高，低温机组COP有显著升高；当压缩机频率从110 Hz变化至80 Hz时，高温机组COP有显著升高，低温机组COP略有升高。分析原因:在150 Hz～110 Hz内，低温机组蒸发温度升高，压缩机输入功率显著下降，从而使得低温机组COP上升较快。高温机组蒸发温度略有升高，使得制冷量有所增大，但压缩机输入功率基本不变，从而使得高温机组COP略有提高，如图6所示。在110 Hz～80 Hz内，冷水机组COP变化原因与上述原因相同，不再赘述。压缩机总频率由120 Hz降到100 Hz及由90 Hz降到80 Hz时，冷水机组平均COP升高幅度降低。主要原因是高、低温机组压缩机频率由50 Hz降到40 Hz时，冷水机组的蒸发温度、冷凝温度变化趋势不变，但机组的压缩机运行频率较低，压缩机中的电动机的磁通增大，造成磁路过饱和，励磁电流大大增加，使得电动机带负载能力降低[12]。当电动机负载降低时，转子电流的有功分量降低，定子电流的有功分量随之降低，导致功率因数降低，铁损增加，电动机的效率会有所降低，从而使得压缩机的总效率下降，冷水机组COP升高幅度降低。

从图7系统COP、负荷百分比随压缩机总频率变化的关系图上可以看出，热湿分段处理空调系统所承担的最大负荷为常规空调的81.5%。虽然两个系统的表冷器换热面积相同，但是每个系统中冷冻水的流速、流向不同，在表冷器内换热温差也不同，从而使得换热量不同。因此在针对既有空调系统采用热湿分段处理方法进行改造时，热湿分段处理空调系统空气处理箱中的表冷器换热面积要比原空调系统大20% ～40%左右。当负荷比由81.5%下降至50%时，热湿分段处理空调系统冷水机组的平均COP由3.13提高至4.16，提高率达32.9%。

图6 制冷量、输入功率随压缩机总频率变化图Fig.6 Cooling capacity and input power on various compressor frequencies

从图8水侧和空气侧换热总量随压缩机总频率变化的关系曲线图上可以看出，水侧换热总量略大于空气侧换热总量，水侧换热总量与空气侧换热总量最大相对误差不超过7%。主要原因是由于空气处理箱内空气在流动过程有所流失，实际风量值低于计算使用的额定风量值。从图9系统冷凝热与蒸发侧及压缩机输入功率随压缩机总频率变化的关系曲线图可以看出，系统冷凝热略大于系统蒸发侧制冷量与压缩机输入功率之和，二者最大相对误差不超过9.5%。主要原因是由于蒸发侧温度较低，环境中部分热量会通过冷冻水管路渗入到蒸发侧。文中实验所获得数据具有一定的精度及可信度。

图7 系统COP、负荷百分比随压缩机总频率变化图Fig.7 COP and load rate on variouscompressor frequencies

图8 水侧、空气侧换热总量随压缩机总频率的关系曲线Fig.8 Heat transfer rate between water-side and air-side on various compressor frequencies

图9 系统总能量随压缩机总频率的关系曲线Fig.9 Total system energy on various compressor frequencies

3 结论

1)随着高、低温压缩机频率的降低，冷水机组的蒸发温度上升，冷凝温度下降，机组COP升高；但当压缩机频率降低至40 Hz左右时，机组COP升高幅度降低，原因在于低频率运行时，压缩机的电动机效率下降。

2)在初始参数与常规空调系统相同时，热湿分段处理空调系统所能承受的最大负荷为常规空调系统的81.5%。

3)当负荷比由81.5%下降至50%时，热湿分段处理空调系统冷水机组平均COP提高了32.9%。中央空调系统50%以上的时间是在其负荷的50%～75%范围内运行，故热湿分段处理空调系统在部分负荷下运行具有明显的节能效果。

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Experimental Study on Performance of Segmented Handling Air-conditioning System under Part Load Conditions

Jiang Xiaowei Liang Caihua

(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Air conditioning systems are usually operated under part load conditions，and segmented handling air-conditioning system has significant advantages of realizing energy-saving operation under part load conditions.Chillers in serial configuration was carried out on a test bed of segmented handling air-conditioning system，and the performance of system in different load conditions were studied.Experiment results show that:the maximum load that segmented handling air-conditioning system can handle is only 81.5%compared with conventional systems when the design load is the same.When the load reduces from 81.5%to 50%，the chillers of the system average COP increases from 3.13 to 4.16，which indicates that segmented handling air conditioning system can create a big energy saving potential under part load conditions.

air-conditioning；segmented treatment；part load；energy-saving

TU831.3

A

0253－4339(2014)05－0025－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.025

梁彩华，男(1979－)，博士，研究员，博士生导师，东南大学能源与环境学院，(025)83792692，E-mail:caihualiang＠163.com。研究方向:新型制冷空调技术、建筑节能、太阳能热利用与建筑一体化等方面研究。

2013年12月13日

About the corresponding author

Liang Caihua(1979－)，male，doctor，professor，Ph.D.candidate supervisor，School of Energy and Environment，Southeast University，(025)83792692，E-mail:caihualiang＠163.com.Research fields:new refrigeration and air conditioning technology，building energy efficiency，solar thermal utilization and the building integration research and so on.