直膨式家用水源空调器实验研究*

2014-09-17仇富强李俊阳赵美云尹爱勇邢兵锁

江苏海洋大学学报(自然科学版) 2014年3期

仇富强,李俊阳,赵美云,尹爱勇,邢兵锁

(铜陵职业技术学院电气工程系,安徽铜陵 244000)

随着经济的发展和人民生活水平的提高,空调器已经成为普通平民家庭的日用品,目前大部分家庭使用的主要是风冷式空调,专家在这方面研究的也最多[1-3]。普通风冷式空调与水源中央空调相比较,由于采用的是空气源制冷或者供暖,其能效系数比较低。水源空调系统节能效果显著,但多用于宾馆、商场、体育馆、办公楼等一般制冷量较大的中央空调[4-5]系统。而对于小型水源房间空调器的研究还未见报道。

本文根据需要提出并设计了一款适用于普通家庭的水源空调器,此空调器的冷凝器由套管式水冷换热器替代,可用在水资源比较丰富的地区,利用自来水或地表水作为空调能量来源满足房间制冷或供暖的需要。通过实验对其性能进行了研究,并与同款的空气源空调进行了对比分析。可为今后相关的产品开发提供一定的参考。

1 实验装置及实验方法

1.1 实验装置

(1) 实验样机(如图1所示)。额定工况制冷量为3.0 kW,采用地表水作为冷热源。实验样机主要部件的结构参数如下:① 松下涡旋式压缩机1个,型号为2P20。② 外螺纹翅片管式换热器1组,4个并联。内管φ24×3 960，外管φ28×3 700,水氟逆流布置。③ 毛细管2根，分别为φ1.6×300,φ1.6×320。④ 翅片管式蒸发器1个,片距1.6,长为3×15.06 m。实验台自动测试系统由一台计算机和一台数据采集器组成,温度采用热电偶测量,压力采用压力传感器测量,系统所消耗的功率采用三相线制功率计测量。

图1 直膨式家用水源空调器实验样机

(2) 实验是在国家标准焓差实验室进行的。空调器焓差实验室包括室内侧、室外侧和控制室。主要由实验室外围保温结构、空气再调节处理系统、温湿度采样系统、风量测量装置、电控系统及计算机测量系统等组成。实验室是根据房间空调器国家标准GBT 7725—1996,基于房间空调器制冷量和制热量可采用空气焓值法进行测量的原理而设计建造的。使用冷水机组、电加热器和电加湿器对室内外侧温度进行控制,通过空气采样器检测室内外环境的温湿度。通过测量其室内侧送风量及进、出风口的焓差，从而确定出空调器的制冷量或供暖量。

1.2 实验方法

本次实验装置原理图如图2所示,整个数据采集系统由Keithley数据采集仪、温度传感器和压力表3部分组成。在压缩机吸、排气口,节流管前后,冷凝器进、出水口共设置了6个温度采集点;在压缩机和毛细管的进口、出口各设置2个压力表。系统的运行时间、功率等由一台单相综合电量表采集记录。实验测量参数包括压缩机进、出口温度和压力,焓差实验室室内侧温度,蒸发器进、出口温度和压力以及系统运行的时间、功率和功耗等。其中制冷和供暖的功率根据蒸发器进出风焓值差和风量大小由计算机直接进行计算。

图2 实验装置原理图

2 实验结果分析

表1和表2分别为两种空调制冷及供暖时的最佳性能数据,其中普通空调的输入总功率为压缩机功率+内外风机功率,水源空调的输入总功率为压缩机功率+水泵功率。

2.1 制冷工况对比分析

室内干球温度为27 ℃,室内湿球温度为19 ℃;环境干球温度为35 ℃,环境湿球温度为24 ℃;冷凝侧水流量为741 kg/h,进水温度为30 ℃,出水温度为33.75 ℃。

表1为名义工况下两种空调器制冷时的实验数据。由表1可以看出,普通空调的排气压力为1.75 MPa,吸气压力为0.46 MPa,压力差为1.29 MPa,而水源空调的排气压力为1.38 MPa,吸气压力为0.54 MPa,压力差为0.84 MPa。排气压力比普通空调低,而吸气压力则略高,其压力差较小。排气压力和压力差的减小有利于提高系统的运行可靠性,其排、吸气温度分别为67.8 ℃和17.9 ℃,与普通空调相比也是低的,有效延长了机组的使用寿命。普通空调的输入功率为1 197.4 W,而样机的输入功率为808.4 W,仅为普通空调的67.5%,有利于压缩机的运行。此时普通空调的制冷量为3 409.25 W,水源空调的制冷量为3 593.61 W,比普通空调增加了约5.4%,制冷效果得到了明显的改善。普通空调的性能系数COP为2.85,由于输入功率的减小,水源空调的性能系数COP约为4.45,二者差为1.6,节能效果比较显著,有效提高了系统的能源利用率。

表1 名义工况下两种空调器制冷时的实验数据

出现上述情况的原因是:一方面冷凝水的温度与室外环境温度相比较低,另一方面水的比热较大,带走的热量较多,从而有效降低了系统的冷凝压力。与普通空调相比,由于毛细管的调节作用,制冷剂循环流量是增加的,从而使得系统的吸气压力也略有升高。由于水的良好的冷却效果也使得排气温度有所降低,同时单位时间内制冷剂循环流量的增加也对压缩机的冷却起到了一定的作用。而吸气温度较低的原因是由于制冷剂循环流量较大,蒸发不充分引起的;输入功率低的原因是因为当冷凝压力降低时,制冷剂的单位质量压缩功变小引起的。制冷量高的原因主要是由于制冷剂单位质量制冷量增加引起的。输入功的减小和制冷量的增加引起了系统能效系数COP的提高,使节能效果得到显著提高,有效提高了能源利用率。

2.2 供暖工况对比分析

室内干球温度20 ℃,湿球温度17 ℃;环境干球温度8 ℃,湿球温度6 ℃;水流量739 kg/h,进水温度8 ℃,出水温度4.95 ℃。

表2为名义工况下两种空调器供暖时的实验数据。由表2可以看出,水源空调与普通空调系统相比,其排气压力基本相同,而吸气压力偏大,压力差也比较小,这将使得系统的运行安全性有所提高。水源空调的吸排气温度也比普通空调要低,有效地延长了系统的使用寿命;普通空调的输入总功率为1 056.3 W，而水源空调为867.7 W,相当于普通空调的82.15%;水源空调的供暖量为3 407.82 W,而普通空调为3 564.45 W,二者相比略有减小;水源空调的供暖能效系数COP为3.93,与普通空调相比绝对量增加了约0.56,节能效果比较明显。

表2 名义工况下两种空调器供暖时的实验数据

虽然水的换热效果比空气好,同时,与普通空调相比,水源空调的毛细管略短,制冷剂循环流量是增加的,但由于与普通空调相比制冷剂充值量少,使得此时的排气压力反而略有降低。由于毛细管的调节作用,与普通空调相比,进入蒸发器的制冷剂会略有增多,同时,由于水的良好的换热效果,从而引起了吸气压力的升高;由于压力差较小,压缩机产生的热相对较少,也使得排气温度略有降低;由于制冷剂充注量的减少和蒸发压力的增高导致的制冷剂的单位质量输入功的减少,两者相比,引起了系统总输入功是减少的;供暖量降低主要是由于制冷剂充值量少导致的循环量少引起的;输入功的明显减少也引起了系统供暖能效系数COP的增加。