1068 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷 1 风冷冷热水机组测试原理 风冷冷热水机组制冷量 制热量以及输入功率等性能参数是在保证其进出水温度和风侧温度参数满足国家标准规定的测试工况要求且稳定足够长时间后 [34], 根据测得的被测机组进出水温差和水流量, 再通过相关公式算出制冷量或制

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1 第 38 卷第 6 期 2008 年 11 月 东南大学学报 ( 自然科学版 ) JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol 38 No 6 Nov.2008 风冷冷热水机组性能测试系统节能运行分析及改进 徐卫荣杜垲 ( 东南大学能源与环境学院, 南京 ) 摘要 : 对风冷冷热水机组常规测试系统进行了计算分析, 针对常规测试系统中同时需要加热和制冷而造成的能量浪费现象, 提出在该常规测试系统中空气侧增设表冷器, 水侧增设水水换热器, 对该系统进行节能改进设计. 并以制冷量为 25kW( 制热量为 32kW) 的风冷冷热水机组测试系统为例, 以试验工况数据为基础, 对改进后系统的节能效果进行验算分析. 通过比较改进前后的系统能耗得出, 改进后的系统制冷测试工况时可节电 32kW, 热泵测试工况时可节电 16kW, 最后编写了表冷器的设计计算程序模块. 关键词 : 风冷冷热水机组 ; 性能测试 ; 负荷 ; 节能 ; 制冷工况 ; 热泵工况中图分类号 :TK 文献标识码 :A 文章编号 : (2008) Energy savingoperationanalysisandimprovementofair cooledcold andhotwaterunitperformancetestsystem XuWeirong DuKai (SchoolofEnergyandEnvironment,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) Abstract:Calculationandanalysisonconventionalperformancetestsystem ofair cooledcoldand hotwaterunitwerecariedout.toavoidtheenergywasteinconventionaltestsystemduetosimul taneousheatingandrefrigerating,anoveltestsystem forair cooledcoldandhotwaterunitisput forward.asurfacecoolerandawater waterheatexchangerareaddedtoairsideandwatersidere spectivelytoimprovetheenergy savingoftestsystem.basedontheexperimentaloperatingmodes, comparisononenergy savingbetweenthenovelsystem andconventionalsystem wasperformed throughanexampleofanair cooledcoldandhotwaterunitwiththecoolingcapacityof25kw and theheatingcapacityof32kw.thecalculationresultsshow thatwiththenovelsystem theelectric powerofenergy savingis32kw inrefrigeratingtestmodeand16kw inheatingtestmode.finaly, asurfacecoolerdesignmoduleisprogrammed. Keywords:air cooledcoldandhotwaterunit;performancetest;load;energy saving;refrigerating operatingstatus;heatingoperatingstatus 风冷冷热水机组能够实现全年性气候运行, 在商业及民用领域得到了广泛应用. 为有效规范风冷冷热水机组市场, 为生产企业和用户提供切实可行的指导, 需要对风冷冷热水机组进行必要的性能测试 [12]. 根据国家标准规定, 对风冷冷热水机组性能测试时, 要保证一定的测试工况条件, 但达到并维持规定的测试工况是以消耗大量的电能来实现 的, 从节能降耗的角度考虑, 有必要对现有的常规风冷冷热水机组测试方法进行分析研究, 找出其耗能较大的环节或部件, 挖掘其节能潜力, 并采取改进措施, 有效降低风冷冷热水机组测试过程中的能耗. 本文针对传统的测试方法进行了计算分析, 提出了相应的改进方法, 对改进前后的节电效果进行了分析对比. 收稿日期 : 作者简介 : 徐卫荣 (1983 ), 男, 硕士生 ; 杜垲 ( 联系人 ), 男, 教授,du kai@seu.edu.cn. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ). 引文格式 : 徐卫荣, 杜垲. 风冷冷热水机组性能测试系统节能运行分析及改进 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,2008,38(6):

2 1068 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷 1 风冷冷热水机组测试原理 风冷冷热水机组制冷量 制热量以及输入功率等性能参数是在保证其进出水温度和风侧温度参数满足国家标准规定的测试工况要求且稳定足够长时间后 [34], 根据测得的被测机组进出水温差和水流量, 再通过相关公式算出制冷量或制热量, 被测机组的输入功率由功率计直接测得. 室外侧测试间的工况条件通过室外侧空气处理系统控制, 如图 1 所示, 系统包括了工况机的蒸发器 电加热器 电加湿器和循环风机. 室外侧测试房间的干球温度由电加热器加热被蒸发器冷却的空气来实现精确控制, 湿球温度是由控制电加湿器的供电量 ( 即加湿量 ) 来保证的 [5]. 2 2 制冷工况分析制冷测试工况时, 从水系统能量平衡的角度来看, 被测机组从水路中吸收热量, 使出水的温度降低, 为了保证给水温度的稳定, 必须向水路系统中加入热量, 加热量与吸热量基本相等 [9]. 风冷冷热水机组进行制冷测试时流程如下 : 通过运行室外侧测试间空气处理机组使测试房间的温度稳定在 (35±1) 内 ; 水路系统中的进水温度由电加热器来保证稳定在 (12±0 3) ; 通过调节电动阀的旁通水量来保证机组的进出水 5 温差. 以 25kW 制冷量的机组实测结果为例, 对常规风冷冷热水机组制冷工况测试方法进行理论分析. 试验所得的数据平均值如表 1 所示. 表 1 制冷工况试验所测各点参数平均值 状态点项目进风干球温度 t g / 进风湿球温度 t s / 进水温度 t 4 / 出水温度 t 5 / 进加热器水温 t 1 / 进水流量 G L /(L s -1 ) 被测机输入总功率 A/kW 实验测得数据 图 1 室外侧空气处理系统 2 常规测试系统分析 2 1 常规测试系统原理在常规测试系统的水路中, 为了保证被测机的进口水温, 在进水处设置了电加热器, 并在被测机组进出水管路之间布置了电动旁通阀, 以调节通过被测机的冷媒水流量来保证达到出口温度的要求 [68], 同时用被测机供水路上的流量计测得机组进出水的流量, 水系统流程见图 2. 图 2 常规风冷冷热水机组测试台水系统 [10] 必要的参数计算如下 : 进出水平均温度为 水的比容为 t avr =(t 4 +t 5 )/2=9 5 (1) C p,w =0 0002t 2 avr t avr = 4 19kJ/(kg K) (2) 进水的密度为 ρ w = t t t =999 49kg/m 3 (3) 被测机组水侧换热量为 Q w =C w G L ρ w (t 4 -t 5 )/1000=24 87kW (4) 设被测机组风侧换热量为 Q f, 被测机实测输入总功率为 A, 则由被测机热平衡关系算得风冷冷凝器侧排热量为 Q f =Q w +A= =36 94kW (5) 水系统加热器加热负荷为 Q wr1 =Q w -Q e1 =24 87-Q e1 (6) 室外侧被测空调间内的冷负荷为 Q 01 =Q f -Q e2 =36 94-Q e2 (7) 式中,Q e1 为环境向水路循环系统的漏热量 ;Q e2 为室外侧被测空调间向环境的漏热量. 2 3 热泵工况分析 热泵测试工况时, 被测的机组向水路系统中加

3 第 6 期 徐卫荣, 等 : 风冷冷热水机组性能测试系统节能运行分析及改进 1069 入热量, 为了维持水系统能量平衡, 需要开启冷水工况机组吸收水路中的热量, 同样以制热量为 32 kw 机组测试结果为例对常规风冷冷热水机组热泵工况测试结果进行理论分析. 热泵工况试验所得的数据见表 2. 表 2 热泵工况测试所测各点参数 状态点项目 测得平均值 进风干球温度 t g / 7 0 进风湿球温度 t s / 6 0 进水温度 t 4 / 40 0 出水温度 t 5 / 45 0 进加热器水温 t 1 / 39 8 进水流量 G L /(L s -1 ) 1 57 被测机输入总功率 A /kw 进出水平均温度为 t avr =(t 4 +t 5 )/2=42 5 (8) 水的比容为 C p,w =4 182kJ/(kg K) 进水的密度为 ρ w = t t = kg/m 3 (9) 被测机组水侧换热量为 Q w =C w G L ρ w (t 5 -t 4 )/1000=32 64kW (10) 由被测机组热平衡关系算得风冷换热器侧吸热量为 Q f =Q w -A = =20 26kW (11) 水路加热器加热负荷为 Q wr1 =C w G L ρ w (t 4 -t 1 )/1000=1 11kW (12) 冷水机组换热器处冷负荷为 Q wl =Q w +Q wr1 -Q e1 = Q e1 =33 75-Q e1 (13) 室外侧被测空调间内的冷负荷 ( 即室外侧空气处理机组电加热器的加热量 ) 为 Q 01 =-(-Q f +Q e2 )=20 26-Q e2 (14) 式中,Q e1 为水路循环系统向环境的漏热量 ;Q e2 为环境向室外侧被测空调间的漏热量. 2 4 常规测试系统分析及改进由以上的分析可知 : 在风冷冷热水机组制冷测试工况时, 被测机组使冷媒水由 12 降至 7, 为了使进水温度维持在 12, 则必须用电加热向水路系统中加入热量. 同时, 被测机组风侧换热器向空气中排热, 为了维持测试工况条件, 空气处理机 组需要对室外侧测试房间进行降温. 热泵测试工况时, 被测机使水由 40 升为 45, 为了使进水温度维持在 40, 则必须开启冷水机组降低进水温度. 同时, 被测机组风侧换热器从空气中吸热, 为了维持测试工况条件, 空气处理机组需要对室外侧测试房间进行电加热升温. 一边需要冷却, 另一边需要加热, 为了能够充分利用现有冷热源, 节省能量, 本文对常规测试系统做了如下改进 : 在室外侧空气处理机中设置一个表冷器, 在水系统中增设冷却水换热旁通, 原理见图 3. 在管路上设置旁通管路, 通过电动阀调节进入表冷器的水流量来调节表冷器的换热量. 图 3 改进后水系统制冷测试工况时, 将被测机组的出水先通过设置在室外侧空气处理机内的表冷器吸收一部分室外侧空气中的热量, 再通过水路系统中的加热器控制被测机进口水温. 不仅使供水系统中的加热负荷减少, 而且也减少了室外侧空气处理机冷负荷. 热泵测试工况时, 将被测机组的出水先通过设置在室外侧空气处理机内的表冷器加热室外侧空气, 再通过水水换热器及加热器控制到被测机进口水温, 这样不仅冷水机组的运行功率或台数可以减少 ; 而且室外侧空气处理机组加热器负荷也相应减少. 总的改进结果是减少了室外侧空气处理机运行负荷, 节省了能量. 3 改进后测试工况节能分析 3 1 制冷工况分析 分析计算水路加热器加热负荷为 Q wr2 =C w G L ρ w (t 4 -t 1 )/1000=0 897kW (15) 表冷器负荷为 Q b =Q w -Q wr2 -Q e1 = Q e1 = Q e1 (16)

4 1070 东南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷 室外侧被测空调间内的冷负荷为 Q 02 =Q f -Q b -Q e2 =36 94-( Q e1 )- Q e2 = Q e1 -Q e2 (17) 有无表冷器对比由计算分析可知, 改进前后水路电加热器输入功率可减小 ( 忽略水管路上的漏热量 ) 为 ΔQ wr =Q wr1 -Q wr2 =(24 87-Q e1 )-0 897= kW (18) 室外侧被测空调间内的冷负荷减小 ( 忽略水管路上及测试房间的漏热量 ) 为 ΔQ 0 =Q 01 -Q 02 =(36 94-Q e2 )- ( Q e1 -Q e2 )=23 973kW (19) 水冷冷风型空调机名义制冷量在 1 4 ~2 8 kw 时其能效比 EER =2 75 [11], 将室外侧被测空调间内减小的冷负荷折算成该房间工况空调机组的输入电能量为 ΔQ 0 =ΔQ 0 /EER =23 973/2 75=8 72 (20) 总节能为 ΔQ =ΔQ wr +ΔQ 0 =32 69kW (21) 3.2 热泵工况分析 分析计算冷媒水加热器加热负荷为 Q wr2 =C w G L ρ w (t 4 -t 1 )/1000=1 11kW (22) 室外侧被测空调间内的加热负荷为 Q 02 =Q 01 -Q b =(20 26-Q e2 )-Q b = Q b -Q e2 (23) 有无表冷器对比水路电加热器主要是用于水路进口水温的补偿控制, 因此改进前后基本不变. 由计算可知, 室外侧被测空调间内的加热负荷减少 ( 忽略水管路上的漏热量 ) 为 ΔQ 0 =Q 01 -Q 02 =(20 26-Q e2 )- (20 26-Q b -Q e2 )=Q b (24) 若设测试间空气处理机组的加热器的加热负荷为 4kW 时室内侧测试房间工况稳定, 则由式 (23) 知表冷器换热量为 Q b =20 26-Q e2-4=16 26kW (25) 则总节能为 ΔQ =Q b =16 26kW (26) 因此, 从总的热负荷平衡关系可知, 在被测机组制热测试工况条件下, 适当地控制表冷器的进水流量可以节约能量. 而且, 减少了室外侧空气处理 系统的设备运行数量, 增加了试验的稳定性. 4 表冷器设计计算程序模块的编制 表冷器的设计应根据测试系统不同测试工况条件下所需的最大换热量来进行. 由上述分析知, 制冷测试工况条件下起节能作用的表冷器的换热量要大于在热泵测试工况条件下的换热量, 因此表冷器的设计换热量根据制冷工况下的条件来进行. 表冷器的设计风量 G 为室外侧空气处理机组的风机循环风量, 表冷器设计进口空气参数为制冷测试工况条件下的干湿球参数, 即 t 1 =35, 表冷器的设计进口水温 t w1 =7 设计出口水温 t w2 =12, 设计水流量 L w 为冷媒水泵的额定流量, 表冷器设计计算程序模块的流程见图 4. 图中,L w 为进入表冷器的水流量 ;t w1,t w2 分别为表冷器进出水温度 ;G 为循环风量 ;t 1,t s1 分别为进口空气干湿球温度 ;Q w 为水侧换热量, 空气侧设计换热量等于水侧换热量 Q w ;h 2 为出口空气焓值, 由 Q w,g 及进口空气焓值 h 1 计算而得 ;t 2,t s2 分别为出口空气的干湿球温度, 由出口空气的含湿量 D 及 h 2 算得 ;E 为通用热交换效率 ;V y 为假设的表冷器的迎面风速 ; F y 为与 V y 对应的表冷器迎风面积. 图 4 表冷器设计计算程序模块 5 结语 以 25kW 制冷量 ( 制热量为 32kW) 的风冷冷热水机组的常规测试系统为例进行了系统能量分析计算, 针对该测试系统在能耗方面的不足, 提出在室外侧测试间空气处理系统中设置一个表冷器, 在测试系统的水路系统中设置一个冷却水换热器, 对其进行节能改进设计, 并且编写了表冷器的设计

5 第 6 期 徐卫荣, 等 : 风冷冷热水机组性能测试系统节能运行分析及改进 1071 计算程序模块. 由试验与计算分析可得 : 制冷测试工况时, 系统中增设的表冷器可减少室外侧空气处理系统工况机的电耗以及冷媒水加热器的电耗总共达 32kW; 热泵测试工况时, 通过适当控制表冷器的开度和冷却水换热器的冷却水流量, 可以不运行冷水机组就能达到水系统的热平衡, 使室外侧测试房间内的空气处理机组以及冷水机组电耗总共减少了 16kW. 改进后的风冷冷热水测试系统虽然对控制系统要求有所提高以及增加了表冷器的初投资费用, 但室外侧空气处理系统中的工况机组容量可以相应减少, 同时测试系统运行费用大大降低, 从长期运行的角度看, 既节约能源又可以获得很好的经济效益, 具有很大的实用价值. 参考文献 (References) [1] ZhangJ,WangRZ,WuJY.Systemoptimizationand experimentalresearchonairsourceheatpumpwater heater[j]. AppliedThermalEngineering,2007,27 (4): [2]DingYanjun,ChaiQinhu,MaGuoyuan,etal.Experi mentalstudyofanimprovedairsourceheatpump[j]. EnergyConversionandManagement,2004,45(15/ 16): [3] 全国冷冻设备标准化技术委员会.GB/T 蒸汽压缩循环冷水 ( 热泵 ) 机组 : 户用和类似用途的冷水 ( 热泵 ) 机组 [S]. 北京 : 中国标准出版社, [4]FuLin,JiangYi,YuanWeixing,etal.Influenceofre turnwatertemperaturesontheenergyconsumptionofa districtcoolingsystem [J].AppliedThermalEngineer ing,2001,21(1): [5] 顾念祖. 制冷机组的模糊综合评价和优化选择 [J]. 东南大学学报 : 自然科学版,1998,28( 增刊 ): GuNianzu.Fuzzymultifactorialevaluationandoptimi zationofchilerunits[j].journalofsoutheastuniver sity:naturalscienceedition,1998,28(sup): (inchinese) [6] YuFW,ChanKT.Advancedcontrolofheatrejection airflowforimprovingthecoeficientofperformanceof air2cooledchilers[j].appliedthermalengineering, 2006,26(1): [7]HosozM,DirekM.Performanceevaluationofaninte gratedautomotiveairconditioningandheatpumpsystem [J].EnergyConversionandManagement,2006,47 (5): [8]JiJie,PeiGang,ChowTin tai,etal.performanceof multi functionaldomesticheat pumpsystem [J].Ap pliedenergy,2005,80(3): [9] YaoYang,JiangYiqiang,DengShiming.A studyon theperformanceoftheairsideheatexchangerunder frostinginanairsourceheatpumpwater/chilerunit [J].InternationalJournalofHeatandMasTransfer, 2004,47(17/18): [10]Kim Minsung,KimMinSoo,ChungJaeDong.Tran sientthermalbehaviorofawaterheatersystem driven byaheaterpump[j].internationaljournalofrefrig eration,2004,27(4): [11] 全国冷冻设备标准化技术委员会.GB/T 单元式空气调节机 [S]. 北京 : 中国标准出版社,1999.

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