（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

新風空調機組［1-2］是空調系統(tǒng)中的一種重要設備，在溫濕度獨立控制［3-5］的空調系統(tǒng)中，為了獲得較低的送風露點，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度往往較低，這制約了系統(tǒng)效率的提高。而雙吸氣空調壓縮機，將常規(guī)的雙缸壓縮機2個吸氣口獨立引出，可以在一個制冷系統(tǒng)中實現2個不同蒸發(fā)溫度的制冷循環(huán)［6-7］。而將此系統(tǒng)應用于新風處理，將空氣處理過程分為2段，用2個制冷循環(huán)分別處理，可以顯著提高系統(tǒng)效率。張蕾等［6］將雙蒸發(fā)溫度壓縮機應用于家用空調新風系統(tǒng)。本文在該壓縮機的基礎上設計一款可以對比單蒸發(fā)溫度和雙蒸發(fā)溫度試驗的新風機組，用于研究在新風工況下雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的運行性能。

1 雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)工作原理

一般的大容量轉子壓縮機有2個壓縮氣缸，共用一根曲軸，兩個氣缸進出口在壓縮機內部并聯，壓縮機對外只有一個吸氣口和排氣口，如圖1所示。而雙吸氣壓縮機的2個氣缸只有出口在內部并聯，2個氣缸吸氣口獨立引出，因此壓縮機對外有一個排氣接口，2個吸氣接口，相當于2臺排氣并聯的壓縮機同時工作，可接2個不同蒸發(fā)溫度的蒸發(fā)器，從而形成高低兩級蒸發(fā)溫度，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)

圖2 雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)

雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)在制冷工況時的壓焓如圖3所示。其制冷循環(huán)原理為：高低2個蒸發(fā)壓力的制冷劑氣體出蒸發(fā)器口，分別進入雙吸氣壓縮機的低高壓氣缸，進行壓縮，然后通過冷凝器冷卻成制冷劑液體，再分成2路，一路經低壓級膨脹閥EEV2進入低壓級蒸發(fā)器EX2內蒸發(fā)，另一路則經過高壓級膨脹閥EEV1進入高壓級蒸發(fā)器EX1內蒸發(fā)，蒸發(fā)后制冷劑氣體分別從各自的壓縮機吸氣口完成循環(huán)。與單一蒸發(fā)溫度的制冷系統(tǒng)相比，雙蒸發(fā)系統(tǒng)低壓缸的工作狀態(tài)與單蒸發(fā)系統(tǒng)相同，而高壓側的制冷劑單位容積制冷量和制冷效率明顯提高，從而使整個系統(tǒng)的能效得以提升。

圖3 雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)壓焓

雙蒸發(fā)新風系統(tǒng)焓濕圖如圖4所示。室外新風（狀態(tài)點W）首先通過高壓級蒸發(fā)器冷卻（狀態(tài)點L'）再通過低壓級蒸發(fā)器進一步冷卻除濕達到露點送風狀態(tài)（狀態(tài)點L）。由于高壓級蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度較高，高壓級蒸發(fā)器與空氣側的平均換熱溫差小，同時進入低壓級蒸發(fā)器的空氣溫度較低，低壓級蒸發(fā)器與空氣側換熱溫差也較小，因此與常規(guī)單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)相比，制冷系統(tǒng)的熵增明顯降低。

圖4 雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)焓濕圖

2 雙蒸發(fā)系統(tǒng)理論分析

為了探究雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的性能，對雙蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)進行理論分析，并與傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)作對比。

2.1 高低壓級蒸發(fā)溫度差對制冷循環(huán)的影響

雙蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)的制冷量和耗功量應為高壓級和低壓級制冷循環(huán)的制冷量之和，耗功量之和。雙蒸發(fā)系統(tǒng)的制冷量和能效比計算式如下：

式中Qd——雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)高低壓氣缸一次壓縮制冷量，kJ；

，L——高壓級和低壓級氣缸容積，m3；

qvH，qvL——高壓級和低壓級制冷循環(huán)制冷劑的單位容積制冷量，kJ/m3；

vH，vL——高壓級和低壓級制冷循環(huán)制冷劑的吸氣比容，m3/kg；

COPd——雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)能效比；

wH，wL——高壓級和低壓級制冷循環(huán)制冷劑的單位質量耗功量，kJ/kg。

對于單蒸發(fā)溫度制冷循環(huán)的理論計算，因單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度與雙蒸發(fā)系統(tǒng)低壓級蒸發(fā)溫度相同，其計算公式基本相同：

式中Qs——單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)氣缸一次壓縮制冷量，kJ；

COPs——單蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)能效比。

在相同低壓級蒸發(fā)溫度0，5，10 ℃、冷凝溫度50 ℃、固定高低壓氣缸容積比下，改變高低壓級蒸發(fā)溫度差，結果如圖5，6所示。從中可以看出隨著高低壓兩級蒸發(fā)溫度差增大，雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)與單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)的制冷量和COP比值都逐漸增大，例如在低壓級蒸發(fā)溫度為5 ℃，當高低壓級溫差10 ℃時，制冷量和COP比值分別為1.192和1.197，而當高低壓級溫差為15 ℃時，比值分別為1.309和1.339。且在相同的高低壓級溫差下，低壓級蒸發(fā)溫度越高，制冷量比值越低，COP比值越高。因此，大焓差冷卻過程，采用雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)，其兩級蒸發(fā)溫度差較大，可以獲得較高制冷量的增加和COP的提高。新風空氣處理系統(tǒng)進出口焓差比較大，適合雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的應用。

圖5 高低壓級蒸發(fā)溫度差對制冷量的影響

圖6 高低壓級蒸發(fā)溫度差對COP的影響

2.2 冷凝溫度對制冷循環(huán)的影響

在相同低壓級蒸發(fā)溫度5 ℃、高壓級蒸發(fā)溫度15 ℃及固定高低壓氣缸容積比下，改變冷凝溫度，結果如圖7所示。從中可以看出，隨著冷凝溫度的升高，雙蒸發(fā)系統(tǒng)與單蒸發(fā)系統(tǒng)制冷量的比值基本維持在1.19左右，而COP比值逐漸減小，從冷凝溫度30 ℃的1.347變?yōu)?0 ℃時的1.197。冷凝溫度的提高對制冷循環(huán)的制冷量的影響很小，但會增加系統(tǒng)的耗功量，導致系統(tǒng)的COP減小，而在較低的冷凝溫度下，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的耗功量比單蒸發(fā)系統(tǒng)低很多，導致在較低的冷凝溫度下，系統(tǒng)COP的增加比率會很高。

圖7 冷凝溫度對雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)的影響

2.3 高低壓級氣缸容積比對制冷循環(huán)的影響

保證雙蒸發(fā)溫度新風機組進出口空氣狀態(tài)（進口：溫度34.6 ℃，濕度62%；出口：溫度10 ℃，濕度90%），制冷劑側低壓級蒸發(fā)溫度取5 ℃，假設空氣側高壓級蒸發(fā)器的出口空氣溫度比高壓級蒸發(fā)溫度高5 ℃，確定高壓級蒸發(fā)器的空氣處理后狀態(tài)（相對濕度90%）。便可求出高低壓級蒸發(fā)器的所供冷量：

式中QaH，QaL——高低壓級蒸發(fā)器所供制冷量，kW；

ma——新風的干空氣質量流量，kg/s；

h1，hm，h2——機組進口、高壓級蒸發(fā)器出口、低壓級蒸發(fā)器出口空氣焓值，kJ/kg。

假設高低壓級蒸發(fā)器空氣側與制冷劑側的換熱量相等，則高低壓級氣缸容積比為：

系統(tǒng)在此高低壓氣缸容積比下的能效比為：

式中 εH，εL——高壓級和低壓級制冷循環(huán)的能效比。

圖8示出在不同的高低壓氣缸容積比下，冷凝溫度分別為35，45，55 ℃時，雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)COP的變化。從圖中可以看出隨著氣缸容積比的增大，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的COP呈現先增大后減小的趨勢，冷凝溫度越高，系統(tǒng)COP越低，但在固定的冷凝溫度下，COP的最大值都集中在氣缸容積比為0.8～1.3附近見表1。在實際新風系統(tǒng)的應用中，高壓級蒸發(fā)溫度的提高提升了高壓級的制冷效率，但降低了高壓級制冷量的需求，因此存在最佳高低壓氣缸容積比和高壓級蒸發(fā)溫度，使雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)的制冷效率最高。

圖8 高低壓氣缸容積比對雙蒸發(fā)系統(tǒng)COP的影響

表1 45 ℃不同氣缸容積比下能效比的變化

3 雙蒸發(fā)溫度新風機組性能測試

3.1 樣機測試

該雙蒸發(fā)溫度新風機組選用的是某雙吸氣變頻雙轉子壓縮機，排氣量為20 mL/r，兩氣缸容積大小相同，使用的制冷劑為R410A，該新風機組的系統(tǒng)示意如圖9所示。樣機空氣處理部分有2個串聯的蒸發(fā)器，空氣首先經過高壓級蒸發(fā)器初次冷卻，再進入低壓級二次冷卻，從2個蒸發(fā)器出來的制冷劑分別進入壓縮機的2個氣缸。為了對比傳統(tǒng)單吸氣壓縮機，在2個氣缸的進口設置了平衡閥，當平衡閥打開時，該壓縮機就處于傳統(tǒng)單蒸發(fā)溫度的工作模式。

圖9 雙蒸發(fā)溫度新風機組系統(tǒng)示意

樣機機組在焓差實驗室內進行性能測試。機組的冷凝機組被放置在室外工況室，空氣處理部分都被放置在室內工況室。通過室內和室外工況室的空氣調節(jié)系統(tǒng)，將室內外工況室的溫濕度均控制在34.6 ℃，62%。機組的空氣進風狀態(tài)，高壓級蒸發(fā)器出口空氣狀態(tài)由焓差室的取樣裝置測量，低壓級蒸發(fā)器出口狀態(tài)由溫濕度傳感器測量，機組的制冷量和送風量通過焓差室內的本體風量裝置測量，機組的耗電量則通過焓差室的電參數儀測量。

3.2 相同運行頻率狀態(tài)下性能對比分析

在試驗中，首先關閉平衡閥，新風機組在雙蒸發(fā)溫度的工作模式下運行時，壓縮機的頻率和送風機的風量分別為55 Hz，330 m3/h。通過調整高低壓電子膨脹閥的開度，使高低壓級蒸發(fā)器出口的過熱度達到5 ℃。該機組穩(wěn)定運行1 h后，記錄數據。然后打開平衡閥，，機組切換為單蒸發(fā)系統(tǒng)模式，保持機組的頻率和風量不變，進行測試。相同運行頻率狀態(tài)下性能對比如表2所示。

表2 相同運行頻率狀態(tài)下性能對比

從表2可以看出，雙蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，高低溫蒸發(fā)溫度分別為14.9，8.4 ℃，高低溫蒸發(fā)器產生的冷量分別為3.6，2.78 kW，COP為3.88，與單蒸發(fā)系統(tǒng)相比，制冷量高8.1%，COP高9.3%，消耗功率基本不變。且雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)的出風露點溫度低了2.4 ℃，除濕效果更好。

3.3 定空氣出口狀態(tài)下性能對比分析

為了更直觀地對比分析雙蒸發(fā)溫度和單蒸發(fā)溫度系統(tǒng)特性，改變機組的運行頻率，進行定出風溫度試驗。試驗中，風量設定為330 m3/h，維持機組的出風溫度為13 ℃，試驗結果見表3。結果表明，相同的壓縮機單蒸發(fā)溫度模式下壓縮機55 Hz運行頻率下空氣處理能力，在切換到雙蒸發(fā)溫度模式下，只需45 Hz就可以實現，耗功率降低了17%。

表3 定空氣出口狀態(tài)下性能對比

4 結論

（1）雙蒸發(fā)溫度制冷系統(tǒng)隨著高低壓級蒸發(fā)溫度差的升高，雙蒸發(fā)系統(tǒng)較單蒸發(fā)系統(tǒng)的制冷量和COP增長比率逐漸升高，比較適合新風大焓差的空氣處理過程。串列式雙蒸發(fā)溫度新風系統(tǒng)在一定應用場合，高低壓級兩個壓縮過程存在最佳容積比使系統(tǒng)的效率最高，通常情況下，在高低壓容積比0.8～1.3的情況下，系統(tǒng)COP最高。

（2）同一樣機對比試驗表明，在新風工況下，雙蒸發(fā)系統(tǒng)的45 Hz的工作頻率就可以獲得單蒸發(fā)系統(tǒng)55 Hz的制冷量，樣機功率降低17%。