李彥軍 陳向陽(yáng) 郭艷萍 黃耀華 徐曉昂

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 江蘇南京 210007）

1 前言

隨著環(huán)境、氣候的急劇變化，節(jié)能、減排、降耗已成為人類發(fā)展的必經(jīng)之路。在國(guó)家制定“2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰”、“2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的背景下，在建筑節(jié)能領(lǐng)域，占其能耗較大的熱泵機(jī)組的節(jié)能降耗尤為重要，備受研究者重視。

我國(guó)是空調(diào)器產(chǎn)品的制造大國(guó)，全球近80%的空調(diào)器是中國(guó)制造[1]。由于企業(yè)和第三方機(jī)構(gòu)投入大量的試驗(yàn)設(shè)備用于空調(diào)器的研發(fā)和試驗(yàn)，因此空調(diào)器試驗(yàn)裝置的節(jié)能也是空調(diào)制造業(yè)節(jié)能減排的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，空調(diào)制冷設(shè)備的性能測(cè)試主要依靠環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，大量研究者對(duì)焓差實(shí)驗(yàn)法測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了多方面的研究[2-7]。焓差實(shí)驗(yàn)室室外側(cè)測(cè)試間為被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備外機(jī)提供所需工況，室內(nèi)側(cè)測(cè)試間為被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備內(nèi)機(jī)提供所需工況。傳統(tǒng)空氣焓差試驗(yàn)室的測(cè)試房間工況是通過(guò)電加熱和壓縮冷凝機(jī)組分別提供的熱源和冷源進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，并最終達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的穩(wěn)定工況。這種直接用電加熱或壓縮冷凝機(jī)組提供熱量或冷量，來(lái)穩(wěn)定和控制測(cè)試房間環(huán)境的方法，因具有方便快捷、工況穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。焓差試驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中，要求測(cè)試機(jī)組水側(cè)和風(fēng)側(cè)保持穩(wěn)定運(yùn)行工況，機(jī)組測(cè)試時(shí)制熱（冷）量需要提供冷熱源進(jìn)行平衡，測(cè)試能耗較大，且被試機(jī)能量越大，測(cè)試能耗越高。隨著被試空調(diào)器制冷（熱）量的增加，此調(diào)節(jié)方法暴露出較大弊端，即需要投入大量設(shè)備，且消耗大量電力，不利于節(jié)能環(huán)保。

近年來(lái)，部分研究者采用不同方法來(lái)回收利用制冷設(shè)備測(cè)試中產(chǎn)生的熱量或冷量。例如，中國(guó)建筑科學(xué)研究院建設(shè)出300kW的冷水機(jī)組+高溫?zé)岜?電加熱系統(tǒng)的焓差實(shí)驗(yàn)室，節(jié)省全年運(yùn)行費(fèi)用22萬(wàn)元[8]；李敏等[9]設(shè)計(jì)的焓差實(shí)驗(yàn)室，能夠回收利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的冷量和熱量，但不足之處在于，其只能用于被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備為風(fēng)冷冷風(fēng)式單元式空調(diào)器的情況，而無(wú)法滿足其他類型的測(cè)試要求。

因此，如何在多種工況條件、多種被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備類型的情況下，有效實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

本文提出一種能量回收型空調(diào)制冷設(shè)備焓差實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室能夠在為被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備提供所需模擬環(huán)境的情況下，回收和再利用試驗(yàn)中產(chǎn)生的熱量和冷量，有效降低能耗，且適用于多種被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備類型。

2 試驗(yàn)臺(tái)節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 能量回收系統(tǒng)

能量回收型空調(diào)制冷設(shè)備焓差實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。

該實(shí)驗(yàn)室包括室內(nèi)側(cè)測(cè)試間、室外側(cè)測(cè)試間、連接室內(nèi)側(cè)測(cè)試間與室外側(cè)測(cè)試間的能量回收系統(tǒng)。能量回收系統(tǒng)包括第1能量回收系統(tǒng)、第2能量回收系統(tǒng)和第3能量回收系統(tǒng)。

第1能量回收循環(huán)系統(tǒng)包括：位于室外側(cè)測(cè)試間的室外側(cè)換熱器、位于室內(nèi)側(cè)測(cè)試間的室內(nèi)側(cè)換熱器。室內(nèi)側(cè)換熱器與室外側(cè)換熱器能夠通過(guò)管道構(gòu)成循環(huán)回路。

第2能量回收循環(huán)系統(tǒng)包括：換熱水箱、板式換熱器。第1和第2能量回收系統(tǒng)能夠通過(guò)板式換熱器完成2個(gè)回路間的能量轉(zhuǎn)換。

第3能量回收循環(huán)系統(tǒng)包括：換熱水箱、室內(nèi)（或室外）樣機(jī)。第2和第3能量回收系統(tǒng)能夠通過(guò)換熱水箱完成2個(gè)回路間的能量轉(zhuǎn)換。

2.2 節(jié)能原理

當(dāng)被試機(jī)組進(jìn)行制冷工況測(cè)試時(shí)，為維持室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，需要電熱系統(tǒng)提供相當(dāng)于被試機(jī)制冷量大小的熱量進(jìn)行補(bǔ)充；為維持室外側(cè)測(cè)試間內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，需要配備制冷系統(tǒng)提供相當(dāng)于被試機(jī)冷凝熱大小的熱量進(jìn)行平衡。

室外側(cè)測(cè)試間室外側(cè)能量回收換熱器，能夠吸收被測(cè)機(jī)冷凝器排出的冷凝熱，通過(guò)循環(huán)管道將熱量轉(zhuǎn)移至室內(nèi)側(cè)測(cè)試間室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器，再通過(guò)室內(nèi)側(cè)送風(fēng)機(jī)將室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器中的熱量釋放至測(cè)試間。

同理，當(dāng)被試機(jī)組進(jìn)行制熱工況測(cè)試時(shí)，為維持室外側(cè)測(cè)試間內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，需要電熱系統(tǒng)提供相當(dāng)于被試機(jī)制冷量大小的熱量進(jìn)行補(bǔ)充；為維持室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，需要配備制冷系統(tǒng)提供相當(dāng)于被試機(jī)冷凝熱大小的熱量進(jìn)行平衡。

室內(nèi)側(cè)測(cè)試間室外側(cè)能量回收換熱器，能夠吸收被測(cè)機(jī)冷凝器排出的冷凝熱，通過(guò)循環(huán)管道將熱量轉(zhuǎn)移至室外側(cè)測(cè)試間室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器，再通過(guò)室外側(cè)送風(fēng)機(jī)將室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器中的熱量釋放至測(cè)試間。

因此，將被試機(jī)冷凝器釋放的熱量轉(zhuǎn)移至室外側(cè)測(cè)試間，既能夠減少室外側(cè)測(cè)試間的電加熱量，又能夠減少室內(nèi)側(cè)平衡冷凝熱而開(kāi)啟制冷機(jī)組所消耗的電量，從而達(dá)到室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)雙效節(jié)能的綜合效果。

2.3 節(jié)能模式

2.3.1 節(jié)能模式1

當(dāng)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備為風(fēng)冷冷風(fēng)式單元式空調(diào)器時(shí)，室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備內(nèi)機(jī)制冷，通過(guò)閥門啟閉，室外側(cè)測(cè)試間內(nèi)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備外機(jī)釋放出熱量，被室外側(cè)能量回收換熱器吸收。通過(guò)閥門和管道吸收熱量轉(zhuǎn)移至室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器，再通過(guò)送風(fēng)機(jī)釋放至室內(nèi)側(cè)測(cè)試間，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。如圖1所示，關(guān)閉閥11、閥18，能量回收選用第1能量循環(huán)回路，流程為：

當(dāng)室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備內(nèi)機(jī)制熱時(shí)，室內(nèi)側(cè)能量回收換熱器吸收被試機(jī)釋放的熱量，通過(guò)閥門和管道將吸收熱量轉(zhuǎn)移至室外側(cè)能量回收換熱器，再通過(guò)送風(fēng)機(jī)釋放至室外側(cè)測(cè)試間，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。如圖1所示，關(guān)閉閥11、閥18，能量回收選用第1能量循環(huán)回路，流程為：

2.3.2 節(jié)能模式2

當(dāng)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備為水冷冷風(fēng)式單元式空調(diào)器時(shí)，通過(guò)閥門啟閉，室外側(cè)測(cè)試間內(nèi)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備外機(jī)釋放出熱量，室外側(cè)能量回收換熱器吸收熱量，通過(guò)室外側(cè)能量回收換熱器與循環(huán)管道中的板式換熱器進(jìn)行熱量交換。室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)的被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備內(nèi)機(jī)制冷后，攜帶冷量的低溫水通過(guò)閥2進(jìn)入換熱水箱，與第2能量回收循環(huán)中的板式換熱器，吸收來(lái)自第1能量回收循環(huán)中室外機(jī)釋放的冷凝熱，在換熱水箱中完成熱量交換。之后高溫水再通過(guò)閥1送回室內(nèi)側(cè)測(cè)試間內(nèi)的被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備內(nèi)機(jī)，完成一次完整的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)能量回收。如圖1所示，關(guān)閉閥10、閥12和閥18，能量回收第1能量循環(huán)回路，流程為：

如圖1所示，能量回收第2能量循環(huán)回路，流程為：

開(kāi)啟閥1、閥2，分別連接被測(cè)樣機(jī)室內(nèi)機(jī)出水管、進(jìn)水管，并關(guān)閉閥27、閥28，能量回收第3能量循環(huán)回路，流程為：

2.3.3 節(jié)能模式3

當(dāng)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備為風(fēng)冷冷水式單元式空調(diào)器時(shí)，通過(guò)閥門啟閉，室外側(cè)測(cè)試間內(nèi)的被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備外機(jī)制熱后，攜帶熱量的高溫水通過(guò)閥27進(jìn)入換熱水箱。在換熱水箱中，室外機(jī)冷凝熱釋放后的中溫水一支路通過(guò)閥28回到室外側(cè)樣機(jī)，另一部分中溫水則由另一支路進(jìn)入第2能量回收循環(huán)。第2能量回收循環(huán)中的中溫水在板式換熱器中，將熱量傳遞至第1能量回收循環(huán)。第1能量回收循環(huán)獲得的熱量在室內(nèi)側(cè)換熱器中通過(guò)送風(fēng)機(jī)釋放給室內(nèi)側(cè)測(cè)試間，完成一次完整的熱量循環(huán)，實(shí)現(xiàn)能量回收。如圖1所示，開(kāi)啟閥27、閥28，分別連接被測(cè)樣機(jī)室外機(jī)出水管、進(jìn)水管，并關(guān)閉閥1、閥2，能量回收第3能量循環(huán)回路，流程為：

試驗(yàn)樣機(jī)室外機(jī)→27→17→16→28→試驗(yàn)樣機(jī)室外機(jī)

如圖1所示，能量回收第2能量循環(huán)回路，流程為：

關(guān)閉閥11、閥12和閥19，開(kāi)啟閥10、閥18，能量回收第1循環(huán)回路，流程為：

其中，根據(jù)被測(cè)試空調(diào)制冷設(shè)備的測(cè)試要求，循環(huán)回路內(nèi)可循環(huán)流通的介質(zhì)可為水、乙二醇或鹽水，以滿足不同工況要求下，能量循環(huán)的回收利用。

各節(jié)能模式可以根據(jù)測(cè)試機(jī)型和試驗(yàn)工況進(jìn)行選擇，通過(guò)電動(dòng)閥的切換，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)能模式的運(yùn)行，乙二醇循環(huán)泵采用變頻調(diào)節(jié)熱回收換熱量。

2.4 節(jié)能實(shí)驗(yàn)臺(tái)特點(diǎn)

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能夠在滿足不同類型（風(fēng)冷冷風(fēng)式、水冷冷風(fēng)式、風(fēng)冷冷水式等空調(diào)機(jī)）被測(cè)試樣機(jī)的工況條件下，回收和利用試驗(yàn)中產(chǎn)生的熱量和冷量，有效降低測(cè)試能耗。

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)室內(nèi)側(cè)風(fēng)閥放置于室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)前端，當(dāng)室內(nèi)側(cè)風(fēng)閥開(kāi)啟時(shí)，處理的空氣不經(jīng)過(guò)室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器，而是直接參與空氣循環(huán)，使經(jīng)過(guò)室內(nèi)側(cè)蒸發(fā)器處理過(guò)的空氣流量變少。當(dāng)室內(nèi)側(cè)制冷能力變化處于較小范圍，該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)小風(fēng)量大焓差增強(qiáng)除濕的效果。

從空氣處理角度，被處理空氣先經(jīng)過(guò)室內(nèi)（外）側(cè)盤管，再經(jīng)過(guò)室內(nèi)（外）側(cè)蒸發(fā)器，之后進(jìn)行加熱加濕通過(guò)室內(nèi)（外）側(cè)風(fēng)機(jī)排出，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

室內(nèi)（外）側(cè)送風(fēng)孔板均采用非均勻孔板，開(kāi)孔率沿空氣流動(dòng)方向逐漸減小，可以平衡氣流壓力差，使風(fēng)從測(cè)試間空氣處理設(shè)備的風(fēng)機(jī)排出進(jìn)入風(fēng)道后，沿送風(fēng)風(fēng)道通過(guò)孔板送風(fēng)口時(shí)，送風(fēng)均勻。

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用節(jié)能模式2：進(jìn)行水風(fēng)型機(jī)組測(cè)試時(shí)（如水冷單元式空調(diào)機(jī)、風(fēng)機(jī)冷熱水空調(diào)），水側(cè)制冷（熱）過(guò)程中，風(fēng)側(cè)必然會(huì)進(jìn)行制熱（冷），這樣，通過(guò)水—乙二醇換熱器、熱回收盤管將被測(cè)機(jī)組水側(cè)冷（熱）量和風(fēng)側(cè)制熱（冷）量進(jìn)行熱交換，可以有效降低維持工況平衡需要投入的冷熱源，降低能耗。

測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證如下：進(jìn)行名義制冷量130 kW風(fēng)冷冷水機(jī)組名義制冷工況，實(shí)測(cè)被試機(jī)制冷量105.06 kW，機(jī)組功率43.16 kW（進(jìn)水溫度10.98℃，出水溫度6.96℃，水流量22.4 m3/h），即水側(cè)制冷量為105.06 kW，風(fēng)側(cè)放熱量為148 kW。

若不考慮節(jié)能，水側(cè)需要105 kW電加熱量平衡機(jī)組制冷量，風(fēng)側(cè)需要148 kW制冷機(jī)組制冷量平衡機(jī)組風(fēng)側(cè)放熱量。

采用節(jié)能系統(tǒng)后，將機(jī)組6.96℃出水和熱回收系統(tǒng)中乙二醇換熱，降低乙二醇溫度的同時(shí)出水溫度升高，乙二醇溫度降低后在熱回收盤管中循環(huán)，能夠降低環(huán)境間溫度。由此，平衡機(jī)組水側(cè)制冷量和風(fēng)側(cè)換熱量需要投入的冷熱源可以大大降低。試驗(yàn)過(guò)程中，節(jié)能后的溫度為10.6℃，即機(jī)組制冷時(shí)將10.98℃進(jìn)水降溫至出水溫度6.96℃，通過(guò)節(jié)能將6.96℃水升溫至10.6℃，節(jié)能換熱量約9 4kW，即105 kW制冷量通過(guò)節(jié)能后換熱量為94 kW，水側(cè)平衡需熱量和風(fēng)側(cè)平衡需冷量各減少94 kW，可見(jiàn)節(jié)能效果顯著。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種能量回收型空調(diào)制冷設(shè)備焓差實(shí)驗(yàn)室。該設(shè)計(jì)能夠滿足不同類型被測(cè)試機(jī)在多種工況條件下的測(cè)試需求，回收和利用試驗(yàn)中產(chǎn)生的熱量和冷量。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該測(cè)試系統(tǒng)能夠有效降低測(cè)試能耗，節(jié)能效果顯著。