空调实验室制冷系统的设计

戴永峰

（徐州原土建筑设计有限公司，江苏 徐州221006）

0 引 言

据调查，建筑总面积不足我国城镇民用建筑面积5%的大型公共建筑，其用电量约占我国建筑用电量的1／4，其中50%以上电耗用于中央空调，因此研究降低大型公共建筑空调系统能耗非常重要［1］，而风机盘管是半集中式空调系统中不可缺少的重要装置，主要用来与空调房间进行冷 （热）量交换，以满足空调房间负荷的需要［2］.文献［3－4］均采用变冷水温度的方式（也就是质调节）来满足测试要求，这种方式调节起来非常复杂而且技术不成熟.本文在对制冷机间歇工作.冷热水掺混、变频工作等3种制冷系统的对比分析后，选择并设计了变频控制制冷系统作为空调实验室的制冷系统，实验室风机盘管全工况性能测试系统采用传统的量调节方式，满足实验室测试条件要求，也符合常规教学需求.

1 制冷系统方案比较

风机盘管实验室用于对风机盘管进行冷、热工况实验.即对风机盘管在制热或制冷状态下，测量其制冷量和风量，用于检验风机盘管的性能.冷工况时空调小室的温度为（27±0.1）℃，湿球温度为（19.5±0.1）℃，风机盘管内通（7±0.1）℃的冷水.热工况时空调小室的温度为（21±0.1）℃，风机盘管内通（60±0.1）℃的热水.根据风机盘管内的流量和进出水温差，可求知该风机盘管的制冷量或制热量.通过椭圆喷嘴测量风机盘管的风量，同时根据风机盘管进出口设置的干、湿球温度计，得出进出口空气状态的焓，这样从风侧也可以得出风机盘管的制冷量.从空调实验室制冷原理［5］可知，冷、热工况均需要一个温度恒定的冷热源.本实验室的冷源采用变频控制制冷系统，热源采用电加热热水系统.

单台风机盘管所需的制冷量较小，市场上没有适于该制冷量的冷水机组，因此需设计相应的制冷系统.可采用的制冷系统工作形式有：（1）制冷机间歇工作；（2）制冷机不停机.将较低温的冷水与热水按一定比例掺混（简称冷、热水掺混）；（3）制冷机变频工作等3种形式.实验室制冷系统方案比较见表1.

表1 实验室制冷系统方案比较

从表1可以看出，前两种制冷系统的工作形式均为定速压缩机制冷系统，定速压缩机制冷系统的特点是：由于制冷量是按最大负荷匹配的，而系统全年满负荷工作时间只有10% ～20%，在大多数运转时间内系统的制冷量大于负荷.为了避免制冷温度低于所需温度，制冷系统一般采用停、开机的方法（即间歇工作）维持所需的制冷温度，这样就降低了系统的运转率，从而造成系统运转效率的降低和能耗的增加，实验表明，当运转率50%时，效率约降低15%［6］.

与采用定转速压缩机的制冷装置相比较，采用变频技术的制冷装置，由于可以实现制冷系统的制冷量与负荷的最佳匹配，所以减少了运转过程中的开、停机次数，在低负荷时压缩机的效率较高，因此节能效果十分明显.用全年总的运行效率进行比较（SEER），与采用定转速压缩机相比，采用变频技术的制冷系统效率可提高1／3.

制冷机变频工作可以实现冷水出水温度的恒定且制冷系统简单，虽然控制系统复杂，但结合本实验室的变频控制冷水系统，不论在教学上还是在实际应用中，都是可取的.

2 系统设计与安装调试

2.1 制冷系统及控制系统

考虑到实验室在不工作时，制冷系统也需要计算机房供冷，所以采用4台变频涡旋压缩机，电机功率均为2.2kW，组成4组独立的制冷系统.制冷系统由涡旋式压缩机、卧式壳管式冷凝器、干燥过滤器、电磁阀、热力膨胀阀、蒸发器（螺旋盘管）、气液分离器组成［7］.制冷剂为R22.系统中设置高低压控制器和高、低压压力表，用于保护压缩机和监控压缩机工作［8］.冷冻水系统为开式系统，蒸发器（螺旋盘管）浸没在冷水箱中.

制冷系统原理为制冷剂R22经压缩机压缩成高温高压的过热蒸气进入卧式管壳式水冷冷凝器，冷凝成高压常温液体后经干燥过滤器、电磁阀进入热力膨胀阀，经热力膨胀阀节流降压降温后，进入蒸发器，制冷剂液体在蒸发盘管内吸收冷冻水的热量而气化，气化后的制冷剂蒸气经气液分离器进入压缩机吸气端.

变频控制系统如图1所示，采用DDC控制系统，DI点14个，DO点4个，AI点3个，AO点2个.通常情况下制冷机组JZ1－3按给定频率（50～60Hz）工作，制冷机组JZ4始终变频工作.制冷系统开机前，首先向冷凝器通冷却水，此时，水流开关动作，计算机根据水流开关信号确定制冷机开机与否，若水流开关发出有水流信号，制冷系统电磁阀先打开，延迟1min后制冷压缩机开机.DDC计算机根据冷冻水的出水温度，通过变频器调节制冷压缩机的转速，当冷冻水出水温度与给定值偏差较大时，制冷机组JZ1－3的3台机组均按给定频率工作，制冷机组JZ4按最大频率工作；当冷冻水出水温度偏差小于某最大偏差时时，制冷机组JZ1－3中的1个或几个工作，制冷机组JZ4变频工作.水流开关无信号时，机组不能工作；高压高于给定值或低压低于给定值制冷系统停机.

2.2 设备选择

制冷系统采用变频涡旋压缩机，其特点是效率高，制冷量调节范围大（电机频率在30～130Hz范围内变化），由于水冷式冷凝器具有冷凝温度低、体积小等优点，系统采用水冷式冷凝器.同时，为保证不同季节冷却水系统均能正常工作，在冷却水进出水管上装有电动三通阀，保证冷却水进入冷凝器的温度在20℃以上.蒸发器采用厂家定型产品5P螺旋盘管.热力膨胀阀采用RF4内平衡式热力膨胀阀［9］.

2.3 安装与调试

图1 制冷系统DDC控制原理框图

在系统的安装过程中，螺纹接头处的喇叭口应光滑，不得有翻边、裂纹等缺陷，以免系统泄漏；布置管径较细的引压管时也不能随意弯曲，防止弯曲半径太小造成压扁堵塞甚至产生裂纹现象，导致压力表和高低压控制器指示错误和失灵；制冷剂的充注量应根据系统的实际情况，保证膨胀阀的供液充足，可以通过视液镜或听制冷剂的流动声判断膨胀阀前的供液是否充足；膨胀阀开度小和制冷剂充注量少均会造成低压压力低.同时，要注意热力膨胀阀的开阀方向，并应垂直安装.由阀杆确定阀的开启状态，顺时针为关，逆时针为开.

2.4 运行参数

涡旋变频压缩机由于采用了变频器，因此其转速随频率变化而产生不同的输气量，从而使制冷、制热量增大或减小，目前，变频压缩机运行范围一般 为30～115Hz.在高频，变频压缩机可以进一步提升运行频率的方式，使变频压缩机输出超过其额定能力.总体上看，变频压缩机可调节范围位于其额定能力的48%～104%之间.

表2为50Hz时制冷系统主要参数.从表2可以看出，当就频压缩机在50Hz运行时，实测其冷冻水的进出口水温为12／7℃，冷却水供回水温度为29.1／32.3℃，基本满足常规空调水系统的参数要求（冷冻水进出口水温为12／7℃，冷却水供回水温度为32／37℃）.

表2 50Hz时制冷系统主要参数

3 结束语

为了满足风机盘管实验室的温湿度要求，需要提供温度恒定的冷源，通过对比3种制冷系统的优缺点，选择并设计了变频控制制冷系统.在暑期测试中，变频控制制冷系统能满足冷水 出水温度恒定的要求，可提供风机盘管温度为5～11℃的冷冻水.该测试实验台为教师及学生对风机盘管的性能研究提供了设计合理、测试准确稳定的平台.

［1］夏玲，钱雪峰，岳海兵，等.风机盘管性能测试系统设计及影响因素分析［J］.流体机械，2013，33（2）：17－20.

［2］尹应德，张泠，兰丽，等.风机盘管的模拟、调节和节能分析［J］.制冷与空调，2005，5（1）：41－45.

［3］刘金平，周登锦.空调系统变冷水温度调节的节能分析［J］.暖通空调，2004，34（5）：90－96.

［4］黄健机.关于中央空调水系统变水温的分析［J］.广东科技，2007（2）：84－85.

［5］吴业正.制冷原理及设备［M］.西安：西安交通大学出版社，1997：45－55.

［6］石毅登，田怀璋，陈林辉，等.采用变频技术的制冷装置的优势分析［J］.制冷与空调，2004，4（5）：59－62.

［7］李树林.制冷技术［M］.北京：机械工业出版社，2003：67－85.

［8］张子慧.热工测量与自动控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996：32－45.

［9］杨杨.制冷系统中节流装置的应用对比分析［D］.北京：北京工业大学，2011：4－7.