制冷试验室恒温水箱的温度控制方案研究

赵　倩，　林建泉，　黄　忠，　孟靖华（重庆大学城市科技学院，四川重庆402167）

制冷试验室恒温水箱的温度控制方案研究

赵倩，林建泉，黄忠，孟靖华
（重庆大学城市科技学院，四川重庆402167）

恒温水箱作为一种储水节能设备，因其兼具冷热量调节功能广泛应用于制冷产品计量试验室。针对目前制冷产品计量试验室常见的几种恒温水箱的温度控制方案进行探讨，分析其优缺点，以供参考和选择。

制冷试验室； 恒温水箱； 温度控制

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.019

0　引言

近年来，我国节能性政策纷纷出台，制冷设备生产企业也越重视产品性能和质量，为了提高市场占有率，不断加大了制冷产品的研发力度，随之制冷产品计量试验室需求不断增多。目前制冷产品呈现了种类多元化、参数多样化、结构复杂化的趋势，与之相配套的计量试验室功能要求更加齐全。从节能设计思路出发，恒温水箱作为一种储水节能设备，因其同时兼具冷、热量调节功能而被广泛应用于制品产品计量试验室。为了满足计量试验室的用水水温需求，恒温水箱的温度控制精度要求稳定可靠，一般温度控制精度要求在0.2℃左右，若温度波动较大，将会影响最终计量结果，因此，本文对目前制冷产品计量试验室常见的几种恒温水箱的温度控制方案进行探讨，分析其优缺点以供参考和选择。

1　系统组成与控制原理

1.1系统组成

制冷产品种类繁多，如风冷冷水机组、水冷冷水机组、单元式机组、溴化锂机组、压缩式冷凝机组等，其要 求计量的参数要求不同，即计量试验室的设计思路均有所差异，但是其系统的基本构架是相同的，一般情况下，制冷产品计量试验室的系统组成可分为样机计量部分和恒温水箱温度控制部分。图1给出了用于水冷冷水机组性能测试的典型制冷产品计量试验室的系统组成示意图，样机计量部分使用侧采用液体载冷剂法，热源侧采用机组热平衡法，其测试原理均是根据进出换热器的介质温差和介质流量来确定制冷或制热量［1］。使用侧和热源侧的介质温度均通过三通调节阀实现控制，介质流量均通过水泵变频实现控制。无论是使用侧还是热源侧，其介质的来源均为恒温水箱，恒温水箱内的介质温度是否稳定可靠将直接影响样机计量的准确性和可靠性，因此，恒温水箱的温度控制部分尤显重要。目前，常见的恒温水箱的温度控制部分主要包括温度传感器、温度变送器、PID调节表、辅助冷源和辅助热源，其中辅助冷源常见的方式有冷水机组、冷却塔、集中冷源和井水换热等，辅助热源常见的方式有电加热和蒸汽加热等，可根据实际需要结合现场情况选择不同的组合形式。

图1　典型制冷产品计量试验室的系统组成示意图

图2　恒温水箱的温度控制系统框图

1.2控制原理

恒温水箱的温度控制是基于PID算法来实现控制效果的，其基本思路是通过温度传感器铂电阻（PT100）测量恒温水箱内的介质温度，将电阻信号传给温度变送器，经转换后成为标准电压信号，送至PID调节表，然后通过测量值与设定值的比较结果去推动执行机构改变辅助冷源和辅助热源的投入量，进而实现恒温水箱内的介质温度控制，其控制系统框图如图2所示。

2　控制方案探讨

如图1所示的典型制冷产品计量试验室系统，因样机的热源侧和使用侧的冷热量不同，如做制冷工况时，热源侧为冷凝器侧，使用侧为蒸发器侧，根据制冷原理可知冷凝器侧产生的热量始终是大于蒸发器产生的冷量，其差值为压缩机、水泵等设备耗功转换成的等效热量，这一部分多余热量最终将转移到恒温水箱［2］，因此需要通过恒温水箱的辅助冷源进行平衡。由于辅助冷源在绝大部分情况下无法做到精确调节，比如冷水机组，即使采用无极调节也很难保证其冷量的投入始终与样机产生的多余热量同步，这样势必将会造成恒温水箱的温度波动，影响计量效果，因此引入辅助热源，即将辅助冷源作为粗调，将辅助热源作为细调，以进一步减少恒温水箱的温度波动。下面将着重探讨目前制冷产品计量试验室常见的几种恒温水箱的温度控制方案，并分析其优缺点。

2.1冷水机组与电加热管组合方式

在现有的制冷产品计量试验室，恒温水箱的温度控制方案最普遍采用的是冷水机组与电加热管的组合方式，如图3所示。辅助热源由可控硅调功器和电加热管组成，电加热管的热量输出通过可控硅调功器接受PID调节表的输出信号，进而控制电加热管的输入功率来实现调节；辅助冷源由冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵及相关阀件和管道等组成，水泵均采用定频方式运行，冷水机组的蒸发器侧为恒温水箱提供冷量，冷凝器侧热量采用冷却塔或地下水散热方式带走，具体见图a）和图b）。冷水机组的压缩机一般采用螺杆式或涡旋式，前者可通过无级或有段调节以及台数进行控制冷量的输出，后者直接通过台数进行控制冷量的输出，无论采用何种控制方式，冷水机组的冷量输出无法做到精确调节，因此只能作为粗调，多余的冷量通过电加热管提供的热量进行抵消来达到恒温水箱的温度控制。

图2　冷水机组与电加热管组合方式的温度控制方案a）冷却塔散热方式　b）地下水散热方式

此控制方案的优点是系统简单，初投资低，温度波动小，控制精度高且便于操作；缺点是电加热管耗电，同时冷水机组需要长时间运行，没有充分利用过渡季的自然冷源，运行费用高，不利于节能。一般适用于小型制冷产品计量试验室，且无集中冷冻源和蒸汽源的场合。

2.2冷水机组与蒸汽加热组合方式

对于厂区有蒸汽源的场合，为了充分利用厂区自供的蒸汽源的热量，可以采用冷水机组与蒸汽加热的组合方式，具体如图4所示。辅助热源由蒸汽加热板换泵、板式换热器、蒸汽两通阀以及阀件和管道等组成，蒸汽加热量的输出通过蒸汽两通调节阀的开度实现控制。辅助冷源由冷水机组、冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵及相关阀件和管道组成，水泵均采用定频方式运行，冷水机组的蒸发器侧为恒温水箱提供冷量，冷凝器侧热量采用冷却塔或地下水散热方式带走，具体见图a）和图b）。同样冷水机组只是作为粗调，恒温水箱的温度控制通过蒸汽两通调节阀的开度作为细调来实现。

此控制方案的优点是系统简单，初投资较低，且充分利用厂区自供的蒸汽源，有效提高能源利用率，减少电加热管的电耗；缺点是蒸汽加热方式存在惯性和滞后，温度波动较大，且冷水机组需要长时间运行，没有充分利用过渡季的自然冷源，不利于节能。一般适用于中小型制冷产品计量试验室且有蒸汽源的场合。

2.3集中冷源与蒸汽加热组合方式

近年来，制冷产品生产企业开发和节能并重的战略意识逐渐加强，产品研发基地集群化发展的趋势愈发显著，大型制冷产品计量试验室应运而生，集中冷源作为一种高效节能的方式备受青睐［3，4］，同时因试验室集群化的用能特点和能源需求，大型试验中心一般均会专门配置锅炉房，以便集中供给蒸汽源。为了有效利用厂区现有能源，可以采用集中冷源与蒸汽加热的组合方式，具体如图5所示。辅助热源由蒸汽加热板换泵、板式换热器、蒸汽两通阀以及阀件和管道等组成，水泵采用定频方式运行，蒸汽加热量的输出通过蒸汽两通调节阀的开度实现控制。辅助冷源由水用两通调节阀、集中冷源板换泵、板式换热器以及阀件和管道组成，水泵采用定频方式运行，冷源的供给量通过调节水用两通调节阀的开度实现控制，其中辅助冷源包括冷冻源和冷却源两种，可根据实际试验工况通过气动或电动蝶阀切换进行选择，即1#、3#阀开，2#、4#阀关为冷冻源供给方式，1#、3#阀关，2#、4#阀开为冷却源供给方式。

此控制方案的优点是有效利用了厂区蒸汽源、集中冷冻源和冷却源，在不同工况条件下，能够通过切换自主选择蒸汽源或集中冷源的投入方式，适应性强，能源利用率高，节能效果显著；缺点是控制相对复杂，蒸汽加热调节时温度波动较大，同时对切换用阀门的密封性要求较高，存在冷冻源和冷却源相互串水的隐患。一般适用于大型制冷产品计量试验室，且有蒸汽源和集中冷源的场合。

图4　冷水机组与蒸汽加热组合方式的温度控制方案a）冷却塔散热方式　b）地下水散热方式

2.4综合节能型组合方式

不同种类的制冷产品，其试验工况要求也不同，一般情况下试验工况可分为高温、中温和低温工况，基于这种特点，针对不同的试验工况可通过选择采用不同的能源供给方式，以力求节能。对于高温工况而言，可以有效利用自然冷源实现恒温水箱的温度控制，尤其是过渡季和冬季室外气温较低的条件下，其节能效果将十分可观。图6给出了一种综合节能型组合方式，其辅助热源采用了蒸汽加热和电加热管的互相备用方式，当蒸汽源无法正常供给或者样机负荷较小时，可采用电加热管的方式；当样机负荷较大同时蒸汽源能正常供给时，采用蒸汽源加热方式，这种方式不仅能有效利用厂区蒸汽源，同时也减少了蒸汽源无法正常供给而造成计量试验室闲置的风险。辅助冷源采用冷水机组和冷却塔或地下水板换并联切换使用的方式，当试验工况温度较低、测试工况较为恶劣或样机负荷较大时，采用冷水机组蒸发器侧提供冷量，冷凝器侧热量通过冷却塔（图a）中1#、2#、3#阀开启，4#、5#、6#阀关闭）或地下水散热方式（图b）中1#、2#、5#、6#阀开启，3#、4#、7#、8#阀关闭）进行平衡；当试验工况温度较高或样机负荷较大时，可通过阀门切换直接采用冷却塔（图a）1#、2#、3#阀关闭，4#、5#、6#阀开启）或地下水板换的方式（图b）中1#、2#、5#、6#阀关闭，3#、4#、7#、8#阀开启）提供冷源，即阀，具体如图a）和b）所示，此时恒温水箱的温度可通过水泵的变频实现控制，充分地利用了自然冷源，在一定程度上减少了冷水机组的使用频率，降低能耗，尤其是过渡季和冬季室外气温较低时其节能性得到充分体现。

此控制方案的优点是充分利用了自然冷源，减少冷水机组的投入，有效地降低了运行成本，节能效果显著，同时避免了蒸汽源维护或无法正常使用时试验室闲置的情况出现，实现现有资源的高效利用；缺点是系统复杂，初投资高，采用蒸汽加热调节时存在惯性和滞后，温度波动大。一般适用于中大型制冷产品计量试验室，且有蒸汽源的场合。

图5　集中冷源与蒸汽加热组合方式的温度控制方案

3　结语

恒温水箱作为一种储水节能设备，因其同时兼具冷热量调节功能而被广泛应用于制品产品计量试验室。针对目前制冷产品计量试验室常见的几种恒温水箱的温度控制方案进行详细探讨，并分析各自的优缺点，同时基于节能和实用的角度，提出了一种综合节能型组合方式的设计思路，以供类似制冷产品计量试验室参考和选择。

图6　综合节能型组合方式的温度控制方案a）冷却塔散热方式　b）地下水散热方式

［1］GB/T 10870-2014.蒸气压缩循环冷水（热泵）机组性能试验方法［S］.北

京：中国标准出版社，2014.

［2］林建泉，樊海彬，王福宝等.冷热水型水源热泵机组性能试验装置的设计探讨［J］.发电与空调，2012，33（5）：56～60.

［3］王福宝，林建泉，钱雪峰等.大型试验中心冷源集群系统减振防噪设计分析［J］.发电与空调，2014，35（2）：39～43.

［4］樊海彬，林建泉，孙云等.集中冷源在制冷空调产品性能试验装置集群中的应用［J］.制冷与空调，2013，13（7）：75～76.

Research on Temperature Control Methods of the Thermostatic Water Tank Used in Refrigeration Laboratory

ZHAO Qian， LIN Jian-quan， HUANG Zhong， MENG Jing-hua
（City College of Science and Technology，Chongqing University，Chongqing 402167，China）

As a kind of water storage and energy-saving equipment，the thermostatics water tank was widely used in refrigeration products measurement laboratory for its heat and cold energy adjustment.The temperature control methods of the thermostatic water tank were discussed，and its advantages and disadvantages were analyzed，which will provide reference and selection to the similar projects.

refrigeration laboratory； thermostatic water tank； temperature control

TB663

B

2095-3429（2015）02-0072-06

赵倩（1987-），女，河北人，硕士，助教，研究方向：建筑节能与能源应用。

2015-02-10

2015-04-16