气象参数对蒸发式冷凝器制冷系统影响的试验研究

邵光明，缪小平，彭福胜，杨 军

（1.解放军理工大学，江苏南京 210007；2.78511部队，四川雅安 625000）

1 前言

蒸发式冷凝器是一种高效节水节能的冷却设备，主要利用水的蒸发潜热带走制冷剂的热量，完成冷却冷凝过程，同时实现水的重复利用。它具有节水、节能、结构紧凑等优点，在制冷、低温加工、空气调节等领域得到广泛应用［1～4］。

蒸发式冷凝器被广泛用于强化换热和提高冷却系统的性能［5～7］。蒸发式冷凝器是将水喷淋到换热盘管表面，同时空气在蒸发式冷凝器中强制流动。热量从管道的内表面传到外表面，然后被管壁上的水膜吸收，水膜蒸发进入空气流中并随之排向大气，完成冷却过程。蒸发式冷凝器简化了水冷式冷凝器的冷却水循环系统，省去冷却水在冷凝器中显热传递阶段，使冷凝温度更接近空气的湿球温度，其冷凝温度可比冷却塔+水冷式冷凝器系统低3～5℃，大大降低压缩机的功耗，同时其循环水用量减少。空冷式冷凝器要求的高气流速度在此也可以得到明显的降低。相对干风冷或水冷凝式系统，蒸发式冷凝系统可节能11%～70%［8，9］。

蒸发式冷凝器制冷系统能耗影响因素可以划分为两类：一类为外部因素，主要包括外围环境气象参数和机房冷负荷；另一类为内部因素，主要包括蒸发温度和冷凝温度。内部参数蒸发温度和冷凝温度的变化都是由外部变量的变化引起的，外围环境气象参数主要包括空气干球温度和相对湿度。本文搭建蒸发式冷凝器制冷系统试验平台，测试记录北京8，10，11三个月份外围空气参数和系统能耗，研究外围环境气象参数对蒸发式冷凝器制冷性能的影响。同时建立基于采集的试验数据，对ECR与进口空气的干球温度、相对湿度的变化关系进行定量的试验分析，得出蒸发式冷凝器制冷系统的能耗模型。

2 试验装置及流程

试验装置和流程见图1，图中右边部分为机房，风机盘管对机房内的余热进行处理；左边部分为制冷机组，其主要部件包括：蒸发式冷凝器、蒸发器、压缩机、循环喷淋水泵、风机等。根据流体路径和各部分功能，该试验装置由以下5个部分组成，冷冻水循环系统、制冷剂循环系统、冷却水循环系统、试验数据自动采集系统。制冷机组包括：制冷剂R22；半封闭螺杆压缩机组，外平衡式热力膨胀阀；不锈钢板式换热器，额定水流量17.5t/h。蒸发式冷凝器换热盘管采用0.5 mm光滑紫铜圆管，三角形叉排，水平管间距52 mm，垂直管间距52～54 mm。在整个试验过程中，风机风量固定为 4.17 m3/s，喷淋水量固定为 3.16 kg/s。

所有设备全部置于室内，试验流程为：压缩机将制冷剂蒸汽排向蒸发式冷凝器的传热盘管内，与管外表面的水膜交换热量，同时水膜与管外的空气流以潜热为主、显热为辅的方式交换热量。空气从蒸发式冷凝器底部流由风机经风管排出室外并带走水蒸气和热量，未蒸发的水流回水槽供循环使用；制冷剂蒸汽被冷凝成液体后，经储液罐和干燥过滤器进入膨胀阀，再进入蒸发器蒸发制冷，制冷剂蒸汽又重新回到压缩机吸气状态，冷量由冷冻水送至空调末端入房间使用。房间内部使用加热设备控制室内冷负荷，外围加有保温设施。

图1 蒸发式冷凝器制冷系统试验平台

由于需要测试、采集的参数较多，试验过程中采用自动与手动测试相结合的数据测试、采集方法。随气候变化的数据采用自动数据采集系统进行记录存储，包括蒸发式冷凝器环境空气干球温度，相对湿度（蒸发式冷凝器进口空气的温湿度），排风温度，冷冻水供回水温度，系统冷凝高压、蒸发低压，蒸发式冷凝冷却系统总的功耗，线电流，相电压等参数。自动测试数据中使用的采集设备有：斯菲尔PD194E－9HY多功能谐波功率表的测量精度为0.5级，EE10－F10温湿度变送器的精度为 ±0.25℃和 2%，EE16－FT6温度螺杆传感器的精度为 ±0.5℃，KYB－600压力传感器的精度为0.2%。其终端显示通过Visual Basic 6.0编写循环采集程序，并自动建立Access数据库进行存储。手动测量冷冻水、冷却水流量采用手持式超声波流量计SLD－100H，测量精度1%。

3 数据处理

3.1 制冷量的计算

试验中采用液体载冷剂法计算制冷量，系统制冷量等于板式蒸发器的换热量，换热量可以根据冷冻水的供回水热量变化来计算，其计算式为：

式中QCHW——冷冻水的供回水热量

CW——冷冻水的比热容

mCHW——冷冻水流量测量值

tCHW，i，tCHW，o—— 板式蒸发器冷冻水进、出口温度测量值

3.2 单位制冷量能耗的计算

在整个蒸发式冷凝器制冷系统中，耗能的主要部件有压缩机、冷冻水泵、喷淋水泵、蒸发式冷凝器风机，其单位制冷量的能耗ECR的计算式为：

式中Pc——压缩机功耗

Pp，c——冷冻水泵功耗

Pp，s——喷淋水泵功耗

Pf——蒸发式冷凝器风机功耗。

4 试验结果与分析

4.1 空气温度对制冷系统能耗的影响

保持其它条件不变，改变进口空气的温度，研究系统能耗与进口空气温度之间的关系。图2是在制冷量为50kW、相对湿度为50%的条件下，机组运行时蒸发式冷凝器制冷系统能耗随蒸发式冷凝器进口空气干球温度的变化关系。

图2 系统能耗随入口空气干球温度的变化关系

由图2可知，在保持其它条件不变的情况下，随着空气干球温度的上升，蒸发式冷凝器制冷系统能耗呈现上升趋势。在保持相对湿度不变的情况下，干球温度的上升使得进口空气的焓值增加，进口空气与水膜表面饱和空气之间的焓差变小，从而使得两者之间的传热动力降低，不利于冷凝散热。而且进口空气温度的增加使得系统的冷凝压力增加，与冷凝压力对应的冷凝温度也同时增加，在蒸发压力和压缩机压缩比不变的情况下，压缩机功耗增加，使得系统的能耗增加，此时冷却系统的能效比将降低，与实测分析一致。

4.2 空气相对湿度对制冷系统能耗的影响

保持其它条件不变，改变进口空气的温度，研究系统能耗与进口空气相对湿度之间的关系。图3系统制冷量为50kW，干球温度为13℃条件下，机组运行时蒸发式冷凝器制冷系统能耗随蒸发式冷凝器进口空气相对湿度的变化关系。

图3 系统能耗随入口空气相对湿度的变化关系

由图3可知，在其它条件不变的情况下，随着蒸发式冷凝器进口空气相对湿度的增加，系统能耗增大，且近似成线性关系变化。从理论上分析，相对湿度越低的湿空气中的水蒸气分压力越低，其与饱和湿空气中水蒸气分压力差值越大，且对应的湿球温度越低，当这样的空气与填料上的水膜接触时，其能从液态水膜里面带走更多的水，从而使得更多的潜热和显热被带走，从而加强了冷凝散热。

比较图2，3可知，能耗都随进口空气干球温度或相对湿度的增加而增大，而且都呈线性关系变化，但能耗与相对湿度的线性关系更强。蒸发式冷凝器与空气进行热交换时以潜热为主，显热为辅的方式，空气相对湿度对蒸发式冷凝器制冷系统影响因素更大。

4.3 空气含湿量、焓值对制冷系统能耗的影响

图4为系统能耗与房间外围环境空气逐时含湿量的变化关系，图5为系统能耗与环境空气逐时焓值的变化关系。对应的数据为蒸发式冷凝器制冷系统在8月份运行的能耗变化，其中系统制冷量为60kW。从图4，5可知，在制冷量不变的情况下，系统能耗随湿空气含湿量、焓值的增大而呈上升变化趋势，而且都近似成线性关系变化，两者与能耗的线性关系优于相对湿度和干球温度，与能耗线性关系最好的为焓值。在其它条件相同的情况下，外围环境空气越干燥或者焓值越小，则蒸发式冷凝器制冷系统运行时的能耗越小。

图4 系统能耗与空气含湿量的变化关系

图5 系统能耗与空气焓值的变化关系

5 蒸发式冷凝器制冷系统能耗模型试验研究

在整个试验过程中，风机风量和喷淋水量保持恒定，系统能耗的影响因素为外围环境气象参数和系统供冷量。在大气压恒定的条件下，气象参数主要体现为空气的干球温度和相对湿度，系统能耗函数为：

式中ta——空气的干球温度或者湿球温度，℃

RHa——空气的相对湿度，%

Q——系统制冷量，kW

为评价系统能耗，引入单位制冷量的能耗ECR，即能耗比。能耗比是表征系统能耗的一个物理量，是以制冷量为参考，含义为机组的输入功率与机组提供制冷量的比值。将ECR概念引入到式（3），将公式变形为：

用ECR来描述蒸发式冷凝器制冷系统的能耗更为直观、全面、合理。

为得到能耗比ECR模型的函数表达式，在喷淋水量和风机风量不变的工况下，对蒸发式冷凝器制冷系统在8月、10月、11月3个月份的运行数据进行分析，利用这3个月份的前半月数据进行函数拟合，用后半月的数据对拟合结果进行验证，分别得到图6～11的变化关系图。

图6为试验数据一次拟合曲面，拟合得到的函数表达式为：

式（5）中的拟合系数为a1（1）0.0765，a2（1）为0.004316，a3（1）为 0.001273。图 7 为试验数据一次拟合误差和试验数据检验误差。

图6 试验数据一次拟合曲面

图7 试验数据一次拟合误差、检验误差

图8为试验数据二次拟合曲面，拟合得到的函数表达式为：

式（6）中的拟合系数a1（2）为 0.1358，a2（2）为

图8 试验数据二次拟合曲面

图9为试验数据二次拟合误差和试验数据检验误差。

图9 试验数据二次拟合误差、检验误差

图10为试验数据三次拟合曲面，拟合得到的函数表达式为：

式（7）中的拟合系数a1（3）为 0.1256，a2（3）为0.001695，a3（3）为 －0.001366，a4（3）为 0.0000001043，a5（3）为 0.000002132，a6（3）为 0.0002117，a7（3）为0.0000001157，a8（3）为 0.000002726，a9（3）为－0.000006018，a10（3）为 0.000001827。

图10 试验数据三次拟合曲面

图11为试验数据三次拟合误差和试验数据检验误差。

图11 试验数据三次拟合误差、检验误差

从图6，8，10可以看出，空气干球温度和相对湿度与能耗比ECR的关系是正相关的，都是随着干球温度或相对湿度的增大而增加，这与单因素影响分析的结论一致。

为获得能耗比ECR的函数表达式，需对上述拟合进行拟合误差、验证误差分析，相关指标如表1所示。

表1 曲面拟合评价指标

在表1中，SSE表示拟合数据和原始数据对应点的误差平方和，表示为：

式中yi，i——原始、预测数据值

SSE越接近于0，说明模型选择和拟合越好。

表1中R－square为确定系数，其定义为：

式中——原始数据均值

R－square的取值范围为0～1，取值越接近于1，表示预测数据与原始数据越接近，即是拟合方程的变量对y解释能力越强，模型对数据拟合越好。

表1中RMSE为均方根，也称为回归系统的拟合标准差，计算公式为：

从计算公式可以看出，RMSE表达含义与SSE相一致，也即是越接近于0，模型选择和拟合越好。

从表1中的曲面拟合统计数据可以得出：一次曲面拟合误差和验证误差都相对最大；三次曲面拟合在训练数据集上虽然能够获得比一次和二次更好的拟合结果，但是在检验数据集上却不能得到很好的拟合效果，即三次曲面拟合出现了一定程度的过度拟合现象；二次曲面拟合的拟合误差与三次的十分相近，且验证结果明显优于三次。选取该二次曲面拟合作为试验研究的最佳拟合结果，得出蒸发式冷凝器制冷系统能耗比的函数关系式为：

其中，a1、a2、a3、a4、a5、a6各系数的取值与式（7）中系数取值对应相等，此式即为表征系统能耗模型函数式（4）的具体表达式。进行定量的试验分析，采用线性、二次和三次曲面拟合制冷系统能耗关于空气干球温度和相对湿度的函数，得出蒸发式冷凝器制冷系统的能耗模型。拟合和验证结果表明，二次曲面拟合结果最好。

6 结论

（1）对蒸发式冷凝器制冷系统能耗进行单因素试验研究，这些单因素主要包括外围环境空气的温度、相对湿度、含湿量以及焓值。在其它条件不变的情况下，得出蒸发式冷凝器制冷系统能耗的变化规律。

（2）对蒸发式冷凝器制冷系统的能耗进行双因素试验研究，引入能耗比ECR的概念来描述系统的能耗，把ECR化为蒸发式冷凝器进口空气温度和相对湿度的二元函数。基于采集的试验数据，对ECR与进口空气的温度、相对湿度的变化关系

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