空调系统凝结水对空气焓差法测试的影响分析

2017-03-06程镇齐淑芳

中国设备工程 2017年2期

关键词：差法空调器制冷量

程镇，齐淑芳

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

空调系统凝结水对空气焓差法测试的影响分析

程镇，齐淑芳

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

本文介绍了空调系统性能测量中空气焓差法的基本原理，结合空气焓差法计算方法与空调器的实际运行情况，分析了空气焓差法测试过程中凝结水对空调器性能测试过程造成的具体影响。

空调系统；空气焓差法；凝结水

目前制冷行业衡量空调性能的参数主要包括制冷量、制冷消耗功率、能效比，空调性能测量方法从原理上可分为房间量热计法、空气焓差法、风管热平衡法。房间热平衡法的测量结果最为准确，但由于其测试装置投资昂贵、结构精密、操作复杂，很大程度上限制了使用和推广。空气焓差法因其设备投资少、操作简便、相对能耗低，得到了广泛认可。本文针对空气焓差法，从其基本原理出发，结合空调的实际运行情况，对性能测试过程的系统误差进行分析，探讨误差产生的原因和造成的不利影响，旨在对空调性能测试方法进行优化和修正。

1 空气焓差法基本原理

空气焓差法实际上就是通过测量室内侧空调器机组进风口、出风口干湿球温度、大气压力，计算出空调进出口空气的焓值，同时测量空调器机组的风量，由风量与进出口焓值差来计算空调器的制冷或制热量。在测量制冷量的同时，测出被测空调机组的消耗功率，从而计算出空调机组的能效比及其他参数，其原理如图1所示。

制冷量的计算可按下式计算：

式中：Q为空调器的制冷量；qn为空调器室内侧测量的风量；h1为空调器室内侧进口空气的焓值；h2为空调器室内侧出口空气的焓值；vn为室内侧测点处的空气比容；dn为室内侧测点处的空气湿度。

2 空气焓差法系统误差分析

由前文分析可知，空气焓差法测量空调机组的制冷量是通过空调器进风与出风空气比焓的差值计算得出的。由于湿空气是由干空气和水蒸气组成的混合物，因此湿空气的焓值为干空气的焓与水蒸气的焓之和，可表达为：

图1 空气焓差法测量原理图

式中，H为湿空气的焓值；ma、ha分别为湿空气中干空气的质量与焓值；mv、hv分别为湿空气中水蒸气的质量与焓值。

考虑到热力过程中干空气的含量是常量，故湿空气的比焓是相对于单位质量干空气的比焓，湿空气的比焓可表示为：

式中，h为湿空气的比焓；w为含湿量。

取0℃干空气的焓值为零，则任意温度t的干空气焓为：

式中，cp,a为干空气的定压比热容。

工程中常用下述经验公式来计算湿空气的比焓：

（5）式对于湿空气焓值的计算，是将干空气和水蒸气的定压比热都近似为常数，即干空气的定压比热为1.005kJ/(kg·K)，水蒸气的定压比热为1.86 kJ/(kg·K)，0℃时水的汽化潜热为2501kJ/kg。（5）式中第一部分物理意义表示为1kg干空气从温度t冷却到0℃所释放的热量；第二部分表示wkg的水蒸气从温度t冷却到0℃所释放的热量与0℃的水蒸汽凝结为0℃的水所释放的热量之和。干空气在0℃的比焓为零，而水蒸气焓值的零点定为0℃的水，即0℃水的比焓为零。

若将湿空气中干空气和水蒸气的定压比热看成是温度的函数，同时假设试验时房间空调器室内侧进口干球温度为t1，含湿量为w1，出口干球温度为t2，含湿量为w2，则空调器进出口空气的焓值可表示为：

式中，h1、h2分别为空调器进出口湿空气的焓值；cp,a( t )、cp,w( t)分别指干空气和水蒸气的定压比热；r0为水在0℃时的汽化潜热。

湿空气从温度t1降到温度t2时的去湿量Δw =w1-w2，根据以上分析，空调器的制冷量Q可表示为：

经简化可得：

上式所述的制冷量包括空调器的显热制冷量和潜热制冷量两部分，显热制冷量表明含湿量为w1的湿空气从温度t1降到温度t2所释放出的能量，因此显热量Qs可表示为：

另一部分潜热制冷量等效于去湿量为Δw的水蒸气在温度t2所包含的全部能量，因此空调器的潜热制冷量QL可表示为：

式（11）所述的是去湿量为Δw的水蒸气在温度t2时的焓值。

水蒸气从温度t2冷却到0℃释放出的热量为，0℃的水蒸气凝结成0℃的饱和水释放的潜热为Δw·r0，按照公式（10）的算法，排出的冷凝水中能量为0，隐含了排出水温度为0℃的假定。然而在空调实际运行中，排出的凝结水大多为15℃左右，而非0℃，因此用空气焓差法来计算空调器的制冷量存在一定的误差。

假定排出的冷凝水温度为t2，此时排出的水中还包含有残余的能量未被热交换器所吸收掉，不妨将这部分未吸收的热量称为“能量残余”。将式(11)所表示的能量释放路线进行变换：设温度为t2的水蒸气先冷凝为温度t2的水，然后温度t2的水再冷却到0℃。如前所述，这两条路线释放的能量是相同的，这样(11)式就变为：

如果排出的冷凝水温度为t2，则这部分能量残留在冷凝水中并随冷凝水一起排掉，于是空调器的潜热制冷量只剩下，比(11)式要小。在《房间空调器标准GB/T 7725-2004》中用空气焓差法计算全热制冷量时，并未对残留在冷凝水中的能量进行考虑，也就是说，从能量平衡的角度来看，在房间空调器标准中的焓差法计算式中，制冷量被放大了，放大量约为去湿量Δw的冷凝水从大约15℃降到0℃所需的制冷量，假设Δw所对应的去湿量为1kg/h，则这一部分制冷量大约为18W。

从湿空气的角度来考虑，冷凝水中所残留的能量随着冷凝水的排放而减除，从而也就不必考虑其中还存在多少能量残余。因此，使用湿空气焓差法来表征空调器的制冷量在用户体验效果上，与将冷凝水冷却到0℃后排放是等效的。但若从空调器本身的功耗效率上来看，空气焓差法实际上是将其放大了，而且放大量会随着空调器出口温度的提高而增加。