热回收型空调机运行特性仿真研究

李 明

(湖南凌天科技有限公司，湖南 湘潭 411100)

1 引言

热回收型空调机是一种将传统单元式空调机与全热换热器联用的空调机组，通过增设全热换热器，向室内输入新风并回收排风中的热量，能够显著减少空调机的能耗，对于改善室内空气品质、提高能源的利用效率具有非常重要的意义[1-4]。在热回收型空调机运行时，室内外热、湿负荷及室外温度的变化将会影响热回收型空调机的运行特性，导致热回收型空调机的制冷量、压缩机耗功和制冷系数等发生变化。为分析室内外热、湿负荷及室外温度对热回收型空调机运行特性的影响，本文在合理假设的基础上，建立了热回收型空调机各部件的数学模型，分析热回收型空调机在不同模式下运行时，机组制冷量、制冷系数及压缩机功率的变化情况。本文的研究可为热回收型空调机在空调行业的推广和应用提供参考。

2 数学模型

热回收型空调机模型包括五大主要部件：冷凝器、蒸发器、毛细管、压缩机和全热换热器。由于空调装置在运行时处于动态平衡的稳定状态，为简便计算，本文采用稳态法建立热回收型空调机各部件及其系统的数学模型，并编制计算机仿真程序。

2.1 冷凝器模型

为便于冷凝器特性研究，以考察有关参数的分布特性，本文采用分布参数法建立冷凝器模型，忽略管壁热阻，管内制冷剂为一维均相流动，不考虑压降，且与管外空气逆向流动。对微元建立控制方程[5-6]：

空气侧换热方程：

Qa=ma(ha2-ha1)

(1)

制冷剂侧流动换热方程：

Qr=mr(hr2-hr1)

(2)

管内外换热量平衡方程：

Qa=ζ·Qr

(3)

微元导热方程：

Qr=UAr(Trm2-Tam1)

(4)

式中：Q为换热量，J；m为质量流量，kg/s；h为焓值，J/kg；ζ为漏热系数；U为总表明传热系数[7]，W/(m2·℃)；A为面积，m2；T为温度，℃。下标：a为空气，r为制冷剂，i为管内侧，1为进口，2为出口，m为平均值。

2.2 毛细管模型

热回收型空调机采用毛细管作为节流装置。建立毛细管数学模型，假设制冷剂在管内一维绝热均相流动，忽略亚稳态流动，其微元控制方程[8]为：

连续性方程：

(5)

能量方程：

(6)

动量方程：

(7)

式中：D为毛细管内径，m；G为制冷剂质流密度，kg/(m2·s)；v为比容，m3/kg；P为压力，Pa；L为毛细管的长度，m；f为毛细管的沿程阻力系数。

2.3 蒸发器模型

为便于蒸发器特性研究，以考察有关参数的分布特性，本文采用分布参数法建立蒸发器模型，忽略管壁热阻，管内制冷剂为一维流动，不考虑过热区压降，且与管外空气逆向流动。对微元建立控制方程：

制冷剂侧换热方程：

Qr=mr(hr2-hr1)=αrAi(Tw-Trm)

(8)

两相区制冷剂侧压降方程：

(9)

空气侧换热方程：

Qa=ma(ha1-ha2)=ξαosAo(Tam-Tw)

(10)

空气侧与制冷剂侧换热量：

Qa=ξ·Qr

(11)

式中：α为换热系数，W/(m2·℃)；d为管径，m；ξ为析湿系数。下标：w为管壁，os为管外侧显热交换。

2.4 压缩机模型

压缩机是压缩式制冷空调装置的“心脏”，本研究采用小型全封闭活塞式压缩机。从系统仿真优化角度研究压缩机数学模型，并不要求准确反映压缩机内部的工作过程，主要关心压缩机的热力性能，即确定三个主要物理量：制冷剂流量、压缩机输入功率及压缩机排气温度。全封闭活塞式压缩机仿真数学模型由式(12)～式(15)组成。

压缩机的制冷剂流量：

(12)

(13)

压缩机的有效功率：

(14)

(15)

式中：λ为输气系数；Vth为压缩机的理论容积输气量，m3；vsuc为压缩机环节吸气口处制冷剂气体比容，m3/kg；Dcom为压缩机缸径，m；S为压缩机活塞行程，m；n为压缩机转速，r/min；i为压缩机气缸数；Nth为压缩机的理论功率，W；Nef为压缩机的有效功率，W；Nm为摩擦功率，W；ηi为指示效率。下标：e为蒸发器，c为冷凝器。

2.5 全热换热器模型

全热换热器是一种用于空调排风能量回收的节能设备，应用于空调系统时可以利用排风在夏季时预冷干燥新风，在冬季时预热加湿新风，使新风负荷显著降低，从而节省冷热系统的能耗。全热换热器计算模块可确定室外新风经全热换热器进行全热交换后的出口温度及焓值，其数学模型如下：

全热换热器温度效率计算式：

(16)

全热换热器焓效率计算式：

(17)

式中：ET为温度效率；tw为室外空气温度，℃；tw为室外空气经过全热换热器后的温度，℃；tN为室内回风空气温度，℃；h为焓效率；hw为室外空气焓值，kJ/kg；hw′为室外空气经过全热换热器后的焓值，kJ/kg；hN为室内回风焓值，kJ/kg。

3 模拟结果与分析

为分析室内外热、湿负荷及室外温度对热回收型空调机运行特性的影响，本文对热回收型空调机分别在全回风、全新风以及新回风混合三种模式下运行的性能进行了研究，各热回收型空调机的运行模式及其主要参数如表1所示。

表1 热回收型空调机运行模式及性能参数

3.1 负荷变化对热回收型空调机性能的影响

为了维持空调房间内相对稳定的热、湿环境，当室内空调负荷波动时，热回收型空调机通过改变蒸发温度来调节制冷量，而蒸发温度的波动将引起空调机运行工况改变。为分析蒸发温度的波动对热回收型空调机运行性能的影响，本文对不同模式下运行的空调机运行特性进行了模拟仿真，仿真结果如图1～图3所示。

图1 制冷量随蒸发温度的变化

由图1可知，当蒸发温度升高时，三种模式下运行的热回收型空调机输出的制冷量均增大，这是由于室内负荷的增大会导致蒸发器的换热加强，当蒸发温度升高时, 制冷量随之升高，从而维持室内稳定的热湿环境。由图2可知，当蒸发温度升高时，三种模式下运行的压缩机功率均增大，这是由于随着蒸发温度的升高，制冷剂流量不断增大，同时冷凝温度也升高，从而导致压缩机功率增大。由图3可知，随着蒸发温度的增加，三种模式下运行的热回收型空调机的制冷系数呈现出先增大后减少的趋势，这说明对每一种运行模式，均存在一个最佳蒸发温度使得热回收型空调机的制冷系数达到最大。

图2 压缩机功率随蒸发温度的变化

图3 制冷系数随蒸发温度的变化

3.2 室外温度变化对热回收型空调机性能的影响

空调机实际运行过程中，室外环境温度是变化的，室外空气温度的变化将影响冷凝器空气侧的换热，从而影响空调机的运行特性。本文根据室外环境温度的变化对上述三种运行模式的热回收型空调机运行特性进行仿真模拟，仿真结果如图4～图6所示。

由图4可知，随着室外温度的升高，热回收型空调机的制冷量不断增大，当其达到额定制冷量后，室外温度升高而制冷量不再变化。这是由于室外温度的升高,室内外传热负荷增大,热回收型空调机只有提供更多的制冷量才能维持室内相对稳定的热湿环境, 但当机组到达额定制冷量后，尽管随室外温度升高，室内需要的制冷量增大，但由于热回收型空调机无法提供更大的制冷量，制冷量将不再变化。由图5可知，室外温度升高，压缩机耗功增大，当压缩机到达额定功率后，随着室外温度的升高，压缩机的功率将保持不变。这是由于室外温度的升高,热回收型空调机提供的制冷量增加，导致压缩机功率上升, 当热回收型空调机的压缩机到达额定功率后，其功率将不再变化。由图6可知，室外温度升高，制冷系数减小，当空调机到达额定制冷量后，其制冷系数基本保持不变。

图4 制冷量随室外温度的变化

图5 压缩机耗功随室外温度的变化

图6 制冷系数随室外温度的变化

4 结论

本文针对热回收型空调机不同运行模式下的运行特性进行了模拟仿真，得到的结论如下：

(1)当室内外热、湿负荷变化时，通过改变蒸发温度能够调节热回收型空调机的制冷量，以适应室内热湿、负荷的需要。随着蒸发温度的升高，热回收型空调机的制冷量和压缩机耗功不断增大，而制冷系数呈现先增大后减少的趋势，三种不同运行模式的热回收型空调机均存在一个最佳的蒸发温度使其制冷系数最大。

(2)随着室外温度的增加，热回收型空调机的制冷量和压缩机耗功不断增大，但当空调机达到额定工况后，继续增加室外温度对机组的制冷量和压缩机耗功几乎没有影响；随着室外温度的增加，热回收型空调机的制冷系数先减少随后基本保持不变。室外温度变化对三种模式下运行的热回收型空调机影响程度不同，对全新风热回收型空调机性能的影响程度最大，其次是部分新风、部分回风热回收型空调机，室外温度变化对全回风热回收型空调机性能的影响程度最小。