基于空气焓差法的空调机柜性能测试实验研究

周茂军, 罗秀芳, 曾 智, 刘向龙, 李小华

(1.湖南尊丰机电科技有限公司，湖南 怀化 418000；2.湖南工程学院 建筑工程学院，湖南 湘潭 411104)

0 引言

中国房地产研究会副会长顾云昌曾在“西部低碳经济与绿色建筑产业”高峰论坛表示，我国现在每年新建的房屋面积约占世界总量的50%，而建筑能耗约占中国全社会能耗总量的40%[1]。建筑能耗巨大不但使得能源消耗量大，同时也会导致环境污染问题突出，大部分国家近1/3的能源消耗和30%的温室气体排放主要来源于建筑能耗[2]。

建筑能耗在很大程度上取决于建筑空调设备的能效。空调机柜是一种能够对室内空气的温度、相对湿度进行调节的装置，作为一种常见的一次回风系统设备，已经广泛使用在空调工程中。目前空调器性能测试方法有2种, 即空气焓差法和房间型量热计法，由于空气焓差法测试简便，使用范围更加广泛。夏玲等[3]在空气焓差法空调性能测试中融入了全自动测控技术，大幅度提高了性能测试效率，该项技术不仅可以减少测试人员的劳动强度和在岗时间，实现空调性能的全自动无人值守测试，还可以增加测试过程的可追溯性。李四祥等[4]分析了空气焓差测试空调器的实验误差，发现误差主要来自试验参数允差计算偏差和测量偏差。郁夏夏等[5]提出了基于空气焓差法测量制冷量不确定度的数学模型，通过分析各参数对制冷量不确定度的影响，提出了一种减小制冷量测量不确定度的方法。张恺等[6]分析空气焓差法性能测试的不确定度, 得出用空气焓差法测试空调器性能时引起不确定度的各种因素, 以及各参数对制冷量测量值的影响。

通过上述文献分析可知，利用空气焓差法计算空调性能时往往会产生测量误差，且目前大部分利用数学方法建立空气焓差法不确定度模型，来表征其测量误差，其方法较为复杂。本文以全热回收型空调机柜为研究对象，在空气焓差法测量的基础上，使用水流量计算空调性能以验证其测试误差，方法简单可靠，可为实际空调工程的性能测试提供理论和试验基础。

1 试验

1.1 试验系统

本试验以空调机柜为研究对象，在该实验方案中，混合室、新风室、喷淋室和处理室依次相互连接，处理室内部依次设置有表冷器、加湿器、电加热器等，电加热器一侧设置有送风机，混合室进风端设置有回风机。在全热回收室内部设置有数据检测W2点，顶部设置有排风口。余热回收室底部设置有新风口，新风口设置有数据检测W1点。混合室一侧设置有回风口并布置混合点C，回风口设置有数据检测N点。处理室出风端设置有数据检测O点。如图1所示。

图1 空调测点布置图

其空气处理过程为：首先新风进入全热回收装置，与排风进行全热回收后到达W2点，然后与室内空气进行混合到达C点，再与表冷器进行热交换至送风状态点O，最后送入室内。空气状态点处理过程示意如图2。

图2 空气状态点处理过程

W为室外环境状态点，W2为热回收状态点，C为混合状态点，N为室内状态点，L为送风状态点，ε为热湿比线。

1.2 空气状态点测量

DT-321s温湿度仪具有测量空气湿度、温度功能，是应用于实验室、工业、工程和家庭测量的理想仪器，因此本试验测量采用该仪器测量室内外空气状态。本实验将DT-321s温湿度仪放置离新风口1 m处位置进行数据测量，由于室外空气状态点时时刻刻都在改变，直至温湿度仪参数稳定时，记录仪器的数据。

测量室内状态点时，测点布置在离房间围护结构0.5 m、离地高度0.5～1.5 m处，布置4个检测点。本实验室内状态点取4个测点的平均值。

测量空气处理过程状态点时，将温湿度仪放置在处理过程点的箱体中，当数据处于稳定时，认为此时空气状态点稳定并记录数据。

1.3 风量测试

本实验中采用AR866A风速仪测量，由于气流速度在管道断面上的分布是不均匀的，随之造成的压力分布也是不均匀的。因此在测定断面上必须进行多点测量再取其平均值。管道断面如图3所示。

图3 新风口截面

该风管是矩形风管，为了测量的准确性，将管道断面划分为若干等面积的小矩形，测点布置在每个小矩形的中心。将风速仪的探头放置到布置好的测点位置，等数据处于稳定时，记录数据。

1.4 水流量测试

本文使用JTLL-I超声波流量计测量冷冻水流量。由于冷冻水管管径在Φ15～200 mm之间，因此采用V法安装，其测试精度更高。冷冻水进出口温度采用热电偶装置测量。

2 实验结果及分析

2.1 制冷量计算

空气焓差法的原理是通过测量空调机柜的进出口空气焓差，再乘以空气流量。其计算公式如下[7]：

(1)

式中:Q为制冷量，kW；qv为空气体积流量，kg/s；h1，h2分别为制冷机柜进出口焓值，kJ/kg；v为空气质量体积，m3/kg；d为空气含湿量，kg/kg。

qv=Av

(2)

式中：A为空调机柜风道截面积，m2；v为风速，m/s。

h=1.005t+d(2 500+1.84t)

(3)

式中：h为焓值，kJ/kg；t为空气干球温度，℃。

d=622(φp/(P-φp))

(4)

式中：φ为相对湿度，%；p为水蒸气饱和分压力，Pa；P为大气压，Pa。

水侧制冷量计算原理为，测量空调机柜进出口水温和水流量，其计算公式如下[7]：

Q=cqm(tw1-tw2)

(5)

式中:Q为制冷量，kW；c为比热容,J/(kg·K)；tw1,tw2分别为空调机柜进出口水温，℃；qm为水的质量流量，kg/s。

2.2 两种计算方式制冷量比较

利用超声波流量计测量了冷冻水管的水流量，并利用热电偶温度计测量了冷冻水管的进出水温，其具体数据见表2。

表1 空气焓差法计算结果

表2 水流量测试计算结果

由上述结果可知，利用空气焓差法计算的制冷量大于利用水流量计算的制冷量，这是因为在利用空气焓差法的计算过程中将热回收过程所得制冷量也计算进来了。因此，利用空气焓差法对比水流量计算制冷量，应该要严格定义空气在冷冻水中获得的冷量。将空气焓差法中余热回收所得冷量剔除，两者之间的制冷量如图4所示。

图4 两者计算方法结果对比

由图4可知，利用空气焓差法和水流量计算方法所得制冷量十分接近，最大误差不超过10%，平均误差不超过5%。且从图中可以明显看出水流量计算结果均大于空气焓差法计算结果，这是因为利用空气焓差法测得的制冷量是由冷冻水提供，而在实际过程中传热效率不可能为1，因此会有部分冷量散失，因此所得结果会偏小于水流量计算方法。

2.3 两种机柜COP(能效比，Coefficient of Performance)比较

通过上述比较结果可知，空气焓差法和水流量计算制冷量相差并不大，但在实际测试过程中，空气焓差法更加简单方便，因此本文通过将余热回收装置的开启，进行模拟常规空调机柜和全热回收型空调机柜的运行工况，通过对比两者的实际运行COP，其具体数据见图5。由图5可知，全热回收型空调机柜的COP在这6种工况下均高于常规空调机柜，其中在工况1的条件下最为明显，高出常规空调机柜约0.57。相较于常规空调机柜，全热回收型空调机柜COP最高可提升约21.41%，平均提升约12.31%，由此可见在一次回风之前进行余热回收的结果十分理想。

图5 两种空调机柜COP对比

3 结论

本文以一种全热回收型空调机柜为研究对象，利用空气焓差法和水流量测试方法进行制冷量对比，并通过全热回收型空调机柜和常规空调机柜的性能对比分析，得出以下结论：

(1)在常规一次回风空调机柜之前进行余热回收，其系统COP最高可提升约21.41%，节能效果明显。

(2)通过对比空气焓差法和水流量测试方法计算制冷量，其结果误差不超过10%，测试结果稳定可靠。

(3)考查实际测试的结果和试验的方便性，空气焓差法较水流量测试方法更加具有实际工程意义，可为实际空调测试提供理论研究基础。