变温环境室空调系统实验研究

张 柱 吴蔚兰



变温环境室空调系统实验研究

张 柱 吴蔚兰

（中机中联工程有限公司 重庆 400039）

介绍了变温环境室空调系统实验装置，研究分析了不同工况下室内温度分布、压缩机启停周期、制冷量及COP等运行参数的变化情况。实验结果表明：室内控制温度越接近坐落环境温度，温度波动幅度越小，不同位置的温差也越小；与理论值相比，压缩机的制冷量及COP随环境室温度升高而升高，理论制冷量大于实际制冷量；而压缩机启停比，无论理论值还是实验值，均呈现从低温到高温下降的趋势，但低温时实验值接近于理论值，高温时低于理论值。

变温环境室；制冷性能；温度分布；压缩机启停比

0 引言

随着科技的进步，需要营造低温环境的场所和部门日益增加，例如扬州种子库、杭州茶叶厂等单位以及食品冷加工行业需要创造低温低湿的特殊空气调节环境。农业与食品行业也需要温度低、湿度大的低温空调机组[1,2]，但是，我国生产的环境空气调节制冷机组最为普遍的是18～25℃的恒温恒湿机组和用于夏季降温的冷凝压缩机组，0℃以下的低温环境空气调节机组较少，国内制冷行业对低温空调箱的性能了解不足，在一定程度上制约了低温空调箱的技术发展和性能提高。目前低温空调机组能否解决蒸发器表面结霜问题，机组辅助设备合理选型问题，以及仓库和食品加工车间温度的控制精确问题和均匀速度场、温度场设计问题，是制冷行业急需解决和研究的目标。宋玮[3]等对低温空调送风温差方面进行了分析，提出采用焓差小、风量大的送风方式，同时还对低温空调室内除霜控制进行了研究，得出室内双传感器控制设备简单，准确性提高。李斌、刘炳衡[4]等通过增加散流器，对食品加工车间进行温度场、湿度场以及气流组织研究分析，测得最佳送风温度、送风温差、送风次数。

但遗憾的是，对于变温环境室的制冷系统以及能耗情况并未能具体的研究分析。本实验利用建筑节能综合实验室，采用制冷剂为R404a，通过不断改变环境室内温度，将环境室温度降至-15℃、升至15℃以上，温度控制精度在±1℃之内，设置了11个控制工况，实现环境室的变温工况，任何工况下维持风冷式冷凝器的进风温度相同，分析环境室温度分布规律性、压缩机制冷性能以及能耗情况。

1 环境室冷热负荷

1.1 环境室负荷变化规律

本实验中环境室冷却设备负荷包括围护结构传热量和电动机运转热量，经计算[5-9]，如表1所示。

表1 环境室冷却设备负荷

由表1可知，冷负荷与环境室温度存在线性关系=-95.15+2759.35。

1.2 各工况下制冷量的变化规律

一个稳定的线性热源被置于无限均质环境中，假设初始温度均匀且线热源等速加热或冷却时，接近环境室某定点的温度响应反映出环境室的温度上升（下降），在时间1和2之间的温度变化为Δ，即：

环境室温度工况的变化必然引起蒸发温度的变化，由上图可知，蒸发温度升高，制冷量增加[7]，这使得温升速率加快，制冷压缩机的启停时间比减小。

1.3 各工况下制冷机开停状况理论分析

本实验采用TAG2516Z全封闭中低温型压缩冷凝机组，其压缩机特性曲线如图2所示，根据压缩机性能曲线拟合得到环境温度为15℃时压缩机制冷量与其蒸发温度的关系曲线如下式：

=1.272+242.35+9281.1

实验设定：当室内环境温度高于设定工况1℃时，压缩机启动工作；当环境温度低于设定工况1℃时，压缩机停止工作。在每个设定工况下压缩机的理论启停比为：，其中=+10；为环境温度，℃；为压缩机理论蒸发温度，℃。

图2 压缩机特性曲线

2 环境室的实验研究

2.1 实验装置与检测装置介绍

变温环境实验装置是建筑节能综合实验室的一部分，是以控制环境室温度变化为目的的实验辅助装置。变温环境实验室主要由制冷系统、风循环系统、换热系统、测试系统和自动控制系统等几部分组成，其系统原理图如图3所示。制冷系统：采用风冷式全封闭中低温型泰康TAG2516Z—BR压缩冷凝机组为主机，高温空气融霜的直接膨胀制冷系统；换热系统：采用高低温空调箱（包括冷风机、翅片管型电加热器、粗效空气过滤器、中效空气过滤器）为热量交换装置；送风系统：采用轴流风机为送风设备，空气循环使用（可补充新风）的空气调节系统；测试系统为风速、压力、温度、湿度和电功率的数据采集装置。主要管道包括制冷剂管道、均匀送风管道、送回风管道、新排风管道以及控制线路。除了上述的主要设备以外，还包括制冷系统中的电磁阀、干燥过滤器以及风系统中的送回风阀。

图3 变温环境实验装置系统图

其中实验中数据采集装置为日本YOKOGAWA公司的MX100多点数据采集仪，温度测量采用铜-康铜（T型）热电偶、压力测量采用精度为0.2级的压力变送器、风速测量采用德国test0425精密型热敏风速仪、湿度测量采用CF5020Y温湿度测量仪等进行测量。环境室温度测点与风速测点布置如图4所示。

主要控制参数如下：环境室围护结构主要为20cm厚的空心砖，在其内表面贴有5cm厚的挤塑板（材料为聚苯乙烯泡沫塑料），其中的一面墙上有玻璃窗（2.1m×1.5m，与测试间内侧室相连），另一面有厚为10cm的保温门（0.8m×1.8m），此外一面墙有玻璃窗（0.4m×3m，与室外环境相连）。

图4 环境室温度测点与风速测点布置图

为了满足房间均匀送风和温度控制精度的要求，变温空调系统采用全空气式制冷系统，在所控房间以外设置变温可控空调箱。空调箱容积2.71m×1.6m×1.2m，环境室室外环境温度为夏季空气调节日平均温度29℃。

（1）温度控制范围：-20～40℃；

（2）环境室容积：4.2m（长）×2.1m（宽）×3.4m（高）；

（3）保温材料：聚苯乙烯泡沫塑料，玻璃窗；

（4）温度控制精度：±1℃；

（5）对湿度无要求。

2.2 实验数据分析

2.2.1 环境室的温度场情况及分析

环境室温度测点如图4所示，图5、图6、图7和图8分别为环境室在控制工况-15℃、0℃、6℃和15℃的温度分布情况。从图中可以看出，第一排温度略高于第二排，这是因为第二排距均匀送风道较近，第1列的温度要略低于第2、3列，这是因为双百叶送风窗风向倾斜向下，回风口在均匀送风道的右下方，下方的空气扰动较上方剧烈。根据环境室气流组织的计算，整个环境室内在第1排温度测点位于气流的绕动区，第2排温度测点主要位于气流回风区，在低温工况下，环境室温度呈现从门口位置向回风口逐渐升高的趋势，在高温工况下，环境室温度呈现从门口位置向回风口逐渐降低的趋势。

从环境室在设计范围内温度场的测试结果来看，整个环境室不同位置的温度波动范围均在要求范围之内。高温环境好于低温环境，环境室控制温度越接近坐落环境温度，波动幅度越小，不同位置的温度差也就越小。

图5 -15℃环境室温度分布

图6 0℃环境室温度分布

图7 6℃环境室温度分布

图8 15℃环境室温度分布

2.2.2 压缩机启停比的情况分析

图9 压缩机启停比变化曲线

由表1可知，环境室温度升高，环境室与室外温差减小，环境室冷负荷降低。图9为控制环境室温度在设定工况下±0.5℃范围内波动时，压缩机启停时间比值随设定温度的变化曲线，通过图8可以看出，无论理论值还是实验值，均呈现从低温到高温下降的趋势，可从表1与图2看出主要因为温度越低环境室冷负荷越大，而压缩机的制冷量小，则压缩机正常运行时间长；压缩机停止运行时，环境室与室外温差大，环境室温度回升快，压缩机停止时间短。相反，当高温时，环境室内外温差小，所需冷负荷小，蒸发温度高，制冷量大，压缩机启动时间小于停止时间。另外，还可以看出，-15℃—-10℃时压缩机启停比理论值大于实验值，而在-10℃以上，理论值小于实验值。主要是因为在低温工况时，压缩机属于正常运行工况；在高温工况下，压缩机理论启停比是在蒸发温度不变，以理论制冷量计算得出，而压缩机实际启停比则是压缩机刚启动的短时间内，蒸发器进出口制冷剂温度偏高，制冷量小于理论制冷量，压缩机运行时间比理论值要长。

2.2.3 各工况下制冷系统的制冷量及COP分析

图10为压缩机制冷量随蒸发温度变化曲线，通过图中对比看出，理论制冷量和实际制冷量均随蒸发温度升高呈上升趋势。理论制冷量大于实际制冷量，而且相同蒸发温度下与理论制冷量相比，实际制冷量的增长趋势明显减小。主要原因有以下几个方面：

（1）试验阶段恒温室周围环境温度较低，以围护结构传热量为主的冷负荷较小，制冷机产冷量远大于该负荷。

图10 压缩机制冷量随蒸发温度变化曲线

（2）所计入的冷量基本是开机过程处理“过潮”阶段的冷量，大部分冷量消耗于制冷压缩机本体。该损失在需要制冷的较高环境室温度下将更大，也就是开机时间越短损失越大。这是引起温度越高制冷量变化趋势越小的主要原因。

（3）制冷机和蒸发器（冷风机）按照最低环境室温度配置，当环境室温度提高后制冷压缩机的制冷量增大，蒸发器换热面积没有变化，引起蒸发温度降低，制冷压缩机的冷量未能得到充分释放，而是通过自恒减少冷量的输出。

（4）蒸发器表面结霜导致冷风机效率和蒸发温度降低而产生的冷量损失。

（5）管道、风阀、风管等带来的冷量损失等。

综上分析可知，大幅度变温环境的营造需要根据负荷的变化规律，配备制冷量可变的制冷系统，保持在各种运行工况下有适宜的对应参数，才能保证设备的经济性。

图11为制冷系统COP的变化曲线，=/，式中为制冷压缩机的输入功率：。通过测量各工况下制冷压缩机三相电流和电压计算得出压缩机输入功率。无论是理论COP还是实验测得COP均随蒸发温度的升高而增大，但理论COP大于实验值。由图10可知，当蒸发温度为0℃时，实验COP值与理论COP值相差最大为1.1。随蒸发温度的升高实际COP值与理论COP值有差值变大的趋势。这主要是因为随蒸发温度的升高制冷量与理论制冷量相比差距变大，而高温下压缩机耗功也在增大，所以压缩机COP差距逐渐增大。

图11 压缩机COP随蒸发温度变化曲线

3 结8BBA

（1）在各工况均稳定两个小时的测试中，随着环境室控制温度的升高，压缩机的启停时间比减小，压缩机的运行时间越短。启停控制策略是一种不够经济的方法，这增加了能耗。除非改变热力膨胀阀的调节特性与制冷系统启动瞬时的系统温度特点相吻合。制冷压缩机的变流量调节与电子膨胀阀的合理配合亦能够改善制冷系统的运行效率。

（2）环境室控制温度越接近坐落环境温度，温度波动幅度越小，不同位置的温差也越小；该系统可以满足更高控制精度，但压缩机启停更加频繁。

（3）通过压缩机理论COP与实验COP的对比可以看出，这种压缩机频繁启停以维持环境室温度稳定的运行方式，压缩机耗功量大，制冷量小。

[1] 陆亚俊,马最良.低温空气调节机组[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1983,(4):70-79.

[2] 秦涛.关于低温送风系统的应用[J].洁净与空调技术, 2005(2):60-61,65.

[3] 宋玮,杨华,冯潇潇.低温温室空调系统设计[J].中国农机化学报,2014,35(3):89-94.

[4] 李斌,刘炳衡.冷库加工车间低温空调研究[J].低温与特气,2001,19(2).22-25.

[5] 张红,李梅芳,苑继忠.低温空调风道测试性能比较[J].暖通空调,2004,34(6):78-80.

[6] 奚振奎.R404a蒸发式制冷低温空调机组的应用研究[D].山东:山东大学,2013.

[7] 吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社,2010:32-40.

[8] 肖立全,王世平.低温空调设计方法探讨[J].暖通空调, 1999,29(5):47-49.

[9] 商业部设计院.冷库制冷设计手册[M].北京:农业出版社出版,1991:167-199.

Experimental Study on Air Conditioning System of Variable Temperature Ambient Chamber

Zhang Zhu Wu Weilan

( CMCU ENGINEERING Co., Ltd, Chongqing, 400039 )

This paper introduces experimental facilities on air conditioning system of variable temperature ambient chamber. Researching and analysis the operating parameters of temperature distribution, compressor start-stop cycle and cooling capacity and COP changes. The results showed that the closer chamber controlled temperature is located to the ambient temperature, the smaller the temperature fluctuations is, temperature difference is also smaller; compared with the theoretical value, with ambient chamber temperature rising, compressor cooling capacity and COP rise; theoretical cooling capacity is more than the actual cooling capacity and compression of the start-stop, regardless of the theoretical value or experimental values, showed a downward trend from low to high, but the low temperature test values close to the theoretical value, when the high temperature is lower than the theoretical value.

variable temperature ambient chamber; performance of refrigeration; temperature distribution; compression of the start-stop

1671-6612（2017）04-428-05

TB66

A

张 柱（1989.9-），男，工学硕士，E-mail：1208862027@qq.com

2017-07-12