房间空调器实验室节能技术及能耗等级划分的探讨

陈容健 耿帅凯

1.珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070；2.中国家用电器研究院安徽中家智锐科技有限公司 安徽滁州 341103

1 引言

绿色可持续一直是国家重视的发展方式，节能减排是整个社会对发展的诉求，在如今的耗能产业中，不仅企业会想方设法降低能耗、节约运营成本，国家和政府也相应出台了许多与能源使用相关的标准文件以提高能源使用效率。空调实验室是典型的恒温恒湿实验室，对温度、湿度都有着严格的要求，其应用频率高、用电量大，是重要能耗设备之一，推动空调实验室新型节能技术的应用发展，建立能耗等级划分制度，是一项十分有意义的工作。

在空调实验室节能技术相关研究中，唐峥、罗祥坤、邓本峥等人从能量平衡、PLC控制方式、设备运行等多角度出发，运用冷凝热回收原理提出了一套较完整的节能解决方案[1]。何曙等分析了量热计法和空气焓值法实验室的差异[2]。陈坤、李征涛等人通过PID调节器对电动三通阀、热气旁通阀及蒸发压力调节阀进行调节控制，做了降低空气处理机组综合能耗的研究[3]。与此同时，国内专业从事设计、制造空气实验室装置的单位，北方一般有中国家用电器研究院、中国建筑科学研究院、中国海洋大学等单位，南方有擎天、兰石、源知、海普等单位，都已经尝试建造节能空调实验室，并取得了明显的经济效益。

就目前所知，空调实验室节能技术已经成熟并开始应用，但是行业对空调实验室的能耗等级和测试效率一直没有明确的要求，这也导致实验室建造厂商因为掌握的技术深度不够或者为了降低建造成本，不愿使用和推广新型节能技术，从而降低了实验室长期运行的节能效率，严重阻碍行业向更高的水平发展。本文希望通过介绍空调实验室新型节能技术，探讨空调实验室能耗等级划分的方式，从而推动空调实验室进行能耗等级划分及评价，推动空调实验室向更精准、更节能、更先进的方向发展。

2 目前行业空调实验室状况

目前行业中主流空调实验室为平衡环境型房间实验室（如图1所示）和空气焓差法实验室（如图2所示）这两种。其中平衡环境型实验室采用房间型量热计原理，即在量热计的室内侧和室外侧进行冷热量平衡。而空气焓差法则是通过设计合适的装置，测试空调器送风口的风量、温湿度以及回风口的温度，根据送、回风温度对应的焓值之差与风量的乘积即可得到空调器的制冷量或热泵制热量[2]。平衡环境型房间实验室和空气焓差法实验室虽然测试原理不同，但都是为了去创造一个恒温恒湿的空间环境，靠空气处理机去平衡实验室内不断变化的冷、热、湿负荷，从而达到稳定的状态。而空调实验室的能耗几乎全部集中在空调处理机中，故两种实验室的能耗等级相同。

图1 平衡环境型房间实验室原理图

图2 空气焓差法实验室原理图

目前行业中一味要求空调实验室测试精度和重复性，但受结构材料和测量传感器的固有精度限制，整体的不确定度已明显局限在±1%～2%之内，同时再提高精度要求，对产品测试意义也不大。所以在成熟行业技术中，如无新技术革新，将导致行业得不到更先进的技术来推动发展。因此在保证测量精度的基础上，尽可能减少空调实验室的整体能耗已成为其发展的新形势。在测量精度要求上，GB/T 7725-2004《房间空气调节器》已明确规定相关的内容，其测量显示的不确定度和最大读数允差如表1和表2所示。然而，国家和行业的标准文件中却鲜有关于空调实验室能耗方面的规定，故本文通过探讨如何对实验室耗能等级进行合理划分，希望加快有关空调实验室能耗等级划分的新规范或新标准出现。

表1 测量不确定度

表2 制冷和热泵制热量试验的读数允差

3 空调实验室新技术介绍

实现空调实验室能源等级划分，必须依靠节能高新技术，在实现高精度测试的同时，降低空调实验室的运行能耗。在空调实验室运行的过程中，要实现恒温恒湿控制，需要制冷机组和电加热器不断工作以保持冷热平衡，这个过程导致的冷热抵消是实验室耗能的主要方面。如图3所示为空气处理的过程[4]。

从图3可知，在空气处理的过程中，电加热器和电加湿器处于一直工作的状态，从而有冷热抵消导致能量损失。实践表明，仅电加热器一项耗能，便超过整个实验室总耗能的1/2[1]，所以减少电加热器的投入，是降低实验室能耗的主要路径。以下是目前空调实验室采用的几大主要节能技术。

图3 空气处理过程图

3.1 热量回收技术

制冷系统为逆卡诺循环，提供冷量的过程，就是将实验室内的热量转移至实验室外侧的过程，所以制冷系统需要冷凝器高效散热以保证其工作效率。热量回收技术的思路是将这部分热量代替电加热器，从而减少电加热器输出，达到节能的效果。但是热量回收技术要求所用的热交换器有较好的换热能力，所以常用平行流微通道冷凝器，并辅以电动三通阀控制，以提高热交换器的换热系数[5]。带冷凝热回收的系统图和图例如图4、图5所示。

图4 带冷凝热回收的系统图

图5 带冷凝热回收系统图的图例

3.2 变频变容调节技术

制冷系统变频技术是目前运用最广泛、最成熟的节能技术，通过改变压缩机或者循环风机的运行频率从而实现制冷系统的能力调节。可以将电加热器控制器和制冷系统所配备的变频器形成耦合系统，从而实现能力的自动调节，此种方法控制简单，增加易损件少，效果明显。某品牌变频器如图6所示。

图6 某品牌变频器

3.3 蒸发器容量可变技术

蒸发器的容量应当与压冷机组相匹配，才能展现压冷机组最大的制冷能力。蒸发器换热面积的大小不仅会改变压冷机组的制冷量，而且会改变系统的蒸发温度。一般来说，蒸发器换热面积的增加会提高蒸发温度，反之，会降低蒸发器的蒸发温度。所以较小换热面积的蒸发器对一些低湿度工况有利，较大换热面积的蒸发器对高湿度工况有利。因此如果可以改变蒸发器换热面积的大小，将大幅度缩短工况的稳定过程。同时会降低某些工况的耗电量，对整个实验室的节能和工况的优化都有重要影响[5]。

如图7所示是一种改变蒸发器换热面积的方法，称之为分组蒸发器技术，通过电磁阀的开闭，改变蒸发器的换热面积。此方法初次投入成本低，控制逻辑简单，效果明显。

表3是某空调制造厂新建的节能空调实验室采用分组蒸发器后的对比，旁通项为关闭电磁阀、减少蒸发器换热面积后的数据，显而易见，整体耗电量下降的同时，电加湿投入量变高。所以该技术运用于高温低湿工况时最为有利。

3.4 蒸发压力调节技术

蒸发压力的改变必然导致蒸发温度的改变，而蒸发温度的改变对蒸发器的除湿能力、结霜速度起着至关重要的作用。正常情况下蒸发器的迎面风速、蒸发器的换热面积、压缩机的频率、冷凝压力是影响蒸发压力的因素，但是这些因素的变化对蒸发压力的调节有限，为了更有效地控制蒸发压力，部分厂家在制冷系统中采用蒸发压力调节阀（吸气压力调节阀），如图8所示。在高温高湿工况，通过调节蒸发压力调节阀可以提高蒸发器的蒸发压力，从而提高蒸发温度，在降低电加热器输出的同时可以降低除湿量，从而起到节能的效果。

图7 分组蒸发器技术原理简图

表3 分组蒸发器技术运行数据表

图8 蒸发压力调节阀图

3.5 热气旁通技术

热气旁通技术就是将压缩机排出的高温高压气体直接旁通到压缩机的回气端（有时候也会旁通到蒸发器的入口处），从而减少制冷系统内有效制冷剂流量，达到控制制冷系统能力的效果。在特定工况中，减少制冷系统能力，电加热器投入也会随之降低，从而减少了冷热抵消导致的能量损失，起到节能的效果[3]。热气旁通原理图如图9所示。

图9 热气旁通原理图

4 空调实验室能耗等级划分的探讨

要促进各个空调实验室承建商推广使用上述新型节能技术，必然需要对承建商所建造的实验室的耗能水平进行限制。在实验室实际使用过程中，低耗能的同时能否保证高效地完成测试任务，则是对空调实验室能耗等级划分的主要依据。故在测试过程中，可以以被测空调器的功率（WES）与实验室自身的功率（WTS-WES）比值来衡量实验室的能耗水平。暂时将此值的结果命名为：空调实验室平衡能效（Balanced energy efficiency ratio），简写为BEER。则实验室瞬时平衡能效（BEERS）公式为：

式中，BEERS—瞬时平衡能效，WES—被测空调器的功率，WTS—实验室运行总功率。

对于一个完整的测试工况，可以求出整个稳定区间的平衡能耗比（BEER），此时以空调器在此区间的耗电量（WE）为分子，以实验室自身的耗电量（WT－WE）为分母，WT代表整个实验室在测试过程中的总耗电量。则：

式中，BEER—平衡能效比，WE—被测空调器耗电量，WT—实验室运行总耗电量。

在空调实验室使用中，往往对一台被测机组进行一系列工况的实验测试，受空调测试过程中IPLV测试方式的启发，为了更准确描述空调实验室实际使用过程中的耗能水平，可以用实验室的平衡状态综合部分性能系数BIPLV（Balance integrated part load value）：

其中BEERi代表不同工况的平衡能效比，η代表每个工况的平衡能效比所占权重。

以上划分实验室能耗等级的方式，为长期从事焓差室建设和房间空调器测试工作中总结而得，希望可对以后实验室能耗等级划分标准的出现起到启发和推动作用。

在实验室建造时，应该鼓励实验室建造商应用创新节能技术，从而使硬件方面的节能成为可能。另一方面，在日常实验室运行过程中，实行实时监控管理和实验成本管理。每次实验均要记录实验过的能耗成本。实验室测试过程中，往往会出现实验人员的异常操作，从而产生不必要的耗电。目前实验室的软件和测控系统，主要测量被测机的功率，而忽略了对实验室测量过程中整体的能耗统计和异常耗能分析，从而无法及时发现、纠正实验人员的错误操作。为此，实验室软件上应具备监控、记录、生成实验室测试过程中整体耗电量的功能，在空调测试报告中，明确显示各个测试工况的实验室总体耗电量和主要设备耗电量，从而运算实验成本，使其成为实验报告不可缺少的组成部分。

5 结论

本文通过介绍空调实验室新型节能技术和探讨未来实验室能耗等级划分的方式，目的是推动行业新增空调实验室新型节能技术的发展，希望对以后空调实验室能耗等级评价及划分起到启发和推动的作用。最终得出降低实验室的能耗应从两方面实现：（1）建造阶段推广新型节能技术，对空调实验室进行耗能考核，以划分不同能效等级的实验室。（2）加强计算机软件对实验室运行阶段耗能评价管理、实时对各个工况的实验室用电量进行记录分析，督促实验人员以最节能的方式进行实验测试，让实验耗能成本成为测试报告不可缺少的组成部分。对于本文探讨提出的能效等级划分的方式，未来将通过大量的实验数据，以完善实验室能耗等级划分的具体内容。