风冷热泵空调变工况冷却特性的研究

摘 要： 由于室内外温度、湿度和风速等参数随季节、时间段和天气条件发生变化，使得风冷热泵空调在不同工况下的耗能较大。为了实现建筑的环境效益和经济效益，研究风冷热泵空调变工况冷却特性。以国标系列压缩机参数数据库为基准，在变工况过程内对风冷热泵空调的系统工作简化处理，获取压缩机在制冷过程中的功率。按照建筑的应用特征，采用翅片管式的蒸发器分析换热量，根据制冷工质特质计算蒸发器换热量。选择分布参数法设定计算区间，简化制冷器的运行过程，构建平衡方程获取风冷冷凝器冷却流动特征，从而优化空调系统的运行策略，提高系统的能效比和降低能耗。仿真结果表明：进风量对风冷热泵空调的冷却性能有显著影响，进风量为350 m3/h 时制冷量为450～1 200 W，露点效率为0.52～0.89，进风量为550 m3/h 时出口干球温度满足舒适度需求（23～28 ℃），进风量为850 m3/h 时制冷量为520～1 900 W，露点效率为0.12～0.62。

关键词： 风冷热泵；空调系统；冷却特性；制冷量；平衡方程；变工况

中图法分类号： TU18 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）04-0502-08

我国城镇化处于高速发展阶段，从中国建筑节能协会等行业组织发布的报告分析中可知2020 年开始每年持续性增加18 亿到20 亿m2建筑面积；并且随着城镇化的快速发展，每提高1%就会增加1000 m2甚至更多的建筑用地，能耗也会随着快速增长［1］。建筑能耗占我国能源总消费的比例已达27.5%，在建筑能耗中，暖通空调系统和生活热水系统耗能比例接近60%。当前，风冷热泵空调应用广泛，空调机组运行受到能源、环境、工程状况、使用时间及要求等多种因素的影响和制约，因此应客观全面地对风冷热泵空调运行工况进行比较分析。

在以上背景下，张杰［2］综合考虑了室外温度、换流站空气含水量以及处理空气送风量等多个因素对空调系统冷却效果的影响，明确不同条件对空调冷却的影响程度，研究结果表明，处理空气送风量越大，空调冷却效果就会相应降低。虽然研究考虑了室外温度、换流站空气含水量和处理空气送风量等因素，但在实际运行中还存在其他许多影响空调系统性能的因素未被考虑，如析湿系数、肋效率等影响因素。朱奕豪［3］等人提出了一种新的冷却塔控制策略，降低冷却塔的出水温度至接近室外空气湿球温度，更加注重根据实际环境条件动态调整冷却塔的运行参数，从而提高空调系统的运行效率。在季节变化或气候不稳定的地区，室外空气湿球温度会出现剧烈波动，该控制策略难以实现稳定的冷却塔出水温度。李辽［4］等人考虑重力作用，对GDC窗的流动和传热特征展开了深入研究，引入流体力学建立GDC窗的模型，降低空调冷负荷。由于研究重点放在了GDC窗的流动和传热特征上，而在实际应用中存在其他一些因素影响空调冷负荷，如建筑结构、室内布局等因素被忽略。

空调系统作为建筑能耗的主要源头，其耗能控制及电力负荷调节对于降低运行成本至关重要。从能量角度来看，空调系统作为建筑能耗主体，如何控制其耗能、达到电力的削峰填谷作用是节约运行成本的主要目的之一。本文以风冷热泵空调系统作为研究对象，由于系统的制冷性能直接影响着空调系统的运行效率和能耗情况，因此围绕系统的冷却过程展开分析，以全面了解系统在不同工况下的运行特性，从而优化系统设计、提高能效、减少能耗。风冷热泵空调系统包含制冷系统和送风系统，当湿空气进入蒸发器后被冷却到露点温度以下，水分被凝结析出而降低含湿量的过程，称为湿工况；当湿空气温度保持在露点温度以上，空气仅会被冷却而含湿量不变，此过程被称为干工况［2］。

空调系统的冷却过程需消耗一定的能量，在实现冷却目标的前提下如何将能耗降低是亟待解决的关键问题。本文基于空调系统的动态性能分析揭示了变工况过程的冷却特性，并提出了提高冷却性能的方法，在满足风冷热泵冷却效果的同时有效降低空调系统的能耗。通过精准控制进风量，发现露点效率与制冷量之间存在微妙的平衡关系：随着进风量的增加，露点效率虽然有所降低，但制冷量却得以提升，从而实现了在满足冷却需求的同时降低能耗的目标。这些策略不仅有助于提高空调系统的冷却性能，更在节能减排方面发挥了积极作用。

1 空调变工况冷却过程的参数分析

在进行空调变工况冷却特性分析时，采用TRNSYS软件对空调系统中的压缩机、蒸发器以及冷凝器三部分进行模拟。将时间步长设定为1 min，总模拟时间为24 h，以模拟一整天的变工况运行，室内温度与室外温度分别设定为25 ℃、30 ℃，室内湿度与室外湿度设定为50%、60%。设定的变工况条件为室外温度从上午9 点至下午5 点逐渐升高，从30 ℃升至35 ℃，室内负荷随时间变化，例如中午时分由于太阳辐射和人员活动增加，负荷达到峰值。TRNSYS是一款用于建筑能源系统模拟的软件，可以用于模拟各种建筑系统在不同运行条件下的能耗、热负荷和温湿度分布等。TRNSYS 构建的整个系统之间的关系如下：

图1 中，压缩机模块向蒸发器模块提供制冷剂，热量从蒸发器中吸收，并导致制冷剂蒸发；蒸发器模块向室内空气模块提供冷却效果，即将冷却的空气输送到建筑物内部；模拟制冷循环中的换热过程，蒸发器和冷凝器模块通常通过制冷剂进行换热，从而实现热量的传递和转移；不同组件模块可能需要接收控制信号，实现系统运行参数的调节和协调。这种联系可以实现系统的自动化控制和优化。

1.1 风冷热泵空调的压缩机功率

季节变化，使得室内外温度会出现显著波动。在夏季高温时，空调系统需要更多的能量来降低室内温度，特别是在非适应区域这种需求更加明显。由于这些参数的复杂变化，使得风冷热泵空调在不同工况下的耗能较大。压缩机作为空调制冷系统中的核心机械部件，其性能参数的精确计算对于分析整个系统的冷却特性至关重要。为了有效评估和优化系统的性能，计算压缩机功率是至关重要的一项工作。压缩机功率是决定整个空调系统能耗的重要因素，通过精确计算压缩机功率可以更好地了解系统在不同工况下的能耗情况，从而制定相应的节能策略、优化系统设计，降低能源消耗，提高系统效率。在现有风冷热泵空调机组中，以常用的国标系列压缩机性能参数数据库为例，对变工况内的风冷热泵空调压缩机的功率进行计算［3］。为实现空调系统的动态运行分析，对其系统工作进行简化：