中央空调制冷机组冷凝压力优化.pdf

一1 8 一节能E N E R G YC O N S E R V A T I O N2 0 1 3 年第9 期(总第3 7 2 期)中央空调制冷机组冷凝压力优化李越(天津市燃气热力规划设计院，天津3 0 0 1 9 1)摘要：对中央空调制冷机组冷凝压力进行理论分析和实验研究，针对不同室外温度下，通过控制冷凝压力的变化，使空调系统能量消耗最小，从而得出该室外温度下的最优冷凝压力，并通过正确有效的运行控制策略使系统维持在最优冷凝压力下工作。关键词：公共建筑；中央空调；节能运行；最优冷凝压力中图分类号：T B 6 5 7 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 4 7 9 4 8(2 0 1 3)0 9 0 0 1 8 0 7d a i：1 0 3 9 6 9 j。i s s n 1 0 0 4 7 9 4 8 2 0 1 3 0 9 0 0 5引言目前，能源问题已经成为制约我国经济和社会发展的重要因素。近年来，我国建筑规模发展迅速，其中存在着大量的高能耗建筑，尤其是公共建筑，单位面积用电量高，且用电量的增长速度高于总建筑面积的增长速度。一般公共建筑空调系统能耗占建筑能耗的5 0 6 0，因此，业界公认空调系统的能耗是公建能耗中的重要组成部分，对空调系统开展节能工作对于公共建筑的整体节能工作来说意义重大。1 冷凝压力理论优化分析本文选择热力学准则，优化给定制冷量时的空调系统运行参数。即在保证用户需冷量要求的同时，使整个空调系统的能量消耗最小。过渡季节是一个比较特殊的时段，早晚温差大。在超市、商场及一些写字楼内会运行中央空调。一般地讲，在制冷系统中，冷凝压力升高，压缩比增大，压缩机的容积效率降低，系统的相对耗电量增加。反之，冷凝压力降低，系统的相对耗电量减少。冷凝温度在2 5 4 0，每升高1，制冷机组增加耗电量3 2 左右。随着冷凝温度的升高，冷凝压力也会升高，若对于多个压缩机同时工作的大型制冷系统来说，这部分电耗是很大的。因此，制冷系统在较低的冷凝压力下运行，往往被视为低耗节能的一种工况。冷凝压力的大小对制冷机的性能系数有很大的影响，在不同室外温度下，某一个冷凝压力使机组能耗最小，即此系统的最优冷凝压力。确定最优冷凝压力并控制系统始终保持在最优冷凝压力下运行，对于提高制冷系统性能有重大意义。2 最优冷凝压力的实验研究2 1 实验目的本实验主要研究在过渡季节不同负荷、不同室外温度下，冷凝压力的变化以及对制冷机组的影响。验证在系统工况变化时，存在最优冷凝压力，使系统的能耗最小，并且找出使系统维持在最优冷凝压力下工作的调节控制方法。测试内容如下：1)通过实验确定过渡季节室外温度变化对机组运行状况的影响：测试随着负荷和室外温度的变化冷凝压力如何变化；不同室外温度和负荷条件(制冷量分别为3 0 k W、2 4 k W、1 8 k W)下冷凝压力和压缩机做功之间的关系。2)通过实际测量得出不同负荷、不同温度下，冷凝压力为何值时空调系统冷却水泵和压缩机功耗和为最小，即在此冷凝压力下系统最节能。在一定室外温度下，逐渐减小冷凝压力设定值，以1 0 k P a 逐步减小并记录冷却水泵和压缩机做功之和，观察变化趋势，当冷凝压力减少到某一数值时冷却水泵和压缩机功耗者之和最小。这个冷凝压力就是该温度下最优冷凝压力。2 2 实验系统实验系统装置简图如图1 所示。实验系统的整体结构如图2 所示。制冷系统控制器如图3 所万方数据2 0 1 3 年第9 期(总第3 7 2 期)节能E N E R G YC O N S E R V A l l O N示。实验台设备明细如表1 所示。本实验的实验平台为活塞式制冷系统，为制冷负荷可调的水冷型式制冷系统实验平台。系统由活塞压缩机、板式换热器、电子膨胀阀、外平衡式热力膨胀阀、气液热交换器、储液器等组成。实验系统采用1 台变频半封闭活塞式压缩机，可以连续调节制冷系统的制冷量。制冷剂管路的管材采用紫铜管，保温材料为橡冷水循环泵塑。冷冻水及冷却水系统管路采用镀锌钢管，冷却塔放置在楼顶。为了保证测试的精度和测量的稳定性，冷冻水及冷却水管路上设有旁通管路以稳定进入蒸发器和冷凝器的水温和水量。实验系统设有冷冻水出水低温保护和压缩机高低压、过载保护。实验系统各项参数均可大范围调节，以方便对各种运行工况进行测试。表1 实验台设备明细卫温度传感器丹流量实验系统装置简图(b)制冷循环内部装置图2 实验系统的整体结构器图送变力E旦泵拌搅水冷万方数据节能E N E R G YC o N S E R V A T I O N2 0 1 3 年第9 期(总第3 7 2 期)图3 制冷系统控制器制冷系统在压缩机、蒸发器、冷凝器进出口处设有温度和压力变送器；在贮液器与气液热交换器连接管路上设有涡轮流量计。为了便于观察制冷剂的状态，在蒸发器的入口管路上装有液视镜。冷凝器、蒸发器水管路出口设有温度传感器和电磁流量计；为了测试冷却塔的冷却能力与阻力，在冷却水管路上设有温度传感器、压力变送器和电磁流量计。在压缩机、冷冻水泵、冷却水泵和电加热器上装有三项功率传感器。温度传感器采用P t l 0 0 热电阻，A 级精度，压力变送器和电磁流量计输出信号4 2 0 m A，仪表精度0 5。控制系统除常规的控制回路空气开关等以外控制器采用美国K M C楼宇控制器K M D 5 8 3 1，控制器输出0 1 0 V 控制信号，分别控制压缩机转速、电子膨胀阀开度。2 3 实验所测数据由于在实际的压缩制冷系统中，冷凝温度主要取决于当地夏季环境的干、湿球温度，蒸发温度主要取决于系统的负荷情况，并且蒸发压力和冷凝压力因工质而异。故实验中采用蒸发温度为5。c，冷凝温度为4 0，压缩机吸气温度为1 5，冷凝器过冷温度为3 5 作为系统的空调工况参数，制冷剂采用R 2 2。系统采用功率可调的电加热器作为负载源，并在制冷系统压缩机、蒸发器、冷凝器、电子膨胀阀等设备的出入口外加装高精度温度、压力变送器、流量计等设备，在压缩机、水泵等设备上加装功率传感器，以监测制冷系统变工况时参数变化情况，并通过计算机控制编程实现对压缩机、水泵变频和电子膨胀阀开度调节，满足制冷系统负荷变化的在线优化调节方法研究。实验室的电子监测系统可以实时监测并且以每1 0 s 一次的频率记录3 8 种系统工况数据。2 4 实验数据分析2 4 1 过渡季节室外温度变化时对机组运行状况的影响1)测试在室外温度变化时，冷凝压力的变化，在不同负荷的情况下分别进行实验(下文数据中冷凝压力的单位为k P a，室外温度为，功耗为k W)。不同压缩机频率下冷凝压力变化情况如图4 图6 所示。室外温度图4 压缩机频率f=5 0 H z(冷负荷为3 0 k W)时冷凝压力变化情况图5 压缩机频率f=4 0 H z(冷负荷为2 4 k W)时冷凝压力变化情况。譬外温膛，t：图6 压缩机频率，=3 0 H z(冷负荷为1 8 k W)时冷凝压力变化情况空调系统在大多数情况都不是满负荷运转，通过实验可以看出：在不同负荷的情况下，随着室外温度的升高，冷凝压力也随着升高。2)在不同温度下，冷凝压力变化时与压缩机湖瑚瑚卿咖芒R 邕掣Q瑚瑚mm咖咖卿芒董R避专f0505O5O5050睨叭叭吩鲫卯卯芒R 邕爨Q万方数据2 0 1 3 年第9 期节能做功的关系。压缩机频率f-5 0 H z(冷负荷为3 0 k W)时不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系如图7所示。芒嚣釜墨婚出7 6 8 07 6 6 0芒7 6 4 0雷基7 6 2 0舞7 6 0 0幽7 5 8 07 5 6 07 6 5 07 6 0 0雷7 5 5 0基耍7 5 0 0出7 4 5 07 4 0 0冷凝压力k P a(a)室外温度为2 3 2 6 41 2 6 61 2 6 81 2 7 01 2 7 2冷凝压力k P a(b)室外温度为2 2 1 2 2 07 5 0 07 4 0 0芒7 3 0 0嚣整7 2 0 0套嘏 7 1 0 0垲7 0 0 06 9 0 01 2 4 01 2 6 01 2 8 0冷凝压力k P a(c)室外温度为2 1 1 1 0 01 1 5 01 2 0 01 2 5 0冷凝压力k P a(d)室外温度为2 0 图7 在压缩机功率为5 0 H z 时某一温度段不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系压缩机频率f=4 0 H z(冷负荷为2 4 k W)时不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系如图8所示。芒器釜睾婿岜芒尽整墨婿幽冷凝压力k P a(a)室外温度为2 3 冷凝压力k P a(b l b 室外温度为2 2 E冷凝压力k P a(c)室外温度为21o C冷凝压力k P a(d)室外温度为2 4。C图8 在压缩杌功率为4 0 I t z 时某一温度段不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系压缩机频率，=3 0 H z(冷负荷为1 8 k W)时不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系如图9所示。通过实验测试可以看出：在不同室温下随着冷凝压力的增长，压缩机做功是增长的。2 4 2 冷凝压力的优化控制在制冷系统中，压缩机和水泵的能耗是主要的能耗来源。以压缩机做功和冷却水泵做功之和最芒蠡基睾船趟芒督篷墨婿醴万方数据节能2 0 1 3 年第9 期一2 2 一E N E R G YC O N S E R V A T I O N(总第3 7 2 期)小测试目标，对冷凝压力进行优化并确定不同温度下何种冷凝压力下系统能耗最小，以及C O P 的变化，以达到节能的目的。芒雷釜宝婚出3 4 3 53 4 2 03 3 3 03 3 1 5冷凝压力k P a(a)室外温度为2 2 9 8 01 0 0 01 0 2 01 0 4 0冷凝压力k P a(b)室外温度为2 l 9 8 03 4 3 53 4 3 03 4 0 03 3 9 59 9 01 0 0 01 0 1 01 0 2 0冷凝压力k P a(c)室外温度为2 0 9 9 51 0 0 01 0 0 51 0 1 01 0 1 5冷凝压力k P a(d)室外温度为1 9。1 2图9 在压缩机功率为3 0 H z 时某一温度段不同室外温度下冷凝压力和压缩机做功的关系在一定室外温度下，逐渐减小冷凝压力设定值，以1 0 k P a 逐步减小并记录冷却水泵和压缩机做功之和，观察变化趋势，当冷凝压力减少到某一数值时冷却水泵和压缩机功耗者之和最小。这个冷凝压力就是该温度下最优冷凝压力。工艺条件要求供水温度保持不变，大约在7，蒸发压力基本保持不变，但冷凝压力随室外温度变化较大，对机组运行稳定性及能效产生很重要的影响。因此只针对制冷机组对象的最小能耗运行开展研究，所以没有考虑冷冻水泵的能耗。压缩机频率，=5 0 H z(冷负荷为3 0 k W)时不同室外温度下冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功的关系如图1 0 所示。冷凝压力k P a(a)室外温度为2 0 冷凝压力k P a(b)室外温度为2 l 1 2 1 01 2 2 01 2 3 01 2 4 01 2 5 01 2 6 0冷凝压力k P a(c 1 室外温度为2 2。C图l O 在压缩机功率为5 I-l z 时某一温度段不同室外温度下冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功之和的关系压缩机频率f=4 0 H z(冷负荷为2 4 k W)时不同室外温度下冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功的关系如图1 1 所示。压缩机频率，=3 0 H z(冷负荷为1 8 k W)时不同室外温度下冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功的关系如图1 2 所示。芒冥骥雷暴婿蹬+燃*嚣Q芒犀骥雷暴晕I事出+燃繁哥佥如 钙驺”芒罨基毒婚幽O0000O0O04208642O8555444443999999999亭芒熏糕督暴gI；幽+聪繁嚣佥O00OOOO042086420”芒雷晕$婿幽万方数据2 0 1 3 年g9 期节能冷凝压力k P a(a)室外温度为21 冷凝压力，l(P a冷凝压力k P a(c)室外温度为2 3 在压缩机功率为4 0 H z 时某一温度段不同室外温度冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功之和的关系冷凝压力k P a(a)室外温度为2 0 1 0 6 01 0 8 01 1 0 01 1 2 01 1 4 0冷凝压力k P a(b)室外温度为2 1 冷凝压力k P a(c)室外温度为2 2 图1 2 在压缩机功率为3 0 H z 时某一温度段不同室外温度下冷凝压力和冷却水泵与压缩机做功之和的关系冷凝压力优化控制情况如表2 所示。表2 冷凝压力优化控制表注：功耗和=冷却水泵做功2+压缩机做功x 4。在蒸发压力保持基本不变的情况下，从压缩机做功和冷却水泵做功之和与冷凝压力的关系曲线图中可见，曲线关系表现为为一个凸函数的形式，并且随着温度的升高最优冷凝压力是逐渐升高的。3 结论通过上述实验，验证出最优冷凝压力的存在，只有使得系统维持在这个最优状态才能达到节能的目的。1)在本实验研究中，是研究过渡季节的冷凝压力对制冷机组的影响。过渡季节气温偏低，会出现冷凝压力偏低，甚至会导致供液压力不足，系统无法正常工作。维持合适的冷凝压力其实就是维持一个适当的冷凝器热交换量，过渡季节环境温度较低时，就要采取措施使得冷凝器换热量不致过大。2)调节冷却剂流量。事芒犀耀雷暴好础+聪*嚣佥O00000OOOO5O5O5O5O964l964l9666655554芒冥耀雷$婚出+熙*骨受万方数据节能2 0 1 3 年第9 期二一丝一E N E R G YC O N S E R V A T I O N(总第3 7 2 期)在水冷式冷凝器中，常采用水流量调节阀调节冷凝压力。压力控制型水流量调节阀以冷凝压力为信号对冷却水的流量进行比例调节。温度控制型水流量调节阀，它以感温包检测冷却水出口的温度变化，将温度信号转变成感温包内的压力信号，调节冷却水的流量。对于风冷式冷凝器，改变风量的调节方法有：采用变转速风扇电机；调节冷凝风扇的运转台数；在冷凝器进风口或出风口设置风量调节阀。这些调节方法均可采用冷凝压力或环境温度为信号进行风量调节。3)调节冷凝器传热面积。具有多组冷凝器时，可以利用串联在各组冷凝器通道上的电磁阀的开闭状态，开启或截断冷凝器通路，以改变冷凝器的传热面积。4)对于风冷机组，冷凝风机变频调速的冷凝压力调节方法是一种有效的节能方法。通过变频器对冷凝风机转速的控制，既实现了对冷凝压力有效合理的调节，又达到了明显的节能效果。5)安装冷凝压力检测器。将冷凝压力监控器应用于制冷系统，除了可以指令自动型空气分离器对空气进行自动分离排除外，对其他原因造成的冷凝压力偏高，如冷凝器传热壁面有油垢或水垢造成的传热不良、冷却水量减少，低压部分有空气渗入点等不同的表现症状。真正实现了自控状态，也减少了人力资源的浪费。参考文献 1 刘九玲空调系统优化运行及控制基础理论研究 D 邯郸：河北工程大学，2 0 1 0 2 余平三制冷系统的节能优化运行 J 制冷，2 0 0 2，2 1(2)：8 2 8 5 3 杨文辉公共建筑空调系统综合节能运行模式研究 D 重庆：重庆大学，2 0 0 8 4 陈志雄浅谈暖通空调系统中的节能问题 J 建材与装饰，2 0 0 8，(3)：1 8 1 1 8 2 5 林桂煌制冷系统的冷凝压力与能耗关系浅说 J 冷藏技术，1 9 9 4，(1 2)：1 6 2 8 6 王祥浅谈中央空调系统节能措施 J 科技资讯，2 0 0 8，(8)：8 2 作者简介：李越(1 9 8 5 一)，女，天津人，硕士，工程师，从事热能工程及暖通方面的设计工作。收稿日期：2 0 1 3 0 6 2 1；修回日期：2 0 1 3 0 8 2 6节能技术杂志简介节能技术杂志是由中华人民共和国工业和信息化部主管，由哈尔滨Y-,_ l k 大学国防科技x-,_ l k 节能技术服务中心于1 9 8 3 年创办出版的科技理论与应用技术综合类刊物。节能技术刊名由原国务委员、军委委员张爱萍同志题字。被国内外各大数据库检索收录，2 0 0 6 年被C S A 美国剑桥科学文摘数据检索收录，2 0 0 7 年被V I N I T I 俄罗斯文摘杂志数据检索收录，2 0 1 2 年被C A 美国化学文摘数据检索收录。是国家中文核心期刊，中国科技核心期刊，中文科技核心期刊，R C C S E 中国核心学术期刊，多次获得国家、国防科工委及省级主管部门的奖励，多次当选为全国能源刊物协会副理事长单位。本刊主要栏目：研究与探讨、设计与测试、调查与分析、新能源、节能与环保、节能技术、技术改造、建筑节能、能源管理、经验交流、学术争鸣和问题探讨等专栏。节能技术杂志大1 6 开，双月刊，逢单月2 6 日出版，彩色四封，9 6 页，定价1 0 元期，全年6 0 元，国内外发行，国内统一刊号C N 2 3 1 3 0 2 T K，国际连续出版物号I S S N l 0 0 2 6 3 3 9，全国各地邮局均可订阅，邮发代号1 4 1 1 0。通讯地址：哈尔滨x-,_ l k 大学节能楼3 0 9 房间节能技术编辑部邮政编码：1 5 0 0 0 1电话传真：0 4 5 1 8 6 4 1 3 2 0 58 6 4 1 2 0 4 8(传真)投稿信箱：j n j s h i t e d u c n网址：w w w i n j s h i t c o m万方数据