1、水冷式空调机的性能特征模拟摘要为了提高能源效率，水冷式空调系统（ WACS）被广泛应用于商业领域,但在家庭中很少使用。人们发现，现在还没有数学模型和能量的模拟方案，用于详细的调查和评估水冷式空调机的节能性能。为了提高水冷式空调在国内行业的适用性，预测模型对能源性能分析的发展是必要的。本文论述的实证模型可用于研究使用水冷式空调机的运行性能和能源消耗。该模型包括四个子模型已考虑到冷却水系统的能量消耗。水冷式空调系统设立在环境室，以验证模型所得到的结果。在 90 的额定容量时，水冷式空调系统的整体 COP 被发现是大于 3 的。用 RMS 比较预测结果与实验结果，误差在 11以内。关键词：水冷式空调
2、机；冷却水系统；住宅楼；能耗模拟1 引言香港在过去二十年中，由于经济和城市化进程的快速发展，高层住宅建筑物的能源消耗，特别是电力的使用，在急剧上升。先前对家庭能源统计的研究表明，从 1990 年到 2000 年，空调总耗能增加了 80%，而人口增长率仅为 23%左右。在香港一个典型的住宅建筑内，空调消耗占能源消耗的 25%。这些统计数据清楚的表明，采用节能措施对于减少空调的能源消耗是非常有价值的。香港是是一个亚热带城市，夏天炎热潮湿。在家庭中空调被广泛应用。这些空调大多是风冷式窗口或是分割单元，这在香港和世界其他地方非常常见。鉴于空调设备输出一个给定冷却速率所需要的电力随着进入冷凝器的冷却介质
3、温度的增加而增加，在香港使用空冷机组是非常低效的，而且在夏天室外高度达到 35 度，也是原因之一。大多数空冷机组能达到的制冷系数（COP）比较低，在 2.2 到 2.4 之间。另外一个原因，提高空冷机组节能性能的最常见做法是把空冷机组放置在一个凹空间中，这样的设计在香港是独一无二的。这些空间可以满足大多数居住着的需求。主要的一个原因是为了保证采光和自然通风的最大化，这是有香港有关的建筑法规和业务法规规定的。然而，最有争议的用途是当空调换热器无法进行正常换热时，可以保证空调散热。根据一些研究，热空气射流将产生一个上升的空气柱来提高环境温度。这种效应在上层尤为突出。然而，它们只要用于大型商业建筑在
4、家庭中很少使用。由于为了保证水和空气进入蒸发式冷却塔来冷却冷凝水，泵和风机需要额外的电力，而且现在缺乏水冷式空调系统在家庭中广泛应用的整体效益的详细分析。计算机模拟是研究水冷式空调系统运行性能和能量消耗的一个非常有用的工具。参考了近年来水冷式空调系统在商业建筑中的应用研究，值得注意的是，虽然性能数据和仿真工具被广泛使用，但他们也很难用于对家庭用水冷空调系统的性能进行评估。主要原因是它们在不同的制冷量，不同的压缩机设计，不同的容量控制中相差很大。此外，不同于中央冷水机组，至今没有数学模型用于预测家庭用水冷冷水机组的性能和能量使用。有两种基本的数学模型，用于分析空调系统的性能。首先是一个很详细的模
5、型，考虑到组成单元各部件的相互作用。详细的模型一般基于质量和能量的平衡，并用于研究机组的动态性能。然而，这些模型是非常复杂的，需要消耗大量的计算时间和输入非常详尽的能量模拟。另一种是经验模型，通过代数方程把输入和输出直接联系起来。代数方程由性能数据和详尽的模型输出推导出的。这样就减少了输入的要求以及模拟运行的计算时间。在这项研究中，由于各部件的动态信息不可用于能量分析，所以才用实证研究的方法。实验模型的开发，参考了制造商的数据，这些数据是现成的但不能展现成一个用于定性和定量分析的表格形式。因此，由此得到的模型可用于预测在不同操作条件下的单位制冷量，冷凝器的散热量，性能系数，水冷式空调系统的性能
6、和水冷式空调机的整体耗电量。在验证所得到的模型时，在水冷式空调系统的工作原型组成的实验室实验。该水冷式空调系统包括一个 3.36KW 的水冷式分体装置和一个独立的冷却水系统。独立的冷凝器系统包括一个自组装的冷却塔和一个恒定转速的循环泵，它一对一的连接到水冷式分体装置。在试验中，动态特性对不同的负载条件作出反应，对所得到的 COP 和能量消耗进行测定和评价。此模型在成功验证后在未来可用于评定高层建筑采用水冷式空调系统的节能性能。2 实验模型的开发在香港，典型的现代高层住宅楼包含大量的公寓，每一个公寓包括一至数间卧室，一个组合的客厅和餐厅，对于更大的公寓，包括独立的客厅和餐厅及其他房间如厨房和浴室
7、。卧室，客厅和餐厅（或组合的客厅和餐厅）通常设有独立的窗口或独立式空调。假定每个房间都设有独立的水冷式空调，水冷式空调器可以是窗口式或分体式加上一个独立的冷却水系统。测试水冷式空调系统性能的试验模型包括四个相互联系的部分，分别是蒸发器，冷凝器，冷却塔和能量消耗模型。能量消耗模型考虑到了包括恒定速率的循环泵和冷却塔的独立冷却水系统的能量使用。2.1 冷凝器模型冷凝器模型利用能量平衡原理来确定冷凝水系统的散热量和操作条件，它满足下面的公式：= （ ） （1）-= （2）-R N G =（ ）= （3）-+2.2 蒸发器模型蒸发器通常是直接膨胀（DX）型，类似于冷凝器模型，蒸发器模型满足下列能量平衡
8、方程：= （ ） （4） = （ ） （5） 下面的理性气体方程可用于确定湿空气的性质：h=1.006T+（2501+1.805T） （6）= （7）（ 25012.381） 1.006()2501+1.8054.186由于水冷式空调各部件操作条件的动态变化，直接用 和 计算蒸发器的冷量（ ）是很困难的，因为在蒸发器中热量和质量传递的动力是蒸发器和冷凝器之间的压力差，这相应地取决于室内空气温度（ ）和冷凝器进水温度（ ） 。为方便起见， 假定为室内空气温度（ ）和冷凝器进水温度（T ）的函数。为了提高该模型的适用性，把不同容量的同类机组安装在一个住T宅公寓内，机组性能数据以额定条件下的分数值为
9、标准。因此 Eq（5）可以假定为= = + （8） 01+2T系数 和 根据制造商提供的性能数据用回归分析法求得。0 12.3 冷却塔模型通过冷凝器的冷却水循环由吹入冷却塔的空气冷却。在冷却塔中的传热包括潜热部分和显热部分，根据冷却塔模型的性能传热量可由下面的公式表示：（9） =()（10 ） =()RNG = （11）=()冷凝器进水温度（ ）取决于冷却塔的性能，通常认为是环境湿球温度和在施加恒定的水流量时冷却塔的范围（RNG）的函数。冷凝器进水温度可用下面的公式表示： =0+1+22+3+42+ 5+62+72+822（12）其中系数 到 由根据制造商提供的性能数据用回归分析法求得。注意，
10、0 8小容量的冷却塔不适用于商业市场，回归模型是参照更大容量冷却塔的性能数据开发的。得到的系数见表 1。表 1 冷却塔模型系数 2.526400.856610.002822.18493-0.06044-0.074550.0004624.94477-0.000028表 2水冷式空调模型系数设备容量2KW 2.6KW 3.36KW 5.3KW0.3491 0.2855 0.3567 0.31670-0.0076 -0.0070 -0.0071 -0.0072 10.0322 0.0339 0.0318 0.0331 20.3298 0.4687 0.3062 0.4061 00.0206 0.01
11、72 0.0167 0.017010.0186 0.0105 0.0163 0.0103 20.1364 0.1261 0.0947 0.1032 2.4 功耗模型电源输入空调机一分为二，一个是压缩机消耗（ ）另一个是循环水泵和冷却塔风扇消耗（ ） 。这两部分将随瞬时冷却一个住宅公寓所需空调数量的变化而变化。压缩机消耗（ ）将随室内温度（ ） ，冷凝器进水温度（ ） ，空调 T器的冷负荷（ ）的变化而变化。整个 COP 包括凝结水泵、冷却塔风机能量的使用，这可以由以下方程表示：（13） =0+1+2TCOP= （14） 由于循环泵和冷却塔风扇通常没有控制容量的设置，所以可以认为当水冷式空调的压
12、缩机在运行时，对应的输入功率（ ）是一直是最大的。但当压缩机处于停机状态时，输入功率变为 0，因此，当瞬时冷却需求量是 时，水冷空调系统总的输入功率（W）可用下式表示：W=（ ） （15）+ (16) =基于以上模型，用于水冷式空调系统的性能建模所需的数据已经简化，包括：模型系数（ 到 ， 到 ， 到 ） ；循环泵和冷却塔风扇的额定输入0 2 0 2 0 8功率（ ） ；额定制冷量（ ）以及不同容量的水冷式空调的电力需求（ ） 。 用回归分析法对从厂商技术手册获得的性能数据进行分析，得到模型系数。数据见表 2。为了保证在同一个住宅公寓内安装不同容量的机组，四种空调模型已经开发出来，每个设备的容
13、量分别为 2.0 kW, 2.6 kW, 3.36 kW 和 5.3 kW。流程图如图 1 所示。图 1.水冷式空调模拟流程图3 水冷式空调系统的样机和试验3.1 样机设计为了验证水冷式空调的试验模型，水冷式空调机组样机安装在了实验室中，如图 2 所示。图 2.水冷式空调系统原型水冷式空调样机包括室内机，室外机，冷却塔和循环泵。额定制冷量3.36KW，额定功耗 0.88KW。结构如图 3 所示。制冷剂 R22 被广泛应用。室内机包括毛细管，铜管和铝翅片制成的直接膨胀型蒸发器。室外机包括连接在封闭式压缩机上的管筒式水冷冷凝器。因为小容量冷却塔不用于商业市场，所以冷却塔是自组建的。冷却塔和循环泵的
14、规格见表 3。表 3独立的冷却水系统的规格元件 规格冷却塔冷却塔风扇 35.2W，空气流量 10.8L/min塑料包装尺寸 53cm 53cm 50cm 外形尺寸 60cm 60cm 125cm 循环泵 132W，水流量 25L/min压缩机无法进行容量调节，依照室内空气温度设定值控制冷量的输出，冷却塔容量和输入空调器的总功率也是用的这种控制方式。水冷式空调系统原型设有控制冷凝水的温度和容量的装置，以维持毛细管在适度的冷凝压力下有效运行。3.2 实验装置该装置的性能是在一个环保室中测试的，如图 4 所示。室内和室外装置安置在完全隔离的房间中，一个房间模拟室外环境另一个模拟室内环境。在室内室，热
15、发生器和湿度发生器通过调整显热和潜热的输出来模拟香港典型卧室中的不图 3.试验装置同的室内工作条件。一套空气处理装置用于保持室外室的温度和相对湿度处于理想状态。在试验中房间热负荷和室内冷负荷见表 4。为了保持空调在低负载条件下也能工作，特将室内温度设置为 17。室内温度和湿度发生器的输出范围设置成 0.5KW-3KW（额定容量从 15%到 90%）间隔是 0.5KW，而 SHR 的范围是 0.7-0.8，间隔是 0.05。通过能耗模拟软件 HTB2 和聚类分析法确定负载条件。在仿真模拟中，假定包络线设计，电器负荷，通风速率都遵循香港建筑环境评估法（HK-BEAM-04） ，室外最高温度与 20
16、05 年香港最大的湿球和干球温度相一致。通过阀门将冷却水流量调节为 22.6l/min，冷却水流量的测定是通过涡轮流量计。为了测量冷量，在室内机的返回和供应空气流中安装两对湿球和干球温度传感器。同样，在冷却塔的供应和排气流中也安装两对干球和湿球温度传感器，用于测定总的散热量。通过热风速仪测量空气流量。由功率表测量输入的功率。所有的温度计，流量计和功率传感器与连个数据记录器相连。主要仪器的精度见表 5。3.3 试验模型对测得的试验数据进行计算：用公式（4） ， （6） ， （7）计算制冷量；公式（1）计算总散热量；公式（14）计算 COP。在验证试验模型时，将实验结果与预测值进行比较。由于数据非常多，所以选用最大室内冷负荷 3KW 和最小室内冷负荷 0.5KW 下的结果作为最具代表性的数据，见图 4-7。
