1、<p>　　水冷式空調機的性能特征模擬</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　為了提高能源效率，水冷式空調系統(tǒng)（ WACS）被廣泛應用于商業(yè)領域,但在家庭中很少使用。人們發(fā)現，現在還沒有數學模型和能量的模擬方案，用于詳細的調查和評估水冷式空調機的節(jié)能性能。為了提高水冷式空調在國內行業(yè)的適用性，預測模型對能源性能分析的發(fā)展是必要的。本文

2、論述的實證模型可用于研究使用水冷式空調機的運行性能和能源消耗。該模型包括四個子模型已考慮到冷卻水系統(tǒng)的能量消耗。水冷式空調系統(tǒng)設立在環(huán)境室，以驗證模型所得到的結果。在90 ％的額定容量時，水冷式空調系統(tǒng)的整體COP被發(fā)現是大于3的。用RMS比較預測結果與實驗結果，誤差在11％以內。</p><p>　　關鍵詞：水冷式空調機；冷卻水系統(tǒng)；住宅樓；能耗模擬</p><p><b>　

3、　1 引言</b></p><p>　　香港在過去二十年中，由于經濟和城市化進程的快速發(fā)展，高層住宅建筑物的能源消耗，特別是電力的使用，在急劇上升。先前對家庭能源統(tǒng)計的研究表明，從1990年到2000年，空調總耗能增加了80%，而人口增長率僅為23%左右。在香港一個典型的住宅建筑內，空調消耗占能源消耗的25%。這些統(tǒng)計數據清楚的表明，采用節(jié)能措施對于減少空調的能源消耗是非常有價值的。</p>

4、;<p>　　香港是是一個亞熱帶城市，夏天炎熱潮濕。在家庭中空調被廣泛應用。這些空調大多是風冷式窗口或是分割單元，這在香港和世界其他地方非常常見。鑒于空調設備輸出一個給定冷卻速率所需要的電力隨著進入冷凝器的冷卻介質溫度的增加而增加，在香港使用空冷機組是非常低效的，而且在夏天室外高度達到35度，也是原因之一。大多數空冷機組能達到的制冷系數（COP）比較低，在2.2到2.4之間。另外一個原因，提高空冷機組節(jié)能性能的最常見做法是

5、把空冷機組放置在一個凹空間中，這樣的設計在香港是獨一無二的。這些空間可以滿足大多數居住著的需求。主要的一個原因是為了保證采光和自然通風的最大化，這是有香港有關的建筑法規(guī)和業(yè)務法規(guī)規(guī)定的。然而，最有爭議的用途是當空調換熱器無法進行正常換熱時，可以保證空調散熱。根據一些研究，熱空氣射流將產生一個上升的空氣柱來提高環(huán)境溫度。這種效應在上層尤為突出。</p><p>　　然而，它們只要用于大型商業(yè)建筑在家庭中很少使用。由

6、于為了保證水和空氣進入蒸發(fā)式冷卻塔來冷卻冷凝水，泵和風機需要額外的電力，而且現在缺乏水冷式空調系統(tǒng)在家庭中廣泛應用的整體效益的詳細分析。計算機模擬是研究水冷式空調系統(tǒng)運行性能和能量消耗的一個非常有用的工具。參考了近年來水冷式空調系統(tǒng)在商業(yè)建筑中的應用研究，值得注意的是，雖然性能數據和仿真工具被廣泛使用，但他們也很難用于對家庭用水冷空調系統(tǒng)的性能進行評估。主要原因是它們在不同的制冷量，不同的壓縮機設計，不同的容量控制中相差很大。此外，不同

7、于中央冷水機組，至今沒有數學模型用于預測家庭用水冷冷水機組的性能和能量使用。</p><p>　　有兩種基本的數學模型，用于分析空調系統(tǒng)的性能。首先是一個很詳細的模型，考慮到組成單元各部件的相互作用。詳細的模型一般基于質量和能量的平衡，并用于研究機組的動態(tài)性能。然而，這些模型是非常復雜的，需要消耗大量的計算時間和輸入非常詳盡的能量模擬。另一種是經驗模型，通過代數方程把輸入和輸出直接聯(lián)系起來。代數方程由性能數據和詳

8、盡的模型輸出推導出的。這樣就減少了輸入的要求以及模擬運行的計算時間。在這項研究中，由于各部件的動態(tài)信息不可用于能量分析，所以才用實證研究的方法。實驗模型的開發(fā)，參考了制造商的數據，這些數據是現成的但不能展現成一個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預測在不同操作條件下的單位制冷量，冷凝器的散熱量，性能系數，水冷式空調系統(tǒng)的性能和水冷式空調機的整體耗電量。</p><p>　　在驗證所得到的模型

9、時，在水冷式空調系統(tǒng)的工作原型組成的實驗室實驗。該水冷式空調系統(tǒng)包括一個3.36KW的水冷式分體裝置和一個獨立的冷卻水系統(tǒng)。獨立的冷凝器系統(tǒng)包括一個自組裝的冷卻塔和一個恒定轉速的循環(huán)泵，它一對一的連接到水冷式分體裝置。在試驗中，動態(tài)特性對不同的負載條件作出反應，對所得到的COP和能量消耗進行測定和評價。此模型在成功驗證后在未來可用于評定高層建筑采用水冷式空調系統(tǒng)的節(jié)能性能。</p><p><b>　　

10、2 實驗模型的開發(fā)</b></p><p>　　在香港，典型的現代高層住宅樓包含大量的公寓，每一個公寓包括一至數間臥室，一個組合的客廳和餐廳，對于更大的公寓，包括獨立的客廳和餐廳及其他房間如廚房和浴室。臥室，客廳和餐廳（或組合的客廳和餐廳）通常設有獨立的窗口或獨立式空調。假定每個房間都設有獨立的水冷式空調，水冷式空調器可以是窗口式或分體式加上一個獨立的冷卻水系統(tǒng)。測試水冷式空調系統(tǒng)性能的試驗模型包括四

11、個相互聯(lián)系的部分，分別是蒸發(fā)器，冷凝器，冷卻塔和能量消耗模型。能量消耗模型考慮到了包括恒定速率的循環(huán)泵和冷卻塔的獨立冷卻水系統(tǒng)的能量使用。</p><p><b>　　2.1 冷凝器模型</b></p><p>　　冷凝器模型利用能量平衡原理來確定冷凝水系統(tǒng)的散熱量和操作條件，它滿足下面的公式：</p><p>　　=（） （1）<

12、/p><p>　　= （2）</p><p>　　R N G =（）=（3）</p><p><b>　　2.2 蒸發(fā)器模型</b></p><p>　　蒸發(fā)器通常是直接膨脹（DX）型，類似于冷凝器模型，蒸發(fā)器模型滿足下列能量平衡方程：</p><p>　　=（）

13、 （4）</p><p>　　=（） （5）</p><p>　　下面的理性氣體方程可用于確定濕空氣的性質：</p><p>　　h=1.006T+ω（2501+1.805T） （6）</p><p><b>　　ω=（7）</b></p><p>　　由于水冷式空調各部件操

14、作條件的動態(tài)變化，直接用和計算蒸發(fā)器的冷量（）是很困難的，因為在蒸發(fā)器中熱量和質量傳遞的動力是蒸發(fā)器和冷凝器之間的壓力差，這相應地取決于室內空氣溫度（）和冷凝器進水溫度（）。為方便起見，假定為室內空氣溫度（）和冷凝器進水溫度（）的函數。為了提高該模型的適用性，把不同容量的同類機組安裝在一個住宅公寓內，機組性能數據以額定條件下的分數值為標準。因此Eq（5）可以假定為</p><p>　　= =+ （8）<

15、/p><p>　　系數和根據制造商提供的性能數據用回歸分析法求得。</p><p><b>　　2.3 冷卻塔模型</b></p><p>　　通過冷凝器的冷卻水循環(huán)由吹入冷卻塔的空氣冷卻。在冷卻塔中的傳熱包括潛熱部分和顯熱部分，根據冷卻塔模型的性能傳熱量可由下面的公式表示：</p><p><b>　　（9）&

16、lt;/b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　RNG = （11）</p><p>　　冷凝器進水溫度（）取決于冷卻塔的性能，通常認為是環(huán)境濕球溫度和在施加恒定的水流量時冷卻塔的范圍（RNG）的函數。冷凝器進水溫度可用下面的公式表示：</p><p><b>

17、;　?。?2）</b></p><p>　　其中系數到由根據制造商提供的性能數據用回歸分析法求得。注意，小容量的冷卻塔不適用于商業(yè)市場，回歸模型是參照更大容量冷卻塔的性能數據開發(fā)的。得到的系數見表1。</p><p>　　表1 </p><p>　　冷卻塔模型系數

18、 </p><p><b>　　表2</b></p><p><b>　　水冷式空調模型系數</b></p><p>　　2KW 2.6KW 3.36KW 5.3KW</p><p>　　-0.0076 -

19、0.0070 -0.0071 -0.0072</p><p>　　0.0322 0.0339 0.0318 0.0331</p><p>　　0.3298 0.4687 0.3062 0.4061</p><p>　　0.0206

20、 0.0172 0.0167 0.0170</p><p>　　0.0186 0.0105 0.0163 0.0103</p><p>　　0.1364 0.1261 0.0947 0.1032</p><p>

21、<b>　　2.4 功耗模型</b></p><p>　　電源輸入空調機一分為二，一個是壓縮機消耗（）另一個是循環(huán)水泵和冷卻塔風扇消耗（）。這兩部分將隨瞬時冷卻一個住宅公寓所需空調數量的變化而變化。</p><p>　　壓縮機消耗（）將隨室內溫度（），冷凝器進水溫度（），空調器的冷負荷（）的變化而變化。整個COP包括凝結水泵、冷卻塔風機能量的使用，這可以由以下方程表示

22、：</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　COP= （14）</p><p>　　由于循環(huán)泵和冷卻塔風扇通常沒有控制容量的設置，所以可以認為當水冷式空調的壓縮機在運行時，對應的輸入功率（）是一直是最大的。但當壓縮機處于停機狀態(tài)時，輸入功率變?yōu)?，因此，當瞬時冷卻需求量是時，水冷空調系統(tǒng)總的輸入功

23、率（W）可用下式表示：</p><p>　　W=（） （15）</p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　基于以上模型，用于水冷式空調系統(tǒng)的性能建模所需的數據已經簡化，包括：模型系數（到，到，到）；循環(huán)泵和冷卻塔風扇的額定輸入功率（）；額定制冷量（）以及不同容量的水冷式空調的電力需求（）。</p><

24、;p>　　用回歸分析法對從廠商技術手冊獲得的性能數據進行分析，得到模型系數。數據見表2。為了保證在同一個住宅公寓內安裝不同容量的機組，四種空調模型已經開發(fā)出來，每個設備的容量分別為2.0 kW, 2.6 kW, 3.36 kW和5.3 kW。流程圖如圖1所示。</p><p>　　圖1.水冷式空調模擬流程圖</p><p>　　3 水冷式空調系統(tǒng)的樣機和試驗</p>&

25、lt;p><b>　　3.1 樣機設計</b></p><p>　　為了驗證水冷式空調的試驗模型，水冷式空調機組樣機安裝在了實驗室中，如圖2所示。</p><p>　　圖2.水冷式空調系統(tǒng)原型</p><p>　　水冷式空調樣機包括室內機，室外機，冷卻塔和循環(huán)泵。額定制冷量3.36KW，額定功耗0.88KW。結構如圖3所示。制冷劑R22被

26、廣泛應用。室內機包括毛細管，銅管和鋁翅片制成的直接膨脹型蒸發(fā)器。室外機包括連接在封閉式壓縮機上的管筒式水冷冷凝器。因為小容量冷卻塔不用于商業(yè)市場，所以冷卻塔是自組建的。冷卻塔和循環(huán)泵的規(guī)格見表3。</p><p><b>　　表3</b></p><p>　　獨立的冷卻水系統(tǒng)的規(guī)格</p><p>　　冷卻塔風扇

27、 35.2W，空氣流量10.8L/min</p><p>　　塑料包裝尺寸 53cm 53cm 50cm</p><p>　　外形尺寸 60cm 60cm125cm</p><p>　　循環(huán)泵

28、 132W，水流量25L/min</p><p>　　壓縮機無法進行容量調節(jié)，依照室內空氣溫度設定值控制冷量的輸出，冷卻塔容量和輸入空調器的總功率也是用的這種控制方式。水冷式空調系統(tǒng)原型設有控制冷凝水的溫度和容量的裝置，以維持毛細管在適度的冷凝壓力下有效運行。</p><p><b>　　3.2 實驗裝置</b></p>

29、<p>　　該裝置的性能是在一個環(huán)保室中測試的，如圖4所示。室內和室外裝置安置在完全隔離的房間中，一個房間模擬室外環(huán)境另一個模擬室內環(huán)境。在室內室，熱發(fā)生器和濕度發(fā)生器通過調整顯熱和潛熱的輸出來模擬香港典型臥室中的不</p><p><b>　　圖3.試驗裝置</b></p><p>　　同的室內工作條件。一套空氣處理裝置用于保持室外室的溫度和相對濕度處

30、于理想狀態(tài)。在試驗中房間熱負荷和室內冷負荷見表4。</p><p>　　為了保持空調在低負載條件下也能工作，特將室內溫度設置為17℃。室內溫度和濕度發(fā)生器的輸出范圍設置成0.5KW-3KW（額定容量從15%到90%）間隔是0.5KW，而SHR的范圍是0.7-0.8，間隔是0.05。通過能耗模擬軟件HTB2和聚類分析法確定負載條件。在仿真模擬中，假定包絡線設計，電器負荷，通風速率都遵循香港建筑環(huán)境評估法（HK-BE

31、AM-04），室外最高溫度與2005年香港最大的濕球和干球溫度相一致。</p><p>　　通過閥門將冷卻水流量調節(jié)為22.6l/min，冷卻水流量的測定是通過渦輪流量計。為了測量冷量，在室內機的返回和供應空氣流中安裝兩對濕球和干球溫度傳感器。同樣，在冷卻塔的供應和排氣流中也安裝兩對干球和濕球溫度傳感器，用于測定總的散熱量。通過熱風速儀測量空氣流量。由功率表測量輸入的功率。所有的溫度計，流量計和功率傳感器與連個數

32、據記錄器相連。主要儀器的精度見表5。</p><p><b>　　3.3 試驗模型</b></p><p>　　對測得的試驗數據進行計算：</p><p>　　用公式（4），（6），（7）計算制冷量；公式（1）計算總散熱量；公式（14）計算COP。在驗證試驗模型時，將實驗結果與預測值進行比較。由于數據非常多，所以選用最大室內冷負荷3KW和最小室

33、內冷負荷0.5KW下的結果作為最具代表性的數據，見圖4-7。</p><p>　　圖4.室內冷負荷是3KW時，在不同室外條件下，，COP值。(a)=35℃,RH=50%; (b)=30℃ ,RH=50%;(c)=25℃,RH=50%。</p><p>　　圖4和5表示在室內冷負荷是3KW，室外溫度在35-25℃范圍內，間隔為5℃，制冷量，散熱量，COP，冷凝器進水溫度，功率消耗與操作時間的

34、比較?？梢钥闯觯A測的數據分布和試驗結果分布相差不大于15%。而且，預測值總是高于實驗值。這是因為該模型總是假設忽略空調設備的動態(tài)特性。當室外溫度設定為35℃時，相差會更明顯。這是由于惡劣的室外條件下冷卻塔的傳熱和傳質性能相對較差。當室內冷負荷逐漸降低到0.5KW時，會出現類似的差異。見圖6,7。</p><p><b>　　表4</b></p><p><b&

35、gt;　　試驗控制條件</b></p><p>　　室內室 17℃ DB（恒定）</p><p><b>　　室內冷負荷</b></p><p>　　總量 0.5-3

36、KW，間隔0.5KW</p><p>　　SHR 0.8</p><p>　　室外室 20-35℃ DB/50%RH</p><p>　　3.4 在測量中儀器精度的誤差</p><

37、p>　　表5給出了儀器的精度，可用于確定，根據測量數據計算的水冷式空調系統(tǒng)的性能參數的誤差?？梢愿鶕毩⒆兞浚ǎ┑膫€數來計算結果R（公式（17）），如果這些變量的測量值誤差可以確定，則結果的誤差可用克萊恩和麥克林托克法估算出來，見公式18。</p><p>　　R=f（） （17）</p><p>　　δR = （18）</p><p>

38、;　　公式（19）-（21）由公式（4）（1）（14）導出，可用于計算，和COP。</p><p><b>　　= （19）</b></p><p><b>　　= （20）</b></p><p>　　= （21）</p><p>　　試驗結果的誤差是根據各獨立變量的測量誤差計算得到

39、的，見表6。它們在7%-28%的范圍內。在計算時，設定的流量和功率讀數視為各儀器的滿量程讀數。因此，結果的誤差會很小，實際誤差可能比計算誤差更大。</p><p><b>　　表6</b></p><p>　　水冷式空調系統(tǒng)計算誤差</p><p>　　35 3.0 3329.6 3541.3 6.51 1187.7

40、 1068.8 8.49 2.80 3.06 9.30</p><p>　　2.5 3281.3 3573.2 10.2 1164.9 1068.3 9.41 2.75 3.03 10.5</p><p>　　2.0 3132.3 3315.2 6.46 1156.1 1068.8 6.38 2.71 2.88 6.87</

41、p><p>　　1.5 3007.1 3077.4 4.3 1148.4 1068.8 5.36 2.62 2.77 5.89</p><p>　　1.0 2724.0 3018.6 4.63 1143.9 1068.8 5.44 2.55 2.69 5.82</p><p>　　0.5 2812.9 27

42、68.0 4.19 1132.5 1068.9 4.26 2.48 2.59 4.58</p><p>　　30 3.0 3414.7 3558.1 2.10 1443.3 1068.7 5.05 3.07 3.23 5.34</p><p>　　2.5 3323.3 3351.7 7.60 1127.7 1086.8

43、 3.78 2.95 3.06 3.94 </p><p>　　2.0 3218.4 3315.7 7.12 1109.6 1076.6 3.93 2.89 2.98 4.20</p><p>　　1.5 3102.7 3122.6 2.04 1109.2 1086.8 2.37 2.80 2.86 2.

44、41</p><p>　　1.0 2958.5 3044.5 4.12 1108.5 1086.7 2.72 2.74 2.80 2.85</p><p>　　0.5 2875.2 2735.8 6.23 1077.4 1086.8 2.57 2.66 2.78 5.01</p><p>　　25 3.

45、0 3503.8 3563.9 5.72 1101.8 1064.4 3.53 3.21 3.35 3.34</p><p>　　2.5 3312.0 3393.4 2.58 1101.8 1065.5 3.37 3.10 3.15 2.18</p><p>　　2.0 3144.4 3216.3 2.67 1086.2

46、 1067.2 1.96 2.89 2.94 2.01</p><p>　　1.5 3032.2 3050.9 1.26 1076.1 1065.5 1.28 2.84 2.89 1.30</p><p>　　1.0 2987.3 3005.4 2.34 1082.0 1064.5 3.14 2.8 2.82 3.18</p

47、><p>　　0.5 2962.6 2933.3 2.88 1071.5 1067.7 1.98 2.75 2.77 1.94</p><p>　　在其他負載條件下，對試驗結果和預測值進行計算比較，整個運行過程中,,,COP,和W的平均值見表7?？梢钥闯鏊鼈冇泻軓姷南嚓P性。評估整個運行周期參數的均方根誤差也計算了出來，范圍是0.87-10.9%。實驗結果的最大誤差是7

48、%，該誤差在允許范圍內。還應當注意，該水冷式空調機組的COP一般大于3，在相同的室外條件下比空冷式空調機組的COP大。當室外溫度為25℃時，COP的最大值是額定量的90%。這一研究結果與其他的對水冷式空調機組的研究結果相一致。</p><p>　　結果證實，試驗模型可以用來研究水冷式空調機組的性能，而且在為了確定使用水冷式空調裝置住宅的全年電能消費方面穩(wěn)態(tài)模型的使用被認為是足夠的。</p><

49、p>　　圖5.室內冷負荷為3KW時，在不同的室外條件下和W值。(a)=35℃,RH=50%; (b)=30℃ ,RH=50%;(c)=25℃,RH=50%。</p><p>　　圖6.室內冷負荷是0.5KW時，在不同室外條件下，，COP值。(a)=35℃,RH=50%; (b)=30℃ ,RH=50%;(c)=25℃,RH=50%。</p><p>　　圖7.室內冷負荷為0.5KW時

50、，在不同的室外條件下和W值。(a)=35℃,RH=50%; (b)=30℃ ,RH=50%;(c)=25℃,RH=50%。</p><p><b>　　4 結論</b></p><p>　　根據制造商提供的數據，建立水冷空調的數學模型進而預測其性能和功耗，在不同的室內冷負荷和室外環(huán)境的條件下，預測結果于實驗結果相一致，均方根誤差在11%。這表明開發(fā)數學模型為水冷空調應

51、用于住宅建筑時的能效評價提供一個良好的基礎。此外，這個沒有公開的實驗結果為進一步研究水冷空調的性能提供非常有用的信息。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] Census and Statistics Department, Hong Kong Energy Statistics, Annual Report, 2000th edi

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68、 College of Cardiff, 1994.</p><p>　　[22] SPSS Inc., SPSS 12.0 forWindows. User’sGuide[. m], SPSS Inc.,USA, 2003</p><p>　　[23] HK-BEAM Society, HK-BEAM—An Environment Assessment for Air Condition

69、ed Office Premises. Version 4/04: New Buildings and Version 5/ 04: Existing Buildings, Building Environment Council, Hong Kong, 2004</p><p>　　[24] Hong Kong Observatory, Summary of Meteorological Observation

70、s in Hong Kong 2005, Hong Kong Observatory, 2006.</p><p>　　[25] E.O. Doebelin, Measurement Systems Application and Design, 3rd edition, McGraw-Hill, 1983.</p><p>　　[26] J.P. Holman, Experimental

71、 Methods for Engineers, 5th edition, McGraw- Hill, 1989.</p><p>　　[27] P.S.K. Sat, F.W.H. Yik, the Hong Kong Institution of Engineers, Comparison of predictions of the building energy simulation programs HTB

72、2 and BECON with metered building energy data, HKIE Transactions 10 (3) (2003) 34–47.</p><p>　　[28] J.F. Kreider, A. Rabl, Heating and Cooling of Buildings: Design for Efficiency, McGraw-Hill, New York, 1994