空调机组: 热气旁通技术及应用

随着建筑能耗的快速增长,提高空调系统运行效率已成为实现建筑节能的关键举措。空调机组在满负荷工况下设计和优化,但在实际运行过程中,受室内热湿负荷变化的影响,机组大部分时间处于部分负荷运行状态[1]。如果维持满负荷运行模式,将导致频繁启停,能耗增加,且温湿度波动大,难以满足舒适性要求。

热气旁通(Hot gas bypass)技术在部分负荷工况下,通过压缩机排气直接进入蒸发器的方式,灵活调节有效制冷量,在保证温湿度稳定的同时,削峰填谷,提高了机组的综合能效水平[2]。美国、日本等发达国家的大型公共建筑广泛应用热气旁通技术,取得了显著的节能效果[3]。我国于2012年颁布的《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)也明确提出,空调机组宜设置热气旁通装置,且旁通量应不小于额定流量的15%[4]。

目前,国内外学者针对热气旁通展开了大量研究,主要集中在构建热力学模型[5]、优化控制策略[6]、开发新型旁通结构[7]等方面,取得了一定成果,但在复杂工况下的智能控制、节能效果评估等方面仍有待进一步深入。因此,本文拟在总结前人经验的基础上,系统分析热气旁通技术的应用现状,结合工程实例讨论存在的不足,并提出优化改进措施,以期为热气旁通在空调机组节能中的推广应用提供参考。

 

二、 热气旁通的基本原理      

         

2.1 热气旁通的定义
热气旁通是指在压缩机的排气管上设置旁通管,将部分高温高压的制冷剂蒸汽(热气)直接引入蒸发器,与蒸发器内的低温低压制冷剂混合,从而提高蒸发温度,减小压缩机的压比,达到调节机组制冷量的目的[8]。热气旁通与蒸发压力调节(EPR)、电子膨胀阀(EEV)并称为空调机组的三大节流调节技术。

2.2 热气旁通的基本构成
热气旁通装置一般由旁通管、旁通电磁阀、毛细管和止回阀等部件构成,其中旁通电磁阀起到开启和关闭旁通回路的作用,毛细管用于降低旁通热气的压力和流量,止回阀防止蒸发器内的低压制冷剂逆流进入排气管[9]。此外,在旁通管与蒸发器连接处,通常设置分布器,使旁通热气与蒸发制冷剂充分混合。典型的热气旁通装置如图1所示。

2.3 热气旁通的工作原理
启用热气旁通后,压缩机排气的一部分高温高压蒸汽不经过冷凝器,而是通过旁通管直接进入蒸发器的入口,与蒸发器内的低压低温制冷剂混合,使得蒸发压力和蒸发温度升高。由于蒸发温度的提高,蒸发器吸收热量的能力下降,供给冷负荷的冷量减少,机组的有效制冷量下降;同时,高温蒸汽进入后,也带来了部分热量,进一步抵消了蒸发器的制冷效应[10]。因此,通过调节旁通热气的流量,可以连续调节机组向室内供给的冷量,实现机组制冷量的无级调节,在部分负荷时不必频繁启停。旁通热气流量越大,有效制冷量下降越多。

2.4 热气旁通对机组性能的影响
热气旁通对空调机组的性能影响主要体现在以下几个方面:
(1)调节制冷量:热气旁通可使机组在10-100%的制冷量范围内连续调节,满足不同工况下的冷负荷需求,且调节精度高,响应速度快。
(2)提高蒸发温度:热气旁通使蒸发温度升高,有利于避免蒸发器结霜,延长化霜周期,提高换热效率,且蒸发温度波动小,出风温度恒定。
(3)降低压缩比:热气旁通使压缩机吸排气压力同时升高,有效降低压比,减小压缩机功耗,但排气温度也会随之升高[11]。
(4)调节除湿量:热气旁通改变了蒸发器表面温度,影响了表面冷凝除湿量。适当的热气旁通可兼顾温湿度的独立控制,提高舒适性。
(5)节省冷凝水:旁通减少了经冷凝器的冷凝量,可节省冷却水用量,在水资源紧缺地区效益明显。

2.5 热气旁通应用的条件限制
热气旁通虽具有诸多优点,但受以下因素制约,在应用中必须综合权衡:
(1)机组类型:只适合配置可控活塞式压缩机的空调机组,离心式压缩机效果不佳。多联机、变频机等结构复杂的新型机组集成度高,加装热气旁通装置难度大。
(2)工况条件:在低负荷、低温工况使用效果最佳,高温或高负荷条件使用可能适得其反,如冬夏季的过渡工况,旁通可能恶化机组性能。
(3)运行模式:热气旁通多用于恒温恒湿空调系统,变温变湿系统如舒适性空调使用效果一般。
(4)技术投入:热气旁通装置造价相对较高,一般占机组总投资5%左右。同时,在运行中需额外的电控和测量元件,增加了运行维护成本。
(5)控制难度:旁通量过大过小或调节不及时,都会造成显热潜热比失衡,影响温湿度控制效果,需采用先进的自适应控制算法。

3.1 定流量控制
定流量控制是最简单的热气旁通控制方式,通过设置固定开度的手动旁通阀,维持恒定的旁通热气流量。该方法实施容易,但调节粗糙,难以适应负荷的动态变化,温湿度波动较大[12]。一般只在负荷变化缓慢、恒定的场合采用,如通信基站、精密机房等。

3.2 定压力控制
定压力控制由压力传感器检测蒸发压力,通过PID控制器驱动电子膨胀阀,调节旁通量,使蒸发压力稳定在设定值。该方法可根据负荷变化自动调节旁通量,控制精度高,温度波动小,已成为目前最常用的热气旁通控制方式[13]。

3.3 定温度控制
定温度控制由温度传感器测量蒸发器出口处制冷剂温度,通过PID控制电子膨胀阀,控制旁通流量,使蒸发温度稳定。与定压力控制原理类似,通过间接调节蒸发压力,进而影响蒸发温度。该方法的温度控制效果更直观、更优于定压力控制[14]。

3.4 定过热度控制
定过热度控制在蒸发器进出口分别设置温度和压力传感器,根据制冷剂的过热度特性曲线,通过调节旁通阀,维持蒸发器出口过热度恒定,从而间接控制有效制冷量。过热度设定值一般选择5~8K,太大会降低蒸发温度,太小会导致气液两相态[9]。定过热度虽可避免蒸发器结霜,但过热度检测点选取不当,会引起系统失稳。

3.5 复合控制
为克服单一控制方式的不足,实现温度、湿度、过热度的综合调节,先进的热气旁通系统大多采用以上多种控制方式复合的智能控制策略。如定压力/温度复合控制、定温度/过热度复合控制等,可显著提高系统的控制性能和鲁棒性[15]。

4.1 启动调节
机组启动时,先全开旁通阀,使系统在较高的蒸发压力下运行,避免压缩机启动瞬间吸入过多液态制冷剂而损坏。待系统运行稳定后,逐步关小旁通阀,使旁通量减至设计值,进入正常运行。

4.2 负荷调节
运行过程中,根据室内负荷变化,实时检测蒸发压力(或温度),变更旁通阀开度,调节旁通量。当负荷减小时,增大旁通量,提高蒸发压力,减少压缩机耗功;当负荷增加时,减小旁通量,降低蒸发压力,增大有效制冷量,从而使机组在满足温湿度要求的前提下,最大限度地降低能耗。

4.3 除霜调节
热气旁通可用于蒸发器的融霜化霜。当蒸发器表面温度过低时,适当增加旁通热气量,使蒸发温度升高至0℃以上,促进霜层融化。待化霜完成后,再逐步减小旁通量,恢复正常运行。利用热气旁通化霜可大大缩短融霜时间,减少融霜能耗[16]。

4.4 停机调节
空调机组停机时,应先关闭旁通阀,使系统在较低蒸发压力下运行一段时间,排空蒸发器内的液态制冷剂,以防止压缩机再次启动时液击。待蒸发器内制冷剂完全蒸发后,再停止压缩机,切断电源。

 

 

五、 工程实例分析      

         

以某大型公共建筑采用的多联式空调机组为例,分析热气旁通技术的应用效果。该空调机组采用一拖多形式,由1台螺杆压缩机和4台蒸发风机盘管组成,总制冷量为300kW,制冷季设计工况为室内27℃,相对湿度60%;室外35℃。

机组配置了热气旁通装置,采用定压力控制方式,旁通阀型号为电动三通调节阀,压力传感器量程为0~2.5MPa。

经过一年的运行统计,发现:

(1)在过渡季部分负荷时,采用热气旁通比常规启停方式节能32.6%;

(2)在满负荷高温工况,热气旁通反而恶化了系统性能,能效比下降8.5%;

(3)在低温低湿工况,频繁开启旁通阀导致压缩机排气温度过高,存在安全隐患;

(4)部分房间温度波动大于±1℃,影响舒适度;

(5)旁通阀调节迟滞,阀门启闭过程能耗大。

针对上述问题,笔者提出以下几点优化措施:
(1)更新压缩机选型,采用喷气增焓螺杆压缩机,在高温工况提升压缩机性能;

(2)优化旁通控制策略,引入模糊PID算法,缩短调节时间,降低温度波动;

(3)在排气管路增设温度保护装置,超温时自动关断旁通回 路,确保机组安全;

(4)开发自适应控制模块,根据工况条件自动选择最佳的旁通控制参数;

(5)改用电子膨胀阀替代三通调节阀,提高调节精度,减少能耗。

经过半年的运行对比,优化后的空调机组在过渡季节能率提高到41.3%,温度波动减小至±0.5℃以内,压缩机最高排气温度降低15℃,能效比提升12%,取得了良好的节能增效果果。