低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
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摘要：低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器是北美地區(qū)風(fēng)冷產(chǎn)品(如屋頂機(jī))上的一種新風(fēng)選項(xiàng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要涉及風(fēng)閥裝置、風(fēng)性能、制冷可靠性、傳感器位置、防水驗(yàn)證和合規(guī)認(rèn)證。文中介紹了產(chǎn)品背景、結(jié)構(gòu)組成和工作原理；分析了與整機(jī)制冷系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；說明了測(cè)試方法和合規(guī)認(rèn)證要求，并總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
關(guān)鍵詞：低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器；北美屋頂機(jī)；新風(fēng)選項(xiàng)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)
引言
空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器能幫助建筑合理利用室外新風(fēng)實(shí)現(xiàn)免費(fèi)制冷和通風(fēng)。《商用建筑節(jié)能規(guī)范》ASHARE90.1要求美國大部分地區(qū)4.5冷噸及以上的獨(dú)立風(fēng)冷產(chǎn)品必須安裝空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器[1]；相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還有《國際節(jié)能規(guī)范》IECC[2]以及《加利福尼亞州建筑能效標(biāo)準(zhǔn)》TITLE24[3]。美國不同地區(qū)適用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的版本不同，這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)定義了空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器可用的控制方式、適用地區(qū)、工作臨界條件和可靠性要求等內(nèi)容。同時(shí)滿足3個(gè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的最新版本的空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器允許在全美所有地區(qū)銷售，其典型特征是風(fēng)閥的密封等級(jí)較高，行業(yè)內(nèi)用“低泄漏”來表述其產(chǎn)品等級(jí)。作為風(fēng)冷產(chǎn)品的子系統(tǒng)，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要基于整機(jī)制冷系統(tǒng)完成性能和可靠性的測(cè)試和驗(yàn)證，并滿足相關(guān)法規(guī)的認(rèn)證要求。
1結(jié)構(gòu)組成
空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器主要包括新風(fēng)進(jìn)氣裝置、新風(fēng)/回風(fēng)風(fēng)閥、控制模塊、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和過壓釋放裝置[4]。一般安裝在風(fēng)冷整機(jī)系統(tǒng)（如屋頂機(jī)）的室內(nèi)側(cè)，由控制模塊通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來控制風(fēng)閥開閉和過壓釋放裝置的啟停。
2工作原理
空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的功能包括免費(fèi)制冷和通風(fēng)換氣。需要根據(jù)各地的氣候特點(diǎn)來選擇合適的控制方式，從而實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。以ASHARE90.1為例，其定義了允許的控制方式、適用地區(qū)和工作臨界條件（如表1）。這些控制方式涉及到新風(fēng)和回風(fēng)溫度、空氣比焓等參數(shù)?？刂颇K按設(shè)定的控制方式和工作臨界條件，讀取新風(fēng)和回風(fēng)參數(shù)，并結(jié)合整機(jī)的混風(fēng)溫度來控制風(fēng)閥合理引入室外新風(fēng)；當(dāng)建筑室內(nèi)因?yàn)橐胄嘛L(fēng)導(dǎo)致氣壓過高時(shí)，過壓釋放裝置啟動(dòng)進(jìn)行排氣?？諝鈧?cè)經(jīng)濟(jì)器主要有4種工作模式[4]：1)制熱模式。整機(jī)系統(tǒng)制熱時(shí)，新風(fēng)風(fēng)閥關(guān)閉至設(shè)定的最小開度，引入新風(fēng)僅作為通風(fēng)功能。2)免費(fèi)制冷模式。整機(jī)系統(tǒng)引入的新風(fēng)足以滿足全部制冷需求，壓縮機(jī)不運(yùn)行。3)集成制冷模式。整機(jī)系統(tǒng)引入的新風(fēng)只能滿足部分制冷需求，壓縮機(jī)部分或者全部負(fù)荷運(yùn)行。4)機(jī)械制冷模式。新風(fēng)溫度或者比焓超過設(shè)定的上限條件時(shí)，整機(jī)系統(tǒng)采用壓縮機(jī)制冷。新風(fēng)風(fēng)閥關(guān)閉至設(shè)定的最小開度，引入新風(fēng)僅作為通風(fēng)功能。
3設(shè)計(jì)和驗(yàn)證
3.1風(fēng)閥裝置
密封性能和機(jī)構(gòu)可靠性是風(fēng)閥裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，TITLE24、ASHARE90.1和IECC要求對(duì)其進(jìn)行認(rèn)證。
3.1.1密封設(shè)計(jì)從功能上，風(fēng)閥裝置分新風(fēng)風(fēng)閥、回風(fēng)風(fēng)閥和排氣風(fēng)閥。從形式上，分重力風(fēng)閥和電動(dòng)風(fēng)閥。新風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)閥使用電動(dòng)風(fēng)閥，由控制模塊控制開閉；過壓釋放裝置可使用重力風(fēng)閥或者電動(dòng)風(fēng)閥，可根據(jù)ASHARE90.1標(biāo)準(zhǔn)確定適用條件[1]。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封要求不同，要按最高要求來設(shè)計(jì)。對(duì)于電動(dòng)風(fēng)閥，漏風(fēng)量在1in水柱壓差時(shí)不能大于4CFM/ft2；對(duì)于重力風(fēng)閥，漏風(fēng)量在1in水柱壓差時(shí)不能大于20CFM/ft2，但任一邊長(zhǎng)度小于24in時(shí)，漏風(fēng)量不大于40CFM/ft2即可，詳見表2。
3.1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以使用一個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)風(fēng)閥，也可以使用多個(gè)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)各個(gè)風(fēng)閥，甚至多個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同一風(fēng)閥。典型的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有連桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，以及兩種方式的組合。圖1為北美一種公開的風(fēng)閥裝置的專利設(shè)計(jì)，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了齒輪和齒條的組合設(shè)計(jì)。TITLE24要求傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能通過6萬次循環(huán)測(cè)試和驗(yàn)證[3]。風(fēng)閥從關(guān)閉到最大開度，再完全關(guān)閉為一個(gè)循環(huán)。測(cè)試后傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)功能完好，風(fēng)閥相關(guān)部件無損壞，且依然滿足密封要求。3.2風(fēng)性能對(duì)于新風(fēng)裝置，主要用進(jìn)氣裝置和新風(fēng)風(fēng)閥的風(fēng)阻來表述風(fēng)性能；對(duì)于回風(fēng)裝置，主要用回風(fēng)風(fēng)閥的風(fēng)阻來表述風(fēng)性能；對(duì)于過壓釋放裝置，用回風(fēng)靜壓為大氣壓力時(shí)裝置的最大排風(fēng)能力來表述風(fēng)性能。一般而言，新風(fēng)風(fēng)閥和回風(fēng)風(fēng)閥為聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，即新風(fēng)風(fēng)閥全開始時(shí)，回風(fēng)風(fēng)閥完全關(guān)閉，反之亦然。新風(fēng)風(fēng)閥全開時(shí)，整機(jī)系統(tǒng)增加了新風(fēng)風(fēng)阻，同時(shí)沒了回風(fēng)管道產(chǎn)生的風(fēng)阻；但回風(fēng)風(fēng)閥全開時(shí)，整機(jī)系統(tǒng)卻額外增加了回風(fēng)風(fēng)阻。因此，新風(fēng)風(fēng)阻通常要求較寬松，而回風(fēng)風(fēng)阻則要求較嚴(yán)格（風(fēng)阻?。?。實(shí)際工作中，風(fēng)閥存在部分開啟的狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)閥開口尺寸和葉片數(shù)量相同且部分開啟時(shí)，平行式多葉風(fēng)閥（如圖2）的空氣流通能力優(yōu)于對(duì)開式多葉風(fēng)閥（如圖3）。圖4對(duì)比了兩種風(fēng)閥在不同開度時(shí)的流量特性：水平軸表示風(fēng)閥開度百分比，垂直軸表示空氣流通量百分比?？梢愿鶕?jù)新風(fēng)設(shè)計(jì)需求選擇合適的風(fēng)閥類型。
3.3制冷可靠性
與整機(jī)系統(tǒng)集成工作時(shí)，需要驗(yàn)證蒸發(fā)器是否結(jié)霜、飛水和壓縮機(jī)是否頻繁跳機(jī)。這些風(fēng)險(xiǎn)與空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的新風(fēng)設(shè)計(jì)、控制邏輯和整機(jī)的制冷系統(tǒng)有關(guān)。
3.3.1蒸發(fā)器結(jié)霜當(dāng)室外環(huán)境溫度較低，整機(jī)處于集成制冷模式時(shí)，引入新風(fēng)使得蒸發(fā)器較容易出現(xiàn)結(jié)霜?？梢酝ㄟ^測(cè)試找出結(jié)霜時(shí)對(duì)應(yīng)的新風(fēng)臨界溫度來判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和制定應(yīng)對(duì)措施。應(yīng)當(dāng)基于可能的最惡劣工況來測(cè)試，一般規(guī)律如下：1)對(duì)于安裝同一空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的整機(jī)系統(tǒng)，大噸位設(shè)備比小噸位設(shè)備更容易結(jié)霜；2)壓縮機(jī)全負(fù)載運(yùn)行時(shí)比部分負(fù)載時(shí)更容易結(jié)霜；3)室內(nèi)風(fēng)機(jī)在小風(fēng)量時(shí)比大風(fēng)量時(shí)更容易結(jié)霜，因?yàn)樾★L(fēng)量時(shí)帶走冷量較少；4)室內(nèi)干球和濕球溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為較低，可參考行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定最惡劣工況；5)新風(fēng)的干球溫度需要測(cè)試多個(gè)值，直到找出蒸發(fā)器結(jié)霜時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界溫度；6)新風(fēng)濕度應(yīng)當(dāng)盡可能高（與新風(fēng)干球溫度的設(shè)定值匹配）；7)新風(fēng)風(fēng)閥開度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為控制系統(tǒng)在此時(shí)允許的最大值，從而引入更多的低溫新風(fēng)（風(fēng)閥在不同工作模式下的開度通常由控制邏輯設(shè)定，下同）。找出結(jié)霜對(duì)應(yīng)的新風(fēng)臨界溫度后，一般有以下應(yīng)對(duì)方式：1)為整機(jī)系統(tǒng)安裝防結(jié)霜保護(hù)選項(xiàng)，讓整機(jī)系統(tǒng)在環(huán)境溫度降低至結(jié)霜臨界溫度前提前啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制。通常屋頂機(jī)默認(rèn)安裝有該選項(xiàng)，但溫度設(shè)定不一定滿足空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的防結(jié)霜要求。2)如果整機(jī)系統(tǒng)安裝的防結(jié)霜保護(hù)選項(xiàng)不能滿足空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的應(yīng)用需求，可以為蒸發(fā)器安裝除霜傳感器，在蒸發(fā)器出現(xiàn)結(jié)霜時(shí)啟動(dòng)除霜功能。3)如果采用以上兩種方式整機(jī)系統(tǒng)依然有較嚴(yán)重的結(jié)霜問題，應(yīng)當(dāng)考慮變更整機(jī)制冷系統(tǒng)或者空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的設(shè)計(jì)。比如調(diào)整空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的控制邏輯，減少新風(fēng)引入量。
3.3.2蒸發(fā)器飛水當(dāng)室外新風(fēng)溫度較高，整機(jī)處于機(jī)械制冷模式時(shí)，引入新風(fēng)使得蒸發(fā)器容易形成冷凝水和發(fā)生飛水。應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段采取措施提前預(yù)防該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。一般是檢查新風(fēng)的進(jìn)氣方向是否合理，蒸發(fā)器上的局部風(fēng)速是否過高。應(yīng)當(dāng)基于可能的最惡劣工況來測(cè)試，一般規(guī)律如下：1)壓縮機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)會(huì)形成更多的冷凝水；2)室內(nèi)風(fēng)量較大時(shí)更容易飛水；3)對(duì)于傾斜放置的蒸發(fā)器，還應(yīng)當(dāng)檢查風(fēng)量較小時(shí)是否有冷凝水滴落；4)室內(nèi)/室外干球和濕球溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為較高，這樣更容易形成冷凝水；5)新風(fēng)風(fēng)閥開度應(yīng)當(dāng)設(shè)置為控制系統(tǒng)在此時(shí)允許的最大值，從而引入更多的高溫新風(fēng)。改善蒸發(fā)器飛水問題通常有以下應(yīng)對(duì)方式：a.改進(jìn)空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的新風(fēng)設(shè)計(jì)，比如調(diào)整控制邏輯，減少高溫新風(fēng)的引入量；b.改進(jìn)整機(jī)系統(tǒng)的制冷設(shè)計(jì)。
3.3.3壓縮機(jī)跳機(jī)保護(hù)當(dāng)室外新風(fēng)溫度較高，整機(jī)處于機(jī)械制冷模式時(shí)，引入新風(fēng)增加了系統(tǒng)制冷負(fù)載，使得壓縮機(jī)排氣管溫度和壓力升高，較容易出現(xiàn)跳機(jī)保護(hù)。整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在較高的環(huán)境溫度時(shí)，依然可以連續(xù)運(yùn)行進(jìn)行制冷；部分產(chǎn)品銷售的地區(qū)氣候較為溫和，可以考慮適當(dāng)降低溫度要求。由于高溫新風(fēng)是觸發(fā)壓縮機(jī)跳機(jī)保護(hù)的主要原因，因此該風(fēng)險(xiǎn)的測(cè)試和驗(yàn)證工作可以并入蒸發(fā)器飛水的測(cè)試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一并完成。
3.4傳感器位置
如第2節(jié)“工作原理”中所述，控制系統(tǒng)除了需要獲取新風(fēng)和回風(fēng)空氣參數(shù)外，還需要結(jié)合整機(jī)系統(tǒng)的混風(fēng)溫度來控制風(fēng)閥開度。傳感器測(cè)量的空氣參數(shù)準(zhǔn)確與否決定了風(fēng)閥能否按照控制邏輯正確開合，從而實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能效果。新風(fēng)和回風(fēng)傳感器一般安裝在各自的進(jìn)氣裝置內(nèi)或者風(fēng)閥葉片上，測(cè)量值的準(zhǔn)確度較高；混風(fēng)傳感器的最佳測(cè)量位置與新風(fēng)進(jìn)氣方向、新風(fēng)和回風(fēng)比例，以及整機(jī)布局等因素有關(guān)，一般需要通過分析或者測(cè)試來確定最佳位置，通常安裝在室內(nèi)風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口附近?？上仁褂肅FD進(jìn)行仿真分析，然后通過焓差實(shí)驗(yàn)來測(cè)試驗(yàn)證。大致的方法是：根據(jù)應(yīng)用情況設(shè)定一組差值較大的新風(fēng)和回風(fēng)溫度，令新風(fēng)風(fēng)閥和回風(fēng)風(fēng)閥位于0～100%之間的若干開度組合；整機(jī)室內(nèi)側(cè)風(fēng)量可采用名義風(fēng)量；布置多個(gè)混風(fēng)測(cè)量點(diǎn)在可能的合理位置，將各個(gè)位置的測(cè)量溫度同整機(jī)送風(fēng)口的溫度（視作真實(shí)混風(fēng)溫度）進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量值最接近的位置即可用于安裝混風(fēng)傳感器。圖5為某安裝有空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的整機(jī)系統(tǒng)在不同位置測(cè)量混風(fēng)溫度的數(shù)據(jù)分析。可以看到，混風(fēng)溫度會(huì)隨著風(fēng)閥開度組合的變化而變化，只有在各種開度組合下測(cè)量值始終較為接近真實(shí)混風(fēng)溫度的位置才能用于安裝混風(fēng)傳感器。
3.5防水驗(yàn)證
空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器在整機(jī)上工作引入新風(fēng)時(shí)，整機(jī)室內(nèi)側(cè)為負(fù)壓，雨水較容易進(jìn)入。當(dāng)新風(fēng)風(fēng)閥全開，且整機(jī)室內(nèi)側(cè)風(fēng)量較大時(shí)情況比較惡劣。通常用淋雨測(cè)試來驗(yàn)證該性能，使用UL1995或UL60335標(biāo)準(zhǔn)。UL標(biāo)準(zhǔn)只要求控制雨水噴灑壓力和角度[6-7]，但產(chǎn)品開發(fā)時(shí)可考慮加入橫風(fēng)，更好地模擬應(yīng)用環(huán)境。測(cè)試主要檢查整機(jī)回風(fēng)口是否有雨水進(jìn)入，強(qiáng)電部件和控制部件是否有雨水附著。
3.6認(rèn)證要求
表3總結(jié)了低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的主要認(rèn)證要求[1]。TITLE24、ASHARE90.1和IECC均要求對(duì)風(fēng)閥基于AMCA511進(jìn)行密封等級(jí)認(rèn)證（詳細(xì)要求見表3），三者對(duì)各個(gè)功能的風(fēng)閥的密封等級(jí)要求不同，可按照最高要求進(jìn)行測(cè)試證明，并提交報(bào)告到各自所屬認(rèn)證機(jī)構(gòu)。TITLE24還要求產(chǎn)品完全滿足以下要求[3]：1)產(chǎn)品保修。承諾保修5a。通常要求提交證明文件，比如測(cè)試結(jié)果或者質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。2)風(fēng)閥機(jī)構(gòu)可靠性。提交風(fēng)閥機(jī)構(gòu)通過6萬次循環(huán)測(cè)試的報(bào)告。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也提供單獨(dú)的證明文件。3)故障檢測(cè)與診斷?；跇?biāo)準(zhǔn)中的NA7.5.4文件要求完成測(cè)試驗(yàn)證。涉及到功能檢查、控制響應(yīng)、傳感器精度、控制設(shè)定和故障報(bào)告等內(nèi)容的測(cè)試驗(yàn)證。此外，過壓釋放裝置中的主動(dòng)排風(fēng)選項(xiàng)屬于強(qiáng)電裝置，需要基于UL標(biāo)準(zhǔn)完成關(guān)于電動(dòng)機(jī)溫升、絕緣強(qiáng)度及防水驗(yàn)證[5-6]。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和適用范圍發(fā)生變化時(shí)，以上合規(guī)文件(包括測(cè)試數(shù)據(jù)和產(chǎn)品手冊(cè))需要更新并重新提交。
4結(jié)語
低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)是關(guān)注風(fēng)閥的開閉控制、與整機(jī)制冷系統(tǒng)的集成工作，以及相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)認(rèn)證?？刂七壿嬍窃擃惍a(chǎn)品的核心，利用傳感器采集空氣數(shù)據(jù)，從而合理控制風(fēng)閥開閉來實(shí)現(xiàn)主要功能；風(fēng)閥裝置的密封等級(jí)和機(jī)構(gòu)可靠性主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證；制冷可靠性與產(chǎn)品的新風(fēng)設(shè)計(jì)，控制邏輯和整機(jī)制冷系統(tǒng)有關(guān)，需要根據(jù)不同的產(chǎn)品對(duì)像來制定測(cè)試工況。設(shè)計(jì)驗(yàn)證和合規(guī)認(rèn)證確保了產(chǎn)品質(zhì)量和性能的可靠性；合規(guī)認(rèn)證關(guān)乎企業(yè)誠信和質(zhì)量監(jiān)管，需要認(rèn)真對(duì)待，否則公司將在信用和經(jīng)濟(jì)上付出代價(jià)。這些經(jīng)驗(yàn)有助于國內(nèi)廠商開發(fā)類似產(chǎn)品，開拓海外市場(chǎng)。
[參考文獻(xiàn)]
[4]段平森.空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的工作原理和性能特點(diǎn)[J].暖通空調(diào),2017,47(11):94-96.
作者：段平森 單位：英格索蘭亞太工程技術(shù)中心