空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器能幫助建筑合理利用室外新風(fēng)實現(xiàn)免費制冷和通風(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。同時滿足3個規(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)閥的密封等級較高，行業(yè)內(nèi)用“低泄漏”來表述其產(chǎn)品等級。作為風(fēng)冷產(chǎn)品的子系統(tǒng)，其產(chǎn)品設(shè)計需要基于整機(jī)制冷系統(tǒng)完成性能和可靠性的測試和驗證，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)器的功能包括免費制冷和通風(fēng)換氣。需要根據(jù)各地的氣候特點來選擇合適的控制方式，從而實現(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)。控制模塊按設(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)因為引入新風(fēng)導(dǎo)致氣壓過高時，過壓釋放裝置啟動進(jìn)行排氣。空氣側(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，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，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)計和驗證

　　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)計的重點，TITLE24、ASHARE90.1和IECC要求對其進(jìn)行認(rèn)證。

　　3.1.1密封設(shè)計從功能上，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)閥和電動風(fēng)閥。新風(fēng)和回風(fēng)風(fēng)閥使用電動風(fēng)閥，由控制模塊控制開閉;過壓釋放裝置可使用重力風(fēng)閥或者電動風(fēng)閥，可根據(jù)ASHARE90.1標(biāo)準(zhǔn)確定適用條件[1]。3個標(biāo)準(zhǔn)的密封要求不同，要按最高要求來設(shè)計。對于電動風(fēng)閥，漏風(fēng)量在1in水柱壓差時不能大于4CFM/ft2;對于重力風(fēng)閥，漏風(fēng)量在1in水柱壓差時不能大于20CFM/ft2，但任一邊長度小于24in時，漏風(fēng)量不大于40CFM/ft2即可，詳見表2。

　　3.1.2傳動機(jī)構(gòu)可以使用一個電動機(jī)同時驅(qū)動多個風(fēng)閥，也可以使用多個電動機(jī)單獨驅(qū)動各個風(fēng)閥，甚至多個電動機(jī)驅(qū)動同一風(fēng)閥。典型的機(jī)構(gòu)設(shè)計有連桿傳動和齒輪傳動，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，其傳動機(jī)構(gòu)采用了齒輪和齒條的組合設(shè)計。TITLE24要求傳動機(jī)構(gòu)能通過6萬次循環(huán)測試和驗證[3]。風(fēng)閥從關(guān)閉到最大開度，再完全關(guān)閉為一個循環(huán)。測試后傳動機(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;對于過壓釋放裝置，用回風(fēng)靜壓為大氣壓力時裝置的最大排風(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)動設(shè)計，即新風(fēng)風(fēng)閥全開始時，回風(fēng)風(fēng)閥完全關(guān)閉，反之亦然。新風(fēng)風(fēng)閥全開時，整機(jī)系統(tǒng)增加了新風(fēng)風(fēng)阻，同時沒了回風(fēng)管道產(chǎn)生的風(fēng)阻;但回風(fēng)風(fēng)閥全開時，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)阻小)。實際工作中，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，平行式多葉風(fēng)閥(如圖2)的空氣流通能力優(yōu)于對開式多葉風(fēng)閥(如圖3)。圖4對比了兩種風(fēng)閥在不同開度時的流量特性：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。可以根據(jù)新風(fēng)設(shè)計需求選擇合適的風(fēng)閥類型。

　　3.3制冷可靠性

　　與整機(jī)系統(tǒng)集成工作時，需要驗證蒸發(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)險與空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的新風(fēng)設(shè)計、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，引入新風(fēng)使得蒸發(fā)器較容易出現(xiàn)結(jié)霜。可以通過測試找出結(jié)霜時對應(yīng)的新風(fēng)臨界溫度來判斷風(fēng)險等級和制定應(yīng)對措施。應(yīng)當(dāng)基于可能的最惡劣工況來測試，一般規(guī)律如下：1)對于安裝同一空氣側(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)載運行時比部分負(fù)載時更容易結(jié)霜;3)室內(nèi)風(fēng)機(jī)在小風(fēng)量時比大風(fēng)量時更容易結(jié)霜，因為小風(fēng)量時帶走冷量較少;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)的干球溫度需要測試多個值，直到找出蒸發(fā)器結(jié)霜時對應(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)霜對應(yīng)的新風(fēng)臨界溫度后，一般有以下應(yīng)對方式：1)為整機(jī)系統(tǒng)安裝防結(jié)霜保護(hù)選項，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保護(hù)機(jī)制。通常屋頂機(jī)默認(rèn)安裝有該選項，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)霜時啟動除霜功能。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。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，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)計階段采取措施提前預(yù)防該風(fēng)險的發(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試，一般規(guī)律如下：1)壓縮機(jī)全負(fù)荷運行時會形成更多的冷凝水;2)室內(nèi)風(fēng)量較大時更容易飛水;3)對于傾斜放置的蒸發(fā)器，還應(yīng)當(dāng)檢查風(fēng)量較小時是否有冷凝水滴落;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)對方式：a.改進(jìn)空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器的新風(fēng)設(shè)計，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。

　　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，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，依然可以連續(xù)運行進(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)險的測試和驗證工作可以并入蒸發(fā)器飛水的測試和驗證實驗一并完成。

　　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，測量值的準(zhǔn)確度較高;混風(fēng)傳感器的最佳測量位置與新風(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。可先使用CFD進(jìn)行仿真分析，然后通過焓差實驗來測試驗證。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;布置多個混風(fēng)測量點在可能的合理位置，將各個位置的測量溫度同整機(jī)送風(fēng)口的溫度(視作真實混風(fēng)溫度)進(jìn)行對比，測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)在不同位置測量混風(fēng)溫度的數(shù)據(jù)分析。可以看到，混風(fēng)溫度會隨著風(fēng)閥開度組合的變化而變化，只有在各種開度組合下測量值始終較為接近真實混風(fēng)溫度的位置才能用于安裝混風(fēng)傳感器。

　　3.5防水驗證

　　空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器在整機(jī)上工作引入新風(fēng)時，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)量較大時情況比較惡劣。通常用淋雨測試來驗證該性能，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)時可考慮加入橫風(fēng)，更好地模擬應(yīng)用環(huán)境。測試主要檢查整機(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均要求對風(fēng)閥基于AMCA511進(jìn)行密封等級認(rèn)證(詳細(xì)要求見表3)，三者對各個功能的風(fēng)閥的密封等級要求不同，可按照最高要求進(jìn)行測試證明，并提交報告到各自所屬認(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，比如測試結(jié)果或者質(zhì)量統(tǒng)計數(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)測試的報告。驅(qū)動電動機(jī)也提供單獨的證明文件。3)故障檢測與診斷。基于標(biāo)準(zhǔn)中的NA7.5.4文件要求完成測試驗證。涉及到功能檢查、控制響應(yīng)、傳感器精度、控制設(shè)定和故障報告等內(nèi)容的測試驗證。此外，過壓釋放裝置中的主動排風(fēng)選項屬于強(qiáng)電裝置，需要基于UL標(biāo)準(zhǔn)完成關(guān)于電動機(jī)溫升、絕緣強(qiáng)度及防水驗證[5-6]。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計和適用范圍發(fā)生變化時，以上合規(guī)文件(包括測試數(shù)據(jù)和產(chǎn)品手冊)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)計重點是關(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。控制邏輯是該類產(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)閥開閉來實現(xiàn)主要功能;風(fēng)閥裝置的密封等級和機(jī)構(gòu)可靠性主要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證;制冷可靠性與產(chǎn)品的新風(fēng)設(shè)計，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)品對像來制定測試工況。設(shè)計驗證和合規(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)真對待，否則公司將在信用和經(jīng)濟(jì)上付出代價。這些經(jīng)驗有助于國內(nèi)廠商開發(fā)類似產(chǎn)品，開拓海外市場。

　　[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[J].暖通空調(diào),2017,47(11):94-96.

　　《低泄漏空氣側(cè)經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)品設(shè)計要點分析》來源：《機(jī)械工程師》，作者：段平森