低泄漏空气侧经济器产品设计要点分析

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摘要：低泄漏空气侧经济器是北美地区风冷产品(如屋顶机)上的一种新风选项，产品设计主要涉及风阀装置、风性能、制冷可靠性、传感器位置、防水验证和合规认证。文中介绍了产品背景、结构组成和工作原理；分析了与整机制冷系统相关的设计要点；说明了测试方法和合规认证要求，并总结了经验教训。

关键词：低泄漏空气侧经济器；北美屋顶机；新风选项；产品设计

引言

空气侧经济器能帮助建筑合理利用室外新风实现免费制冷和通风。《商用建筑节能规范》ASHARE90.1要求美国大部分地区4.5冷吨及以上的独立风冷产品必须安装空气侧经济器[1]；相关的规范和标准还有《国际节能规范》IECC[2]以及《加利福尼亚州建筑能效标准》TITLE24[3]。美国不同地区适用的规范和标准的版本不同，这些规范和标准定义了空气侧经济器可用的控制方式、适用地区、工作临界条件和可靠性要求等内容。同时满足3个规范和标准的最新版本的空气侧经济器允许在全美所有地区销售，其典型特征是风阀的密封等级较高，行业内用“低泄漏”来表述其产品等级。作为风冷产品的子系统，其产品设计需要基于整机制冷系统完成性能和可靠性的测试和验证，并满足相关法规的认证要求。

1结构组成

空气侧经济器主要包括新风进气装置、新风/回风风阀、控制模块、传动机构和过压释放装置[4]。一般安装在风冷整机系统（如屋顶机）的室内侧，由控制模块通过传动机构来控制风阀开闭和过压释放装置的启停。

2工作原理

空气侧经济器的功能包括免费制冷和通风换气。需要根据各地的气候特点来选择合适的控制方式，从而实现最佳节能效果。以ASHARE90.1为例，其定义了允许的控制方式、适用地区和工作临界条件（如表1）。这些控制方式涉及到新风和回风温度、空气比焓等参数。控制模块按设定的控制方式和工作临界条件，读取新风和回风参数，并结合整机的混风温度来控制风阀合理引入室外新风；当建筑室内因为引入新风导致气压过高时，过压释放装置启动进行排气。空气侧经济器主要有4种工作模式[4]：1)制热模式。整机系统制热时，新风风阀关闭至设定的最小开度，引入新风仅作为通风功能。2)免费制冷模式。整机系统引入的新风足以满足全部制冷需求，压缩机不运行。3)集成制冷模式。整机系统引入的新风只能满足部分制冷需求，压缩机部分或者全部负荷运行。4)机械制冷模式。新风温度或者比焓超过设定的上限条件时，整机系统采用压缩机制冷。新风风阀关闭至设定的最小开度，引入新风仅作为通风功能。

3设计和验证

3.1风阀装置

密封性能和机构可靠性是风阀装置设计的重点，TITLE24、ASHARE90.1和IECC要求对其进行认证。

3.1.1密封设计从功能上，风阀装置分新风风阀、回风风阀和排气风阀。从形式上，分重力风阀和电动风阀。新风和回风风阀使用电动风阀，由控制模块控制开闭；过压释放装置可使用重力风阀或者电动风阀，可根据ASHARE90.1标准确定适用条件[1]。3个标准的密封要求不同，要按最高要求来设计。对于电动风阀，漏风量在1in水柱压差时不能大于4CFM/ft2；对于重力风阀，漏风量在1in水柱压差时不能大于20CFM/ft2，但任一边长度小于24in时，漏风量不大于40CFM/ft2即可，详见表2。

3.1.2传动机构可以使用一个电动机同时驱动多个风阀，也可以使用多个电动机单独驱动各个风阀，甚至多个电动机驱动同一风阀。典型的机构设计有连杆传动和齿轮传动，以及两种方式的组合。图1为北美一种公开的风阀装置的专利设计，其传动机构采用了齿轮和齿条的组合设计。TITLE24要求传动机构能通过6万次循环测试和验证[3]。风阀从关闭到最大开度，再完全关闭为一个循环。测试后传动机构应当功能完好，风阀相关部件无损坏，且依然满足密封要求。3.2风性能对于新风装置，主要用进气装置和新风风阀的风阻来表述风性能；对于回风装置，主要用回风风阀的风阻来表述风性能；对于过压释放装置，用回风静压为大气压力时装置的最大排风能力来表述风性能。一般而言，新风风阀和回风风阀为联动设计，即新风风阀全开始时，回风风阀完全关闭，反之亦然。新风风阀全开时，整机系统增加了新风风阻，同时没了回风管道产生的风阻；但回风风阀全开时，整机系统却额外增加了回风风阻。因此，新风风阻通常要求较宽松，而回风风阻则要求较严格（风阻小）。实际工作中，风阀存在部分开启的状态。当风阀开口尺寸和叶片数量相同且部分开启时，平行式多叶风阀（如图2）的空气流通能力优于对开式多叶风阀（如图3）。图4对比了两种风阀在不同开度时的流量特性：水平轴表示风阀开度百分比，垂直轴表示空气流通量百分比。可以根据新风设计需求选择合适的风阀类型。

3.3制冷可靠性

与整机系统集成工作时，需要验证蒸发器是否结霜、飞水和压缩机是否频繁跳机。这些风险与空气侧经济器的新风设计、控制逻辑和整机的制冷系统有关。

3.3.1蒸发器结霜当室外环境温度较低，整机处于集成制冷模式时，引入新风使得蒸发器较容易出现结霜。可以通过测试找出结霜时对应的新风临界温度来判断风险等级和制定应对措施。应当基于可能的最恶劣工况来测试，一般规律如下：1)对于安装同一空气侧经济器的整机系统，大吨位设备比小吨位设备更容易结霜；2)压缩机全负载运行时比部分负载时更容易结霜；3)室内风机在小风量时比大风量时更容易结霜，因为小风量时带走冷量较少；4)室内干球和湿球温度应当设置为较低，可参考行业或企业标准确定最恶劣工况；5)新风的干球温度需要测试多个值，直到找出蒸发器结霜时对应的临界温度；6)新风湿度应当尽可能高（与新风干球温度的设定值匹配）；7)新风风阀开度应当设置为控制系统在此时允许的最大值，从而引入更多的低温新风（风阀在不同工作模式下的开度通常由控制逻辑设定，下同）。找出结霜对应的新风临界温度后，一般有以下应对方式：1)为整机系统安装防结霜保护选项，让整机系统在环境温度降低至结霜临界温度前提前启动保护机制。通常屋顶机默认安装有该选项，但温度设定不一定满足空气侧经济器的防结霜要求。2)如果整机系统安装的防结霜保护选项不能满足空气侧经济器的应用需求，可以为蒸发器安装除霜传感器，在蒸发器出现结霜时启动除霜功能。3)如果采用以上两种方式整机系统依然有较严重的结霜问题，应当考虑变更整机制冷系统或者空气侧经济器的设计。比如调整空气侧经济器的控制逻辑，减少新风引入量。

3.3.2蒸发器飞水当室外新风温度较高，整机处于机械制冷模式时，引入新风使得蒸发器容易形成冷凝水和发生飞水。应当在设计阶段采取措施提前预防该风险的发生。一般是检查新风的进气方向是否合理，蒸发器上的局部风速是否过高。应当基于可能的最恶劣工况来测试，一般规律如下：1)压缩机全负荷运行时会形成更多的冷凝水；2)室内风量较大时更容易飞水；3)对于倾斜放置的蒸发器，还应当检查风量较小时是否有冷凝水滴落；4)室内/室外干球和湿球温度应当设置为较高，这样更容易形成冷凝水；5)新风风阀开度应当设置为控制系统在此时允许的最大值，从而引入更多的高温新风。改善蒸发器飞水问题通常有以下应对方式：a.改进空气侧经济器的新风设计，比如调整控制逻辑，减少高温新风的引入量；b.改进整机系统的制冷设计。

3.3.3压缩机跳机保护当室外新风温度较高，整机处于机械制冷模式时，引入新风增加了系统制冷负载，使得压缩机排气管温度和压力升高，较容易出现跳机保护。整机系统应当在较高的环境温度时，依然可以连续运行进行制冷；部分产品销售的地区气候较为温和，可以考虑适当降低温度要求。由于高温新风是触发压缩机跳机保护的主要原因，因此该风险的测试和验证工作可以并入蒸发器飞水的测试和验证实验一并完成。

3.4传感器位置

如第2节“工作原理”中所述，控制系统除了需要获取新风和回风空气参数外，还需要结合整机系统的混风温度来控制风阀开度。传感器测量的空气参数准确与否决定了风阀能否按照控制逻辑正确开合，从而实现最佳节能效果。新风和回风传感器一般安装在各自的进气装置内或者风阀叶片上，测量值的准确度较高；混风传感器的最佳测量位置与新风进气方向、新风和回风比例，以及整机布局等因素有关，一般需要通过分析或者测试来确定最佳位置，通常安装在室内风机进风口附近。可先使用CFD进行仿真分析，然后通过焓差实验来测试验证。大致的方法是：根据应用情况设定一组差值较大的新风和回风温度，令新风风阀和回风风阀位于0～100%之间的若干开度组合；整机室内侧风量可采用名义风量；布置多个混风测量点在可能的合理位置，将各个位置的测量温度同整机送风口的温度（视作真实混风温度）进行对比，测量值最接近的位置即可用于安装混风传感器。图5为某安装有空气侧经济器的整机系统在不同位置测量混风温度的数据分析。可以看到，混风温度会随着风阀开度组合的变化而变化，只有在各种开度组合下测量值始终较为接近真实混风温度的位置才能用于安装混风传感器。

3.5防水验证

空气侧经济器在整机上工作引入新风时，整机室内侧为负压，雨水较容易进入。当新风风阀全开，且整机室内侧风量较大时情况比较恶劣。通常用淋雨测试来验证该性能，使用UL1995或UL60335标准。UL标准只要求控制雨水喷洒压力和角度[6-7]，但产品开发时可考虑加入横风，更好地模拟应用环境。测试主要检查整机回风口是否有雨水进入，强电部件和控制部件是否有雨水附着。

3.6认证要求

表3总结了低泄漏空气侧经济器的主要认证要求[1]。TITLE24、ASHARE90.1和IECC均要求对风阀基于AMCA511进行密封等级认证（详细要求见表3），三者对各个功能的风阀的密封等级要求不同，可按照最高要求进行测试证明，并提交报告到各自所属认证机构。TITLE24还要求产品完全满足以下要求[3]：1)产品保修。承诺保修5a。通常要求提交证明文件，比如测试结果或者质量统计数据。2)风阀机构可靠性。提交风阀机构通过6万次循环测试的报告。驱动电动机也提供单独的证明文件。3)故障检测与诊断。基于标准中的NA7.5.4文件要求完成测试验证。涉及到功能检查、控制响应、传感器精度、控制设定和故障报告等内容的测试验证。此外，过压释放装置中的主动排风选项属于强电装置，需要基于UL标准完成关于电动机温升、绝缘强度及防水验证[5-6]。当产品设计和适用范围发生变化时，以上合规文件(包括测试数据和产品手册)需要更新并重新提交。

4结语

低泄漏空气侧经济器的产品设计重点是关注风阀的开闭控制、与整机制冷系统的集成工作，以及相关法规和标准的合规认证。控制逻辑是该类产品的核心，利用传感器采集空气数据，从而合理控制风阀开闭来实现主要功能；风阀装置的密封等级和机构可靠性主要通过结构设计来保证；制冷可靠性与产品的新风设计，控制逻辑和整机制冷系统有关，需要根据不同的产品对像来制定测试工况。设计验证和合规认证确保了产品质量和性能的可靠性；合规认证关乎企业诚信和质量监管，需要认真对待，否则公司将在信用和经济上付出代价。这些经验有助于国内厂商开发类似产品，开拓海外市场。

[参考文献]

[4]段平森.空气侧经济器的工作原理和性能特点[J].暖通空调,2017,47(11):94-96.

作者：段平森 单位：英格索兰亚太工程技术中心