淺談如何提高家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)能效比

胡海東

（江蘇春蘭空調(diào)設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300）

隨著人們生活水平的提高，家用空調(diào)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空調(diào)器）走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。它的耗電量很大，在夏季用電高峰期，空調(diào)器的能源消耗可占35%以上[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們?yōu)榻档图矣每照{(diào)器功耗做了大量研究。變頻空調(diào)在控制層面減少了由于開(kāi)停機(jī)造成的制冷系統(tǒng)瞬變損失，節(jié)能效果明顯。本文僅限于討論制冷系統(tǒng)部分的節(jié)能理論。

1 系統(tǒng)分析

熱會(huì)自動(dòng)從暖處向冷處流動(dòng)，而不會(huì)相反。空調(diào)器是一種制冷裝置，它將熱量從低溫的房間移到高溫的室外，這就需要向空調(diào)器輸入功（電能）。空調(diào)器是通過(guò)其內(nèi)部的制冷劑循環(huán)流動(dòng)來(lái)移除熱量的。對(duì)理想的可逆循環(huán)，移除一定熱量所需的功量是一定的，即能效比（冷量與功量的比值）一定，它由蒸發(fā)、冷凝溫度決定。在實(shí)際空調(diào)制冷循環(huán)中，有很多偏離理想循環(huán)的情況，即不可逆因素，它們導(dǎo)致了實(shí)際功耗遠(yuǎn)大于理論功量或能效比的損失。因此要找出這些不可逆因素，并減少它們的影響。家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)通?？煞譃閭鳠岵糠帧⒐?jié)流部分和壓縮部分，下面分別加以分析。

1.1 傳熱部分

逆向卡諾循環(huán)是一種理想的制冷循環(huán)，它的能效比可以從下面的T-S圖中直觀地示出：

圖1 逆向卡諾循環(huán)T-S圖

圖中T1為系統(tǒng)冷凝溫度，T2為系統(tǒng)蒸發(fā)溫度。冷量為T(mén)2線(xiàn)與S軸之間矩形的面積，功量為T(mén)I線(xiàn)與T2線(xiàn)之間矩形的面積。若T2=300K（27℃），T1=308K（35℃），則能效比為37.5。而實(shí)際空調(diào)的能效比2～4，可以看出有很大的改進(jìn)余地。由圖1還可以看出，提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的最基本途徑。對(duì)于家用空調(diào)，室內(nèi)外的環(huán)境溫度在很大程度上決定了蒸發(fā)冷凝溫度。因此，在夏季，適當(dāng)調(diào)高室內(nèi)目標(biāo)溫度，給空調(diào)外機(jī)安裝遮陽(yáng)棚，能明顯提高制冷系統(tǒng)能效比，而且簡(jiǎn)單易行。

理想的傳熱條件是冷熱流體的溫差為無(wú)限小。而實(shí)際蒸發(fā)器、冷凝器中進(jìn)行的都是有限溫差傳熱，這是一種不可逆因素。要減小換熱溫差，應(yīng)盡可能增大換熱表面，并充分利用這些表面。

家用空調(diào)器中，常用的是一種翅片管式蒸發(fā)器，薄U形銅管外套鋁片制成，外套的鋁片是增加空氣側(cè)換熱表面的措施，采用脹管工序，保證管與翅片之間緊密接觸，提高導(dǎo)熱性能。結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 翅片管式蒸發(fā)器

為增加換熱表面積，可以這樣處理：U形管內(nèi)側(cè)表面加工內(nèi)螺紋，以增加制冷劑側(cè)的換熱表面；鋁片表面增加壓型和切口，以進(jìn)一步增加空氣側(cè)的換熱表面。圖3是一種改進(jìn)后的U形管和鋁片結(jié)構(gòu)示意圖：

圖3 U型管和鋁片結(jié)構(gòu)示意圖

鋁片表面增加切口還有一個(gè)好處，即可以在空氣掠過(guò)鋁片表面時(shí)，破壞其層流邊界層，提高空氣側(cè)的換熱系數(shù)；銅管內(nèi)壁的螺紋也有利于制冷劑液體潤(rùn)濕表面和除去生成的流體泡沫，提高制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)。但這些也會(huì)增加流體流動(dòng)的摩擦阻力。要再增加換熱表面，就需要增加U形管數(shù)量，過(guò)長(zhǎng)的蒸發(fā)器在啟動(dòng)時(shí)需要很長(zhǎng)時(shí)間才能使制冷劑潤(rùn)濕管壁，大大增加了開(kāi)機(jī)時(shí)的瞬變損失。上述這些矛盾，都需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)采取一個(gè)折中方案。

在實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試中，蒸發(fā)器通常分為多個(gè)分路，應(yīng)讓制冷劑均勻地流過(guò)各分路，充分利用既有的換熱面積。具體做法是在每個(gè)分路的進(jìn)出口布置測(cè)溫點(diǎn)，調(diào)節(jié)各分路U形管數(shù)量或分液毛細(xì)管的長(zhǎng)度，使各分路進(jìn)出口溫度基本相等。另外，鋁片表面會(huì)產(chǎn)生冷凝水，水膜會(huì)限制制冷劑與空氣之間的熱量傳遞，因此鋁片表面應(yīng)進(jìn)行去水膜處理。適當(dāng)增加蒸發(fā)器的迎面風(fēng)速，也可提高空氣側(cè)的換熱系數(shù)。

上面這些分析同樣適用于冷凝器。

1.2 節(jié)流部分

在系統(tǒng)回路的高、低壓側(cè)之間有一個(gè)節(jié)流裝置。這可以是毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥或膨脹機(jī)。對(duì)理想循環(huán)，在膨脹過(guò)程中，制冷劑壓力能的降低應(yīng)以功的形式完全回收，用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或風(fēng)扇電機(jī)，完成這一過(guò)程的是定熵膨脹機(jī)。

家用空調(diào)器中，通常使用的是毛細(xì)管和電子膨脹閥。這簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，但以能效比損失為代價(jià)。

毛細(xì)管利用制冷劑在細(xì)長(zhǎng)管中的流動(dòng)阻力起節(jié)流降壓作用，制冷劑沿管長(zhǎng)的絕熱膨脹過(guò)程如圖4所示：

圖4 制冷劑壓力沿管長(zhǎng)的變化

流動(dòng)分兩個(gè)區(qū)，AB段為純液體區(qū)，BC段為兩相流動(dòng)區(qū)[2]。過(guò)冷液體（狀態(tài)pA,tA,）從入口截面A進(jìn)入毛細(xì)管，由于液體流動(dòng)阻力較小，AB段壓力下降平緩。pB為tA對(duì)應(yīng)的飽和壓力值，液體到達(dá)B截面時(shí)變?yōu)轱柡鸵后w。此后隨著壓力繼續(xù)下降，將有蒸汽閃發(fā)出來(lái)，制冷劑比容增大，流速增加，壓力快速下降，制冷劑到達(dá)出口截面C時(shí)，壓力下降到蒸發(fā)壓力pC。從以上分析可知，當(dāng)冷凝壓力pA和蒸發(fā)壓力pC一定時(shí)，應(yīng)盡可能使B截面后移，以減少兩相流動(dòng)的距離，減少摩擦損失，同時(shí)出口制冷劑干度變小，質(zhì)量流率增加。因此應(yīng)過(guò)冷冷凝器出口液體和冷卻毛細(xì)管以達(dá)到這個(gè)效果。家用空調(diào)器的毛細(xì)管短且細(xì)，換熱表面小，冷卻效果不好。因此可以在冷凝器末端增加1～2根U形管，讓液體制冷劑直接由空氣進(jìn)行過(guò)冷；也可以用一個(gè)單獨(dú)的換熱器進(jìn)行過(guò)冷，由蒸發(fā)器的回汽提供冷源。這些措施基本不會(huì)增加系統(tǒng)功耗，但能明顯提高能效比。

在電子膨脹閥節(jié)流系統(tǒng)中，用兩只熱敏電阻分別檢測(cè)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)器出口溫度獲取過(guò)熱度信號(hào)，以此實(shí)時(shí)控制膨脹閥開(kāi)度，因此流量調(diào)節(jié)反應(yīng)迅速，使制冷系統(tǒng)工作穩(wěn)定，降低運(yùn)行能耗。電子膨脹閥還可以用到系統(tǒng)啟、?？刂浦?。停機(jī)時(shí)，若蒸發(fā)器與冷凝器連通，則冷凝器中高溫液體進(jìn)入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器溫度升高，造成下次啟動(dòng)要為冷卻蒸發(fā)器付出額外電能；若蒸發(fā)器與冷凝器之間管道截止，再次開(kāi)機(jī)時(shí)，壓縮機(jī)帶壓?jiǎn)?dòng)困難，電流沖擊大。采用電子膨脹閥，可以在停機(jī)時(shí)，閥全關(guān)，阻止制冷劑從冷凝器向蒸發(fā)器遷移；而在壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，提前很短的一段時(shí)間，令閥全開(kāi)，使吸、排氣壓力迅速平衡，然后啟動(dòng)壓縮機(jī)。從而減少啟、停瞬變損失。

1.3 壓縮機(jī)

在空調(diào)制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)的作用是將從蒸發(fā)器來(lái)的，最好是處于蒸發(fā)壓力、最小過(guò)熱度的制冷劑蒸汽，用最小的能量壓縮它并排到冷凝器。盡可能提高蒸發(fā)壓力和降低冷凝壓力對(duì)壓縮過(guò)程總是有利的。壓縮機(jī)的性能可以被量化為四種不同類(lèi)型的損失。等熵效率損失是指發(fā)生在流體內(nèi)部的摩擦、傳熱等不可逆因素；對(duì)容積式壓縮機(jī)，通常都有一些流體在壓縮過(guò)程結(jié)束時(shí)，沒(méi)有離開(kāi)壓縮機(jī)，而在下一個(gè)行程中被重復(fù)壓縮，這是容積效率損失；機(jī)械效率損失是指發(fā)生在傳動(dòng)部分的軸承摩擦等損失；最后一個(gè)是電機(jī)效率損失，指電機(jī)在驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)過(guò)程中的損失?？勺兯儆来磐诫姍C(jī)的效率遠(yuǎn)高于異步電機(jī)，因此，變頻壓縮機(jī)的電機(jī)效率較高；低背壓的壓縮機(jī)利用制冷劑蒸汽冷卻電機(jī)，使氣體無(wú)效過(guò)熱，比容增加，容積效率不如高背壓的壓縮機(jī)。上述基本性能一般在廠家的產(chǎn)品樣本中無(wú)法查到，因此在壓縮機(jī)選型時(shí)，經(jīng)驗(yàn)起關(guān)鍵作用。

2 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)高能效比的家用空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)，需要減少不可逆損失，降低功耗，同時(shí)又要提高制冷量，這兩方面在很多情況下是矛盾的。比如在換熱器中減少流體的摩擦損失與提高換熱系數(shù)，減少系統(tǒng)的瞬變損失與加大換熱表面積，這些矛盾都需要通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)找到一種折中方案。本文不能給出這樣的方案，只是說(shuō)明一種提高制冷系統(tǒng)能效比的思路，以期實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠更加有針對(duì)性。

[1] 邢海斌.淺談高能效比定頻柜機(jī)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2013(2):11-13.

[2] 朱瑞琪.制冷裝置自動(dòng)化[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1993.