分體式空調(diào)器能效提升方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

呂科磊 呂?？?楊文鈞 張永剛

（1.青島海爾空調(diào)器有限總公司，山東青島 266100；2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266100）

世界溫室效應(yīng)逐年增加，人們對(duì)空調(diào)器也越來越依賴。使用空調(diào)器必然耗費(fèi)能源，但當(dāng)前世界可持續(xù)發(fā)展主題是節(jié)能與環(huán)保，這導(dǎo)致節(jié)能與低碳越來越受到各個(gè)國家的重視，并提高了一系列的空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)。如何在現(xiàn)有的成熟技術(shù)下設(shè)計(jì)出最高能效的空調(diào)器，是企業(yè)必不可少的課題。高締等[1]通過熱力學(xué)計(jì)算得出使用變頻壓縮機(jī)、優(yōu)化換熱器和使用電子膨脹閥可以令空調(diào)器能效比得到很好的提高。此外還有李標(biāo)華[2]得出空調(diào)器換熱器合理的分流也可以將能效進(jìn)一步的提升。

印度屬于熱帶季風(fēng)氣候，常年高溫少雨，人口量巨大，這會(huì)導(dǎo)致印度將會(huì)成為世界最大的空調(diào)器需求國，本文首先對(duì)印度能效標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，得出各工況下能效所占比重，然后對(duì)換熱器壓縮機(jī)等空調(diào)元器件進(jìn)行理論計(jì)算，隨后通過企業(yè)內(nèi)現(xiàn)有的各種壓縮機(jī)、換熱器進(jìn)行匹配試驗(yàn)，研究不同型號(hào)大小的冷凝器和不同排量的壓縮機(jī)對(duì)空調(diào)器能效的影響，從而得出設(shè)計(jì)規(guī)律，并進(jìn)行深入分析，為家用空調(diào)適用于印度能效提升設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 能效分析方法

本文空調(diào)器設(shè)計(jì)主要依靠印度當(dāng)?shù)啬苄?biāo)準(zhǔn)建立[3]，其標(biāo)準(zhǔn)適用于印度當(dāng)?shù)貧夂驐l件和用戶空調(diào)使用情況。主要參考國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（IX-ISO）ISO 16358-1 建立，印度當(dāng)?shù)啬茉淳旨爸评鋮f(xié)會(huì)就能效標(biāo)準(zhǔn)建立選取全國54 個(gè)城市的氣候特征和使用時(shí)間進(jìn)行修正。

如圖1 所示，不同溫度下房間熱負(fù)荷和熱功耗與空調(diào)制冷能力和功耗的對(duì)比曲線圖，其中黃色線為負(fù)荷需求曲線、綠色線為中間制冷量、藍(lán)色線為額定制冷量，根據(jù)房間冷量負(fù)荷所知，在溫度ta 以下房間所需要的制冷量相對(duì)較少，中間制冷完全可以滿足負(fù)荷所需，tb 以上房間所需制冷量相對(duì)較多，所以以額定制冷運(yùn)行，而在ta 和tb 之間部分以中間或者額定進(jìn)行運(yùn)行。

如表1 所示本次試驗(yàn)主要通過以下工況測試，能力要求在5 100 W～5 200 W 之間，能效（ISEER）要求在5.2～5.3之間，印度ISEER 主要包括額定制冷和中間制冷兩部分，根據(jù)圖1 能力和功耗在額定和中間兩者之間所占的權(quán)重是通過標(biāo)準(zhǔn)制定的算法進(jìn)行計(jì)算而得，印度ISEER 中額定制冷占40.9%，中間制冷占59.1%。所以在調(diào)試的過程中需額外注意中間制冷的能效。

圖1 不同溫度下房間熱負(fù)荷和熱功耗與空調(diào)制冷能力和功耗的對(duì)比曲線圖

表1 印度ISEER 測試工況

2 能效影響因素及分析

2.1 換熱器對(duì)能效的影響

換熱器是空調(diào)器與外界進(jìn)行換熱的重要工具，在典型的空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)換熱器的換熱量應(yīng)為室外換熱器換熱的一半，若此時(shí)空調(diào)處于制冷狀態(tài)，室外冷凝器冷媒約占系統(tǒng)的70%、室內(nèi)蒸發(fā)器約占10%、壓縮機(jī)和管道占15%。在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中冷媒量在室外所占比重越多，其功率越大。所以在設(shè)計(jì)中一定范圍內(nèi)應(yīng)盡量減少冷凝器，加大室內(nèi)冷凝器，由傳熱基本方程和關(guān)于換熱器不可逆損失[4]可知：

其中：Q-換熱器的換熱量，W；K-換熱器傳熱系數(shù)，W/m2；A-換熱器空氣側(cè)換熱面積，m2；ΔT-換熱溫差，K；Ts-換熱器中冷媒物相狀態(tài)變化溫度，K；T1-進(jìn)入換熱器的溫度，K；T2-出換熱器的溫度，K；LΔT-由傳熱溫差引起的換熱損失，W/（m2·K）。

當(dāng)傳熱系數(shù)和換熱量保持不變時(shí)，增加換熱面積可有效地減小傳熱溫差，可使由溫差引起的不可逆損失（LΔT）有效地減少，但在試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)中主要依據(jù)印度能效進(jìn)行設(shè)定，增加外機(jī)冷凝器換熱面積同樣會(huì)增加室外風(fēng)機(jī)大小和冷媒量，這對(duì)上述計(jì)算的中間制冷極為不利，所以這也應(yīng)對(duì)了上述描述盡量減小室外，加大室內(nèi)機(jī)，從經(jīng)驗(yàn)上可以減少冷媒量和外風(fēng)機(jī)功率增加中間制冷能效，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，其中A 冷凝器鋁箔換熱面積17.133 m2，B 冷凝器鋁箔換熱面積15.203 m2。

從表2 中可以看出冷凝器越大反而不利于能力的發(fā)揮，如上述所說相同內(nèi)機(jī)、壓縮機(jī)，冷凝器越大冷媒積聚在外機(jī)的量越多，室內(nèi)換熱相對(duì)較少，從而導(dǎo)致室內(nèi)空調(diào)器能力無法發(fā)揮，雖然EER 相對(duì)較高顯示了增加換熱面積可以提高冷凝器火用效率，但這是通過犧牲能力給壓縮機(jī)降頻，因?yàn)槔淠飨鄬?duì)較大，換熱充足壓縮機(jī)并不需要過高的頻率即可達(dá)到目標(biāo)所需，從中間制冷可以看出在冷媒量相當(dāng)，壓縮機(jī)頻率相當(dāng)，外風(fēng)機(jī)功率和冷媒分布對(duì)中間制冷能力能效影響相對(duì)較大，所以在本次試驗(yàn)中選取B 型冷凝器。

表2 不同冷凝器能力能效等項(xiàng)對(duì)比

2.2 壓縮機(jī)對(duì)能效的影響

壓縮機(jī)作為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的“心臟”是空調(diào)器耗能的主要部件，約占系統(tǒng)總能耗的88%，可以從單位能耗、制冷量和性能系數(shù)[5]進(jìn)行評(píng)價(jià)，所以壓縮機(jī)的好壞直接決定整個(gè)空調(diào)器系統(tǒng)的能效比、可靠性（使用壽命）、噪聲等。從熱力學(xué)第二定律分析，壓縮機(jī)通過做工將熱量從低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，在相同的目?biāo)條件下，理論上熱量搬運(yùn)到高溫?zé)嵩此璧墓κ且欢ǖ?，即等熵壓縮，但是在實(shí)際壓縮機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)存在各種損失，致使壓縮機(jī)耗工增多，效率降低，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的能效比下降，所以在本次方案設(shè)計(jì)中應(yīng)選取耗工小、損失小的壓縮機(jī)[6]有利于系統(tǒng)的性能和能效比的提升。

其中：Wts-壓縮機(jī)理想狀態(tài)下所做的功；ΔWs-實(shí)際過程的耗工損失；Ws-實(shí)際壓縮機(jī)所做的功；q0-單位制冷量；COP-性能系數(shù)。

壓縮機(jī)作為空調(diào)器主要部件，決定著空調(diào)器整體能效比，但本次設(shè)計(jì)目標(biāo)中不易選擇過大排量壓機(jī)，原因一：設(shè)計(jì)目標(biāo)能力在5 100 W～5 200 W，若選擇過大排量壓機(jī)，雖然可以通過降頻來減少功耗，但大排量壓機(jī)基礎(chǔ)功耗高，不利于能效提升，且設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于能力的發(fā)揮存有足夠的余量。原因二：通過計(jì)算印度ISEER 可以得出中間制冷所占比重更大，所以小排量壓機(jī)更有利于中間制冷能效的發(fā)揮，筆者對(duì)企業(yè)平臺(tái)現(xiàn)有壓機(jī)進(jìn)行一系列的測試如圖2 所示。

圖2 不同壓機(jī)排量ISEER 數(shù)值對(duì)比

根據(jù)圖2 中所示不同壓機(jī)排量對(duì)印度能效ISEER，隨著壓機(jī)排量逐漸降低，能效逐漸提升，顯示出在系統(tǒng)換熱設(shè)計(jì)充足時(shí)，小壓機(jī)更有利于印度能效的提升，此在于中間制冷所占比重更大。在單缸和雙缸130壓縮機(jī)中，單缸相比雙缸能效提升0.1個(gè)點(diǎn)，也驗(yàn)證了單缸所做實(shí)際功更接近于理想功，所以為保證高性能盡量選取單缸壓機(jī)。

2.3 節(jié)流裝置和冷媒量對(duì)能效的影響

現(xiàn)有空調(diào)器常用節(jié)流裝置有：電子膨脹閥、毛細(xì)管和節(jié)流短管。毛細(xì)管和節(jié)流短管對(duì)單一工況的調(diào)節(jié)可與電子膨脹閥調(diào)節(jié)的性能相近，但外界環(huán)境和壓縮機(jī)頻率發(fā)生改變時(shí)，電子膨脹閥調(diào)節(jié)精度明顯高于毛細(xì)管和節(jié)流短管，并且性能和EER會(huì)有明顯的提升。在不同的環(huán)境下系統(tǒng)所需壓力不同，冷媒在管路中的質(zhì)量流量也就不同，電子膨脹閥通過改變線圈上的電壓，來控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過螺紋傳動(dòng)帶動(dòng)閥針軸向移動(dòng)，以此改變截流面積[7]，調(diào)節(jié)流量制冷劑通過截面積進(jìn)行降壓節(jié)流的流量特性，可等效借用熱力膨脹閥的水力學(xué)動(dòng)量模型[8][9]如以下公式所示。

式中：Mr-冷媒的質(zhì)量流量，kg/s；Cd-流量系數(shù)；S-節(jié)流裝置的截面積，m2；ρin-入口處冷媒密度，kg/m3；Pout-出口處的密度，kg/m3；Pin-入口處的密度，kg/m3；Ve-電子膨脹閥出口時(shí)的比容。

空調(diào)系統(tǒng)的特性與冷媒量息息相關(guān)，而冷媒量的確定與換熱器容積、額定制冷量和壓縮機(jī)排量有關(guān)，在一定條件下，增加冷媒量，壓縮機(jī)的吸氣和排氣溫度會(huì)下降，冷凝器的出口溫度會(huì)下降，蒸發(fā)器的出口溫度會(huì)下降，冷凝器中部溫度和蒸發(fā)器進(jìn)口溫度都會(huì)上升，減少冷媒量和以上相反，筆者通過以上確定的系統(tǒng)大小和壓縮機(jī)排量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)充注冷媒量，隨后根據(jù)印度當(dāng)?shù)氐奶匦哉{(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度。

3 結(jié)論

通過計(jì)算可以得出增加換熱面積、減少換熱溫差可以使不可逆損失（LΔT）有效地減少，火用效率得到提升，并且通過犧牲能力能效將得到一定的提升，但增加室外冷凝器換熱面積會(huì)導(dǎo)致冷媒增多和外風(fēng)機(jī)變大從而導(dǎo)致中間制冷能力能效變低，最終導(dǎo)致整體的ISEER 被拉低，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮全面，雖然增加面積可以減少由換熱溫差引起的不可逆損失，但也應(yīng)考慮相應(yīng)的改變系統(tǒng)引起的冷媒量、室外風(fēng)機(jī)等配套對(duì)能力能效的影響，應(yīng)考慮各測試工況所占權(quán)重，合理調(diào)配。

由于中間制冷在印度能效占有59.1%的權(quán)重，壓縮機(jī)排量較小的在進(jìn)行中間制冷時(shí)所做的實(shí)際功更接近于理想工，所以小壓機(jī)更有利于中間制冷的能力能效發(fā)揮，也就更有利于印度能效ISEER 的提升，通過試驗(yàn)驗(yàn)證相同排量壓機(jī)單缸更有利于能效的發(fā)揮，但會(huì)帶來管路震動(dòng)和噪聲等一系列問題。