采用微通道冷凝器的商用空调系统性能的实验研究

葛方根，汪峰，钟建法，熊中华，施骏业，徐博，高天元，陈江平

（1-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江杭州 310051；2-上海交通大学机械与动力工程学院制冷及低温工程研究所，上海 200240）

采用微通道冷凝器的商用空调系统性能的实验研究

葛方根1，汪峰1，钟建法1，熊中华1，施骏业*2，徐博2，高天元2，陈江平2

（1-浙江盾安人工环境股份有限公司，浙江杭州 310051；2-上海交通大学机械与动力工程学院制冷及低温工程研究所，上海 200240）

本研究针对商用空调系统中采用平行流微通道冷凝器替代传统管片式冷凝器进行了实验研究，实验样件中的两种冷凝器迎风面积相等，微通道冷凝器芯体厚度比管片式冷凝器减少73%。实验结果表明：在3种标准制冷工况下，采用微通道冷凝器替代管片式冷凝器其空调系统制冷量相差不大，系统COP平均提高了2.45%，系统充注量由5 kg降为2.5 kg，材料成本减少38.5%。因此微通道冷凝器替代铜管铝翅片式冷凝器用于商用空调系统具有良好的研究价值和广泛的应用前景。

微通道；冷凝器；商用空调；实验研究

0 引言

全铝平行流冷凝器具有重量轻，结构紧凑，换热效率高的优点，替代铜材料（国家战略储备资源）而具成本优势。同时，其内部容积小的特点有利于大大减少制冷剂充注量，符合国家节能及环保相关政策法规。由于同样体积的铝价只是铜价的1/12左右，在铜价居高不降的情况下，全铝冷凝器受到了空调业界的广泛关注。欧美、日韩等国的主要家用/商用空调生产企业均在全力进行以铝制平行流微通道冷凝器替代铜管铝片式冷凝器的研究工作。

在家用/商用空调行业中，目前研究表明平行流冷凝器在节能及环保方面都具有优势。李越峰等[1]将平行流冷凝器应用在分体挂壁式冷暖空调室外机上，并和原来管片式冷凝器系统在方案、成本等方面进行对比分析以及制冷性能实验研究，结果表明平行流冷凝器可以提高系统性能、降低成本，并可减少制冷剂充注量。周子成[2]在中央空调单元式机组中采用平行流冷凝器替代铜管铝翅片风冷冷凝器，并进行了实验，结果表明，在换热量相接近的情况下，冷凝器迎风面积由 1.22 m2减小到0.352 m2，材料质量由铜材10 kg和铝材3.5 kg减小到铜材0 kg，铝材2.7 kg。HRNJAK P和LITCH A D[3]对在氨系统中使用平行流冷凝器作为冷凝器及冷却器进行了实验研究，结果表明氨系统每kW制冷量对应的充注量可降低20 g，这主要得益于平行流微通道技术的贡献，同时未来具有一定可燃性，但ODP和GWP值较低的天然工质可能会被采用，所以充注量的减少具有积极意义。

本研究将在商用冷水机组中，采用批量生产的商用微通道冷凝器替换原有的管片式冷凝器作为冷凝器，冷凝器尺寸较大，长度达到 1.8 m，宽度达到1 m，与家用空调和单元机等有明显区别，其中微通道冷凝器的迎风面积，安装方式等与管片式冷凝器基本一致，可以方便地换装。研究者对替换前后的两个系统进行实验研究，对比其系统制冷量、COP、系统充注量及冷凝器出风温度分布等性能指标，对微通道冷凝器的特点及其对系统性能的影响进行分析。

1 实验装置与测试工况

图1为商用冷水机组测试系统简图，被测商用冷水机组通常放置于室外侧，因此采用制冷空调综合性能实验台架的室外测试间构建测试系统，整个实验台架根据ANSI/ASHARAE标准搭建，环境温度控制精度为±0.2℃，相对湿度控制精度为±2%，恒温水温度控制精度为±0.1℃，水质量流量计控制精度为±1%。热电偶测量精度为±0.1℃，压力传感器测量精度为±10 kPa。商用冷水机组测试系统工作介质为制冷剂、空气和水，测试系统由被测机组、空气处理机组、恒温水系统及数据采集系统构成。被测机组放置在如图 1所示的室外测试间内，空气处理机组按照测试工况要求控制环境温湿度，恒温水系统同样按照测试工况为被测机组提供流量稳定的恒温水，测试工况下系统稳定运行 45分钟后，数据采集系统记录各个测点的数据。

商用冷水机组实验采用R22作为工质，测试工况根据GB/T 18430.1-2007[4-5]确定，如表1所示。

图1 商用冷水机组测试系统简图

表1 商用冷水机组测试工况

2 试验样件

如图2所示为试验测试所采用的管片式冷凝器样件与微通道冷凝器样件，两者都为设计定型后的批量产品。两个试验样件具有相同的安装尺寸，迎风面积基本一致，冷凝器结构见图 3。管片式冷凝器结构为：芯体尺寸1845 mm×1008 mm×60 mm，3排20根进液管。微通道冷凝器为平行流结构，芯体尺寸1845 mm×1007 mm×16 mm，共两个流程：第一流程35根扁管，第二流程14根扁管。管片式冷凝器与微通道冷凝器详细结构参数见表 2，两个换热器的主要区别为：微通道冷凝器厚度为16 mm，与管片式冷凝器60 mm的厚度相比，厚度降低73%；微通道冷凝器内容积为1.76 m3，与管片式冷凝器的9.15 m3相比，内容积降低81%；微通道冷凝器总换热面积为55.27 m2，与管片式冷凝器的224.78 m2相比，降低了75%；同时在翅片结构上，两个换热器存在较大差异，微通道冷凝器采用百叶窗翅片，翅片间距为2.2 mm；而管片式冷凝器翅片为不开窗的波纹型翅片，翅片间距为1.75 mm。

图2 管片式冷凝器及微通道冷凝器试验样件

图3 管片式冷凝器与微通道冷凝器结构图

3 结果及分析

首先，系统制冷剂充注量的确定在名义制冷工况下进行，标准为冷凝器出口过冷度10℃，试验过程中测量制冷剂充注量的电子秤量程为 30 kg，测量精度±0.1 g。装有管片式冷凝器的商用冷水机组在表1所示的制冷工况下进行试验测试，随后，在相同的商用冷水机组上，采用微通道冷凝器替换原有的管片式冷凝器，在相同的工况下再次进行实验测试。

对3种标准工况下对采用管片式冷凝器和微通道冷凝器的系统进行试验对比，试验结果分析如下。

1) 如图4所示，采用微通道冷凝器的系统与管片式冷凝器的系统制冷量相差不大，系统的 COP平均提高了2.45%；以名义制冷工况为例，采用微通道冷凝器高压侧压力与管片冷凝器系统降低了0.1 MPa，低压侧压力差别不大，压缩机功率由减少了2.8%，制冷量相差不大，从而系统的COP得到了提高，见表3。

图4 在3种标准工况下采用管片式冷凝器和微通道冷凝器制冷量和COP对比

表3 在名义制冷工况下管片式冷凝器与微通道冷凝器性能对比

2) 与管片式冷凝器相比较，微通道冷凝器出风温度均匀性差（见图5），微通道冷凝器出风温度最大温差达到24.9℃，管片式冷凝器出风温度最大温差为 5.7℃；温度分布不均主要是由于制冷剂分配不均匀造成的，管片式冷凝器采用分配器，制冷剂分配均匀性比微通道冷凝器好。

图5 名义制冷工况下管片式冷凝器与平行流微通道冷凝器出风温度对比

3) 制冷剂R22充注量由5 kg降为2.5 kg，降低了50%，由于系统内部体积主要集中在换热器当中，所以系统充注量主要取决于换热器的的大小；采用的微通道冷凝器内容积为1.76 m3与管片式冷凝器9.15 m3相比降低了81%，所以可以大大减少整个系统的充注量，节约成本。

4) 成本方面：微通道冷凝器主要是由微通道铝扁管、开窗翅片、集流管采用整体钎焊的方式连接。微通道扁管作为制冷剂流动的通道，提高了制冷剂侧的换热面积和换热系数，采用开窗的铝翅片，加强了空气侧的扰动，提高了空气侧的换热系数。因此在相同换热量的情况下，采用的微通道冷凝器可以比铜片式冷凝器尺寸规格更小，从而达到降成本的目的。微通道冷凝器主要材料为铝，重量为16.2 kg，管片式冷凝器重量为 33.6 kg，其中铜17.5 kg，铝12.2 kg，微通道冷凝器价格为1600元/台，而管片式冷凝器价格为2600元/台。微通道冷凝器价格比管片式少38.5%，具有较大的成本优势。

4 结论及展望

本文对平行流微通道冷凝器替代铜管铝片式冷凝器用于商用空调系统进行了相关实验研究，实验采用两种冷凝器迎风面积为1.86 m2，微通道冷凝器，芯体厚度为16 mm，与管片式冷凝器60 mm相比厚度减少了73%，微通道采用百叶窗翅片，管片式冷凝器采用不开窗的波纹翅片。在3种标准制冷工况下，采用微通道冷凝器的系统与管片式冷凝器系统制冷量相差不大，COP平均提高了2.45%；出风温度均匀性比管片式冷凝器略差，系统充注量由5 kg降为2.5 kg；成本方面，微通道换热器相对于管片式换热器可节省成本38.5%。平行流微通道冷凝器替代铜管铝翅片式冷凝器用于商用空调系统，具有良好的研究价值及广泛的应用前景。

[1]李越峰, 陈俊智, 王晰. 平行流换热器在家用空调的应用和分析[J]. 家电科技, 2009(1): 1-3.

[2]周子成. 微通道换热器及其应用实例[J]. 家电科技. 2009(1): 271-274.

[3]HRNJAK P, LITCH A D. Microchannel heat exchangers for charge minimization in air-cooled ammonia condensers and chillers[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 658-668.

[4]GB/T 18430.1-2007. 蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第 1部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组[S].

[5]GB/T 18430.2-2007. 蒸汽压缩循环冷水（热泵）机组第2部分：户用及类似用途的冷水（热泵）机组[S].

Experimental Research on the Performance of the Commercial Air Conditioning System with Microchannel Condenser

GE Fang-gen1, WANG Feng1, ZHONG Jian-fa1, XIONG Zhong-hua1, SHI Jun-ye*2, XU Bo2, GAO Tian-yuan, CHEN Jiang-ping2
(1-Zhejiang Dunan Artificial Environmental Co. Ltd. Hangzhou, Zhejiang 310051, China; 2-Institute of Refrigeration and Crygenics, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The replacement of finned tube condensers by micro-channel parallel condensers in commercial air conditioning systems was studied experimentally in this paper. Two kind of condensers with the same face area were tested under three test conditions. The thickness of micro-channel condenser was 73% lower than that of finned tube condenser. The results showed that the system with a micro-channel parallel condenser had the same capacity of the system with a finned tube condenser, and the COP increased 2.45%, the charge of refrigerant decreased from 5 kg to 2.5 kg. The cost was 38.5% lower. The replacement of finned tube heat condensers by micro-channel parallel condensers in commercial air-conditioning systems deserves more researchment and has widespread application prospect.

Microchannel; Condenser; Commercial air conditioning system; Experiment research

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.104

*施骏业(1980-)，男，博士后。研究方向：车用空调技术。联系地址：上海市闵行区东川路800号上海交通大学机械与动力工程学院制冷及低温工程研究所，邮编：200240。联系电话：021-34206087。E-mail：jyshi@sjtu.edu.cn。