探讨空调系统排气方式的优化设计

邹大枢　侯泽飞　张浩　李嗣平

广东美的制冷设备有限公司　广东佛山　528311

1　引言

随着能源不断的消耗，世界能源存有量不断的减少，能源危机不断加剧。据统计，我国建筑能耗约占全国总能能耗的35%，空调能耗又约占建筑能耗的50%～60%左右。由此可见，暖通空调能耗占总能耗的比例可高达22.75%[1-2]。为了应对能源危机，目前在能源危机日益加剧的当下，空调系统的节能设计成为降低能耗、缓解危机的最佳途径。在政府倡导节能和全民参与节能的环境下，空调作为能源消耗大户，需要制冷相关行业的研究人员进行深思，抓住挑战，进行设计的更优方案，提升空调的能效，达到节能效果。本文根据以往的设计经验，在现有空调系统的基础上进行深入研究，通过改变系统排气方式的设计，进行提高整机的能效，降低电力的消耗。

2　空调系统排气方式的优化设计原理

现有的空调系统，排气管只流通7-主电磁阀所在的排气管路通道，如图1（1-压缩机，2-四通阀，3-冷凝器，4-外机室外温度传感器，5-节流阀，6-蒸发器，7-主电磁阀，8-旁通电磁阀，9-套管式铜管）所示，没有与低温低压的回气管通道进行热交换，这种系统在温度低的情况下，会使得压缩机的效率偏移效率最佳点，能力能效大幅下降。在制冷时，如果回气温度太低，会造成压缩机回液，影响压缩机寿命，同时在凝露工况下，内机的出风温度过低，容易形成凝露，导致滴水现象。在制热时，回气温度偏低，空气容易在管路的外表面结霜，从而延续到冷凝器上，进而大大降低机组的能力能效。

在制冷时，通过4外机室外温度传感器检测室外温度T4，进而判断室外温度是否≤预设的T4，如果检测到的室外温度T4≤预设的T4，表明机组在室外温度较低的环境中运行，则关闭7-主电磁阀，即截止冷媒在此通道的流通，同时打开8-旁通电磁阀，冷媒流通此通道，与低温低压的冷媒进行热交换，进而提高吸气和排气温度，避免压缩机回液，提高机组可靠性，同时空调的整机能力能效因为压缩机电机效率向额定的高效点靠拢，以致整机的能力能效提高。

在制热时，通过4外机室外温度传感器检测室外温度T4，进而判断室外温度是否≤预设的T4’，如果检测到的室外温度T4≤预设的T4’，表明室外温度较低，机组运行制热容易进入结霜，则关闭7-主电磁阀，即截止冷媒在此通道的流通，同时打开8-旁通电磁阀，冷媒流通此通道，与低温低压的冷媒进行热交换，进而提高吸气和排气温度。回气温度升高，室外侧空气就不容易在管路的外表面结霜，从而降低了冷凝器结霜的速率，同时提高了冷凝器的换热效率。同时排气温度提高，使得室内侧蒸发器中铜管内的高温冷媒与室内侧空气的温差加大，进而提高制热量，加快制热速率，给用户带来舒适感。

3　实验验证可行性

为了研究空调系统排气方式的优化设计的可行性，选择一款71的机组进行实验，分别在制冷和制热的高低温区进行实验并记录相关的现象。

3.1　制冷不同工况下的空调系统节能效果

为了验证不同工况下的空调系统节能效果，保持室内环境温度为27℃/19℃，室外温度分别设计为25℃/16℃、30℃/20℃、35℃/24℃、40℃/28℃、45℃/32℃，同一组工况下，通过调试不同的频率，测试结果如图2～6所示。

从图2～6中可以得出以下的结论：

（1）在室外温度较低的情况下，高温高压冷媒通过排气旁通管道比通过主通道的能力提升3%～4%，能效提升2.6%～3.6%，这表明系统的节能效果明显提高。

（2）在不同室外温度下，在室外温度低于35℃，高温高压冷媒通过排气旁通管道比通过主通道的能力能效明显提高；当室外温度高于35℃，其节能作用大部分相反，而当室外温度为45℃，频率为62Hz和64Hz时，其能力能效出现逆转性增加，这是因为在高温和高频下，高温高压冷媒通过旁通，进行热交换，可以大大降低排气，减少冷凝器散热的负荷，即冷媒经过冷凝器后的温度比经过主通道的低，加大的过冷度，使得单位体积流量冷媒的制冷量加大，从而使得能力能效增加。

（3）在不同室外温度和不同频率下，吸气温度都提高了2℃～4℃，这有利于空调系统在低温情况下，避免换热不完全导致液压缩的情况。同时在低温下，能够提高内机的出风温度，避免空气在出风口表面形成凝露，导致滴水现象。

3.2　制热不同工况下的空调系统节能效果

为了验证在制热工况下的节能效果，保持室内环境温度为20℃/15℃，室外温度分别设计为7℃/6℃和2℃/1℃。

3.2.1 额定制热下的空调系统节能效果

在额定制热工况下，内机高档，外机转速880r，外机压缩机频率为67Hz。测试的结果如图7、8所示。

从图7和图8对比的曲线明显可以看出，在额定制热工况下，旁通通道的节能效果非常明显，在相同的情况下，旁通的通道可以通过高温高压冷媒，通过铜管管壁，与低温低压的吸气进行热交换，把吸气温度由-11.9℃提高至-0.9℃，从而避免的机组制热量的严重衰减，能力提升了28.3%，能效提升了14.8%。

图1　空调系统及其控制节能设计原理图

图2　室外25℃主排气通道和旁通对比

图3　室外30℃主排气通道和旁通对比

图4　室外35℃主排气通道和旁通对比

图5　室外40℃主排气通道和旁通对比

表1　不同频率的能力能效及其吸气温度

3.2.2 低温制热下的空调系统节能效果

在室外2℃/1℃工况下制热，在同一工况不同频率的测试结果如表1和图9、10所示。

从表1数据中可以看出，在低温情况下，压缩机频率为38Hz时，旁通的通道把吸气温度由-10.5℃提高至-8.5℃，能力提升了4.6%，能效提升了6%；压缩机频率为67Hz时，旁通的通道把吸气温度由-19.9℃提高至-12.4℃，能力提升了18.6%，能效提升了11.3%。

从图9和图10中可以看出，两者在相同的情况下，排气旁通的冷凝器结霜情况得到明显的缓解，而普通排气方式的冷凝器结满了厚厚的霜。这主要是旁通的通道可以通过高温高压冷媒，通过铜管管壁，与低温低压的吸气进行热交换，由于高温高压冷媒与低温低压冷媒存在很大的温差，根据热交换的原理，高温的排气把吸气温度提高，回气温度升高，室外侧空气就不容易在管路的外表面结霜，降低了冷凝器结霜的速率，同时提高了冷凝器的换热效率。同时排气温度提高，使得室内侧蒸发器中铜管内的高温冷媒与室内侧空气的温差加大，进而提高制热量，加快制热速率，给用户带来良好的舒适感。

4　结论

通过上面的阐述，排气管旁通具有很大的节能效果，特别是在低温的环境下，具体的结论如下：

图7　额定制热工况，冷媒通过主通道的曲线

图8　额定制热工况，冷媒通过旁通通道的曲线

图9　室外2℃/1℃制热工况，冷媒通过主通道的结霜现象

图10　室外2℃/1℃制热工况，冷媒通过旁通通道的结霜现象

（1）在室外温度较低的情况下制冷，排气旁通比通过主通道的能力提升3%～4%，能效提升2.6%～3.6%。

（2）在不同的室外温度下，当室外温度低于35℃，排气旁通比通过主通道的能力能效明显提升；当室外温度高于35℃，其节能作用大部分相反；而当室外温度为45℃的高频下，其能力能效出现逆转性增加，这是因为在高温和高频下，高温高压冷媒通过旁通管道，进行热交换，可以大大降低排气，加大冷媒的过冷度，使得单位体积流量的冷媒的制冷量加大，使得能力能效增加。

（3）在不同室外温度和不同频率下，吸气温度都提高了2℃～4℃，这有利于空调系统在低温情况下，避免换热不完全导致液压缩的情况。同时能够提高内机的出风温度温度，避免空气在出风口表面形成凝露，导致滴水现象。

（4）在额定制热工况下，排气旁通通道的节能效果非常明显，大幅度提高吸气温度，能力提升了28.3%，能效提升了14.8%。

（5）在低温低频制热时，能力提升了4.6%，能效提升了6%；高频时，能力提升了18.6%，能效提升了11.3%。普通排气方式的冷凝器结满了厚厚的霜，而排气旁通的冷凝器结霜情况得到明显的缓解，降低了冷凝器结霜的速率，同时提高了冷凝器的换热效率，进而提高制热量，加快制热速率，给用户带来舒适感。

[1] 王静伟，李念平.建筑环境与空调节能[J].现代节能，2002，11：28-29.

[2] 刘东，陈沛霖，张云坤.建筑环境与暖通空调节能[J].节能技术，2001，2：17-19.