中央空调节能及舒适性新技术应用＊

2020-11-29郑婉君

科技与创新 2020年16期

郑婉君，赵亮

（1.广东科学技术职业学院机器人学院，广东珠海 519090；2.珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

1 变频变容技术

变频变容技术是近年来应用在多联式中央空调上的一种新技术，采用该技术的压缩机，有两个气缸，在低负荷情况下单缸运行，在高负荷情况下双缸运行，该技术能有效降低中央空调能耗[1]。《中国制冷空调实际运行状况调研报告》显示，家用多联机60%的运行时间都是单开一台室内机，有近60%的时间在30%以下的低负荷运行，特别是在负荷率低于20%时，运行时间占比超过40%，低负荷下压缩机低频运行，由于电机效率和容积效率的下降，使压缩机总效率下降。压缩机的最低频有可能相对输出过高，所以整机总能效也会相应地下降。在整机负荷率低于25%时，家用多联机能效随负荷率减小而急剧下降。同时，压缩机在低负荷运行的情况下，容易达到室内设定的温度点停机，这就导致压缩机在运行过程中出现频繁的开停，这样室内温度就会出现波动，影响用户的舒适性，整机能耗随着不断开停机而增加。

变频变容技术是为解决多联式中央空调的运行效率不高的问题而研发的技术。搭载变频变容压缩机的多联机，运用单双缸切换的运行模式，使压缩机能够满足不同工况下的运行要求，减小最小制冷量，提升低负荷能效。该系统具有两种运行模式，在室外温度较高或较多室内机运行的情况下，采用双缸运行模式，两个气缸同时运行，满足中、高负荷需求。在室外温度较低或是只有一台室内机运行的情况下，采用单缸运行模式，仅一个气缸运行，满足低负荷需求，在满足用户正常制冷制热需求的同时，最大限度地降低了能源消耗，避免了大马拉小车的现象，解决家用多联机产品最小输出过大、低负荷能效低这两大突出问题。在低负荷运行状态下，压缩机单缸模式运行，运行噪声更低，同时避免了空调频繁开停机造成的温度波动，舒适性更高。

2 蓄热化霜技术

冬季在寒冷地区，尤其是在低温高湿地区，空调制热运行时室外机经常会结霜，结霜后为了保证机组的正常运行，通常过一段时间就会进行一次化霜运行。化霜过程中，因为是反向制冷化霜，室内蒸发器变为低温从室内吸热，为了避免吹冷风，室内的风机一般会停止运行，这样就造成了室内温度的波动。通过大数据统计发现，传统空调系统化霜过程室内温度降低2～7 ℃，平均下降4.5 ℃，化霜过程温度波动大，用户舒适性差。结霜和化霜过程严重影响制热效果和舒适性，该过程能耗高，该问题属于行业难题。

目前，部分多联式中央空调搭载了蓄热化霜技术，室内机蓄热化霜技术是持续制热技术的一种形式，系统通过在室内增加一个蓄热模块，来达到化霜不降室温的目的。冬季在制热模式下，在室内机正常制热的过程中，压缩机会旁通一部分高温高压的冷媒进入到蓄热模块，加热模块中的蓄热材料，这部分热能就通过蓄热材料储存起来。等到需要化霜时，低温低压的冷媒不从室内环境中吸取热量，而是吸取蓄热模块中储存的热能，这样就避免了室内温度的下降，就可以很好地解决化霜过程中的舒适性问题。搭载蓄热模块的多联式中央空调机组，化霜时间更短，室内温度波动更小，更受消费者的欢迎。

蓄热模块一般作为一个选配件供用户选择使用。蓄热模块和风管式内机一样，安装在室内天花内，有气管和液管两个连接管，连接方式和普通的内机一样，只不过没有制冷或制热的作用，只是用来协助室外机除霜。蓄热模块主要由三部分组成，分别是换热器、蓄热材料及节流元件。换热器一般为普通的铜管翅片式换热器，结构与普通室内机换热器大致相同。蓄热材料一般选用相变材料，因为相变潜热高，储能密度大。

蓄热材料有以下要求：合适的相变温度，相变过程可逆性好；导热系数高；物理、化学性质稳定；材料无毒、无腐蚀、无污染；材料来源广、成本低。蓄热材料根据熔点，可分为低温相变材料（100 ℃以下）、中温相变材料（100～250 ℃）、高温相变材料（250 ℃以上）。蓄热模块中使用的为低温相变材料分类，低温相变材料又分为无机相变材料、有机相变材料、复合相变材料。无机相变材料蓄热密度大，相变点固定，导热性好，材料成本低，物理稳定性差，使用过程易出现过冷、相分离，部分具有腐蚀性。有机相变材料蓄热密度大，相变体积变化小，无腐蚀，无相分离，绿色环保可再生，材料成本低，导热性差，部分材料易挥发、氧化。复合材料由储热材料与支撑材料组成，储热材料为无机或有机材料，支撑材料有膨胀石墨、陶瓷、膨润土、微胶囊等，储热密度大，导热性好，根据支撑材料的不同，具有耐高温、耐腐蚀、耐氧化等不同特性，但是相变潜热相对较低，工艺复杂，技术成熟度低，尚难以大批量工业化应用，材料成本高。节流元件用来控制冷媒流量。冷媒流量分配策略优劣直接决定了制热效果、蓄热过程和化霜的效果。

3 空调的多功能化设计

随着人们生活水平的提高，人们对于空调功能的需求不局限于制冷和制热。空调在制冷或制热的同时，室外机排放的冷量或热量未得到充分利用，导致了能源的浪费。由此诞生了多功能空调系统[2-3]。多功能一体空调除了可以满足基本的制冷和制热以外，还可以实现热水、干衣、除湿、地暖等功能，实现了一机多用，有效降低了人们的购机成本，提高了整体的舒适性，节省了生活空间，有效地利用能源。

该技术的原理为中央空调室外机通过连接不同的模块实现不同功能。热水已是人们日常生活中必不可少的环节，传统燃气热水器的安全性得不到保证，排放物又会污染环境，电热水器能耗高，同样也存在电气安全性问题。采用热泵系统作为热水器，不仅能耗低，而且安全可靠，对环境无污染。夏季在制冷的同时可以进行制热水的过程，普通的空调一般都会将废热排放到大气中，但是多功能中央空调通过一个热水发生器，可以将高温高压的冷媒用于制热水，满足人们的热水需求，有效利用了能源。

室内机的除湿功能主要通过特殊的多管制内机来实现，该种内机一般有两片换热器，除了正常的制冷制热功能外，还有除湿功能。和除湿机类似，两片换热器可以同时制冷和制热。湿空气先经过低温换热器，空气中的水分被冷凝排出，然后经过高温换热器，实现再热。两片换热器的制冷和制热通过室外机多个四通阀的切换实现。该种功能可有效解决南方地区春夏季的潮湿问题。

4 新风技术

相比于空气净化器，新风系统具有更广泛的适用性，因为新风系统不仅能解决室内污染问题，同时解决的还有室内的通风问题，让房间处在一个恒氧的健康环境之中[4]。

《中国环境电器消费调查与发展前景分析报告》显示，新风系统在欧美家庭普及率已经高达96.56%，但在中国家庭还未广泛应用，中国北京、上海、广州、深圳等一些大城市普及率还不到15%，一些省会、二三线城市普及率还不到10%，而农村几乎还是一片空白，2019 年一系列如长租公寓、校园室内空气质量安全事件被曝光，尤其是此次新型冠状病毒的肆虐，相信更多人对新风系统的认知和需求会整体提升。

目前市场上出现的新风空调一般搭载了两种技术，第一种为双向流换气技术，解决了在密闭的室内，污浊的空气无法排出的问题。搭载该技术的新风机有进风和出风两个通道，能实现封闭空间的外循环新风净化。该技术区别于传统单向流换气方式，通过双向对流，将室内高浓度的二氧化碳和甲醛等污染物排出；引入室外经过高效净化的新风，满足室内新风需求，提高了室内空气质量，降低了室内二氧化碳含量。第二种为全热交换技术，采用该技术的新风空调，内部搭载有全热交换芯体，用于新风和室内空气的热湿交换。全热交换芯体由透热透湿的特殊材料制成，夏季时，当室外新风和室内回风同时经过交换芯体时，室外新风中的热量和水分子透过芯体材料传递到室内回风，被排出室外，而经过净化，降低了温度、湿度后的新鲜空气则被送入室内。冬季时，当室外新风和室内回风同时经过交换芯体时，室内回风中的热量透过芯体材料传递到室外新风，被排出室外，而经过净化，升高了温度后的新鲜空气则被送入室内。在室内外空气循环过程中，室内和室外空气的热量通过全热交换器进行无融合热接触，使新风接近室内温度，保持室温稳定，避免室内外空气温差导致的室内温度波动。通过双向流换气和全热交换技术，新风空调实现了热量回收，回收排风的热量用于预热（冷）新风，使新风温度接近室内温度，提高新风舒适度，同时也降低了室内控温能耗。