房间空调器冷凝器对机组性能影响的研究

林伟雪 陈 慧 林泳涛

（1.珠海格力机电工程有限公司 珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

国家新能效标准的正式实施对空调生产企业提出更高的机组能效比要求，另一方面，高能效比的空调机组也是企业应对激烈市场竞争的核心技术。提高空调器能效的常规方法是在采用强化换热技术的同时增大了冷凝器和蒸发器的换热面积，从而降低空调器的功率，提高机组能效比[1]。本文通过对不同参数规格的冷凝器方案进行空调器能力及能效仿真计算，对增加换热器面积的方法进行评估，并研究冷凝器选型对空调系统性能的影响。

1 模拟算法原理

本文仿真计算基于AME制冷仿真软件平台。在对换热器处理过程中，为提高仿真精度，将每根铜管作为计算单元分别控制流动参数。基于此建模仿真思路的计算结果误差在±5%以内，模拟数据可靠且稳定。

换热器建模主要体现在：

在空气侧，迎风侧每根管路入口空气的温、湿度均相同，流速在管路的纵向上可实现一维非均匀分布。对后排管路来说，每根管的空气流量是前排中2根距离最接近管路流量的各一半之和，入口状态为2股空气混合后的状态参数[2]。

在制冷剂侧，作如下假定：① 相与相之间无滑移；② 相与相之间热力学平衡；③ 管内为一维流动方式；④不考虑重力影响。在模拟时，流量在各支路间的分配采用阻力相同的原则，在某个支路内，计算按照管路布置与制冷剂的流动顺序进行，前一根管制冷剂的出口参数是后一根管的入口参数。制冷剂在单相区的冷凝换热采用Gnielinski公式，两相区的冷凝换热采用Shah公式。制冷剂在单相区的压降采用Churchill公式，两相区的压降采用Mac Adams公式[3,4]。

2 模拟条件

本文主要通过仿真分析冷凝器对空调系统性能的影响，软件建模方法为根据空调制冷系统物理元件进行建模，保证内机蒸发器及内机风量，压缩机排量及频率，连接管结构等参数保持一致，仅更改外机冷凝器及外机风量，同时调整系统其它元器件参数，如电子膨胀阀开度、冷媒灌注量、流路设计等，使系统各参数匹配，保证变量下的系统性能最优[5]。

为对比不同冷凝器下空调系统的能力及能效，1.5 P空调器系统作为基准数据组，替换外机冷凝器为3 P和5 P作为对比数据组，换热器结构参数如表1。

表1 换热器结构参数

3 模拟结果及分析

3.1 冷凝器尺寸规格对机组能力及能效的影响

为探究改变冷凝器换热面积对机组能力及能效的影响，设置相同的外机风量，改变冷凝器换热面积。从表2仿真结果看出，当冷凝器由1.5 P增大到3 P时，机组能效提升明显，但继续增大到5 P后，机组能力能效均无提升。

表2 不同冷凝器在相同风量下对比

换热系数关联式：

式中：

h—换热器表面对流换热系数，单位：W/( m3*K)；

cp—空气定压比热容，单位：J/kg/K；

λ—空气导热系数，单位：W/m/K；

ρ—空气密度，单位：kg/m3；

u—换热器表面最小流通处的空气流速，单位： m/s；

μ—空气粘度，单位：m2/s；

d—换热器表面最小流通处的当量直径，单位：mm；

a、b、c—实验系数。

由换热系数关联式可知，3 P冷凝器增大到5 P规格，其能力及能效没有提升主要有以下原因：在增大冷凝器的同时没有进一步增大风量，导致冷凝器迎面风速降低，从而减小空气侧翅片表面对流换热系数[6]。相对3 P冷凝器而言，5 P冷凝器换热面积的增大比例与换热系数的减小比例接近，因此冷凝器换热量差别不大。因此单纯提高换热面积无法明显提升系统能力。

提升机组能效的另一关键措施为减小压缩机功率，则需要降低空调系统冷凝压力。表2中，当冷凝器由1.5 P增大到3 P时，机组冷凝压力降低明显，继续增大到5 P后，冷凝压力降低不明显，主要原因为：增大冷凝器后的泄压效果不明显。冷媒从排气管进入冷凝器，可以等效为进入大空间的泄压，当增大换热器后，冷凝器的管内体积也增大，但是冷凝器的管内空间不同于罐体的空腔，而是多组换热管的组合，因此单纯提高换热体积无法明显提升系统能效。

冷凝换热对气态冷媒的冷却效果影响冷媒状态变化的速度，冷却效果越强，冷媒由气态转变为液态的速率越快，压降效果越明显。表2中热流量为空气与换热器翅片表面间温差Δt=1℃时的热交换流量，表征传热过程强烈程度。1.5 P冷凝器增大为3 P冷凝器后，管外总换热面积增大近3倍，由于迎面风速的降低，翅片表面换热系数减小1倍，其冷凝器的热流量增大近1.5倍，冷媒在冷凝器内由气态转化为液态的速率提升，高压降低2.3 bar，降低效果明显。3 P冷凝器进一步增大为5 P冷凝器后，管外总换热面积增大1.6倍，翅片表面换热系数降低约0.5倍，其冷凝器换热热流量接近，即使管内体积增大1倍，但高压降低较少，机组能力能效变化较小。

综上，考虑系统各参数耦合影响，应以热流量作为系统能力能效提升的综合指标。

3.2 过冷度对机组能力能效的影响

为保证系统安全稳定运行，目前很多机组都会在冷凝器底部设置过冷管，保证系统在节流前保持一定的过冷度。过冷管在系统中有以下影响：

1）冷凝器底部由于受接水盘遮挡，空气流量较小，换热比较恶劣，增设过冷管可以提高管内制冷剂流速，从而提高管内制冷剂对流换热系数，强化换热效果，但随之带来的问题是管内流动阻力提升，导致系统高压升高，功耗增大；

2）过冷管中流动的基本上全部为液体制冷剂，其阻力要远小于高压气体，而流速升高后将会使制冷剂管内换热系数增大，提高换热效果；

3）使用过冷管后其总的过冷度有可能会增大，过冷度增大可减小蒸发器进口冷媒的干度，即可蒸发的液态冷媒增多，对提高制冷系统的性能会产生良好的影响；

4）保证冷媒介质在进入节流阀前的状态为液态，避免两相介质进入电子膨胀阀，导致膨胀阀的误动作，影响制冷系统的正常运行[7]。

从以上过冷管对系统的影响分析可看出，设置过冷管对系统存在正反馈以及负反馈影响，因此需要对系统中的过冷度区间进行设计，确定合理的过冷度参数区间，保证系统性能最大化。

图1为机组在不同过冷度下能效的仿真计算。由图可知，以1.5 P蒸发器+1.5 P冷凝器作为低能效机组分析，其最佳能效对应的过冷度范围为1～8 ℃，超过该范围后系统能效将迅速降低。以1.5 P蒸发器+3 P冷凝器作为高能效机组分析，其最佳能效对应的过冷度范围为1～6 ℃，超过该范围后系统能效将迅速降低。此过冷度的区间可以作为其他机组的设计参考。

图1 过冷度与能效变化曲线

系统设计过程中需要注意过冷度的合理取值，加大过冷度可减小蒸发器进口冷媒的干度，对能力提升是有利的，但过量地增加过冷度会使过冷段温度更接近环境温度，换热温差进一步降低，从而降低冷凝器的有效利用率，进而降低系统能力。

4 结论

利用AME制冷仿真软件平台探究了常规增加换热器面积的方法在某种情况下无法提高机组能力及能效的原因，并在此基础上进一步探究了影响机组能力能效提高的几个重要设计参数：

1）相对于原来换热量指标，提出的热流量作为机组系统能力能效提升的指标能兼顾换热量、风量、换热效率等因素的相互影响；

2）低能效机组最佳能效对应的过冷度范围为1～8 ℃，对应的过冷管占比范围为5～15%；

3）高能效机组最佳能效对应的过冷度范围为1～6 ℃，对应的过冷管占比范围为3～10%。