基于日本APF评价方法的一种偏向于中间能效的蒸发器流路研究

欧硕文 尔驰玛

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

目前行业分体空调器的蒸发器一般用两排或两排以上多折翅片边板拼凑式铜管分布结构，根据不同制冷剂的特性以及流程压损，设计为多进多出的分路居多，但随着全球大部分地区实行季节能效，绝大部分季节能效中间点能效占比最高，且随着新制冷剂R32逐步替代R410A系统，由于制冷剂的特性不同，R410A制冷剂系统的流路并不一定适用于R32系统，蒸发器的流路设计对整个制冷剂系统的换热能力影响很大。王硕渊等[1]对比了中国和日本空调APF评价方法及评价结果的差异，得出了不仅空调器制冷、制热负荷，制冷、制热消耗的功率可以影响APF值，空调器使用时间对APF也有较大影响，其中日本APF中，中间制热的权重最高，超过50%。

基于以上，本文以出口日本的分体空调2.8 kW机型季节能效APF研究为例，主要重点分析多进多出和少进多出两种蒸发器流路的换热特点，以及通过仿真软件及试验验证两种流路空调性能的差异，结合日本APF能效各工况的影响，选择合适的蒸发器流路，本文研究对后续开发季节能效区域变频空调的两器流路设计选型具有一定的参考意义。

1 日本APF评价方法分析概述

日本在本世纪初启动了“领跑者计划”[2]。“领跑者计划”采用的领跑标准与最低能效标准不同，是将当前市场上的最高能效水平设定为产品的目标能效值，当目标年到达时，目标能效值又将被重新设定。此举旨在节能环保，逐步淘汰低能效机组，从而实现能效不断升级。目前日本市场空调只销售变频机组，而变频机组是通过调节压缩机转速来达到转移热量变化的要求，APF评价方法就是一年中总热量转移量与总消耗功率的比值，如图1是某出口日本2.8 kW机型全年负荷及发生时间的曲线图，负荷即为某一环境温度空调器需要转移的热量，时间是指某一环境温度下空调器使用的时间，这一时间根据气候及使用习惯统计得出。根据日本JIS C 9612的规定，空调制冷使用时间为每年6月2日—9月21日，每天上午6点—晚上24点之间，东京地区环境温度24℃及以上发生的时间；制热使用时间为每年10月28日—次年4月14日，每天上午6点—晚上24点，东京地区环境温度16℃及以下发生的时间。

图1 空调负荷及全年温度发生时间

APF计算公式如下：

式（1）中：CSTL为全年制冷总负荷；HSTL为全年制热总负荷；CSEC为全年空调制冷消耗总功率；HSEC为全年空调制热消耗总功率。

上述可见，APF不仅与空调器制冷、制热总负荷，制冷、制热消耗的功率相关，空调器的使用时间对APF也有较大影响。

通过图1及APF计算公式对大量数据进行拟合得出各工况能效在APF中的占比情况，如图2所示。

从图2中可以看出日本APF影响最大的工况为中间工况，其中中间制热能效影响最大，占比53.7%，其次为中间制冷，占比27.9%，故开发日本分体空调器时提高中间点能效成为提高APF的关键。

图2 日本APF中各工况能效权重

2 蒸发器流路分析

蒸发器作为空调系统的四大部件之一，蒸发器的片距、管径、分路数、分路方式对整个换热器的换热能力有很大影响，其中蒸发器的流路设计是影响整个蒸发器换热性能的关键因素，本文主要对蒸发器两种不同分路数及分路方式进行对比分析。

2.1 分路数设计

在空调制冷剂系统分路设计过程中，分路数的设计非常重要，直接影响到系统的换热能力，根据式（2）[3]，分路数越少，流程越长，制冷剂的压降越大；分路数越多，各分路的制冷剂分配均匀性越难调节，而分液均匀性直接影响换热效果。另一方面，分路数越多，分液毛细管数量越多，换热器管路所需的放置空间越大，同时也会降低生产装配、焊接加工等环节的生产效率；再者由于不同制冷剂的特性不一样，故选择合理的分路数至关重要。根据R32制冷剂特性，相较于R410A，R32较小的动力黏度会带来较小的换热器压降，且中间工况质量流量小，分路数尽量少可以提高制冷剂流速，强化换热系数，故设计分路数为3路。

式（2）中：ΔP为压降（MPa）；L为流程长度（mm）；fm为摩擦阻力系数；x0、xi、xm为进口、出口和平均制冷剂干度；Di为管内径（mm）；G为制冷剂的质流密度（kg/m2•s）；m为质量流量（kg/s）；vm为两相区内的平均比容（m³/kg）。

2.2 分路方式设计

根据流体力学原理[4]，在满管流情况下，根据式（3），在制冷剂流量相同的情况下，流速与分路数成反比，分路越少，流速越快；根据传热学原理[5]，流速越快，强化换热系数越大，根据式（4），则换热能力越高。

式（3）中：G为管内质量流速（kg/m2•s）；M为质量流量（kg/h）；di为管内径（mm）；N为分路数。

式（4）中：为能力（W）；h为表面传热系数（W/m2•K）；A为换热面积（m2）； 为温差（K）。

针对出口日本R32制冷剂2.8 kW机型，结合R32制冷剂的特性，对此蒸发器设计了2种分路方式，如图3 a)为流路1，图3 b)为流路2。其中流路1的分路方式是常规使用的分路方式，即通过分液头直接分3进3出，每路对应U管数为7、5、6，见图3 a)；同时还研究了一种少进再分多进多出的流路设计，制冷剂流程为从进液管进入总进，制冷剂经过3根U管后再通过分流器分成3路，分别为分进1、分进2和分进3，各分路U管的数量相同，每路对应U管数为5、5、5，从分出1、分出2和分出3流出经集气器汇总至总出后流至集气管完成分体机室内侧的循环。

图3 蒸发器2种分路方式

其中流路2设计为1路总进途经3U管后再分3进3出，与流路1直接分若干流路的分路方式相比较，这种分路方式在制冷情况下，在进口管内制冷剂干度比较低时不分流路，这样可以得到较大的制冷剂质量流速比，而压降增加不大，管内流动沸腾传热系数可以提高；随着液态制冷剂的蒸发换热，制冷剂干度逐渐升高，在干度升高时制冷剂侧压降及传热系数也升高，如果仍走一个流路或少流路，气态制冷剂流速会很高，导致压降很大，影响制冷能力，这时需要增加制冷剂流路以有效降低压降，通过减少管内阻力损失来实现换热最大化。

2.3 性能理论仿真分析

通过流路设计理论分析，同时运用HXSim Copper Alliance换热仿真软件选择对如上两种流路的中间制冷能力进行了理论仿真分析。在进行仿真前，笔者首先完成了该变频房间空调器的初始样机性能测试。利用初始样机的基准试验测量的试验数据，计算试验过程中室外换热器的入口参数和各状态下的准则数，以便进行仿真并选择恰当的经验关联式。第一步建立仿真模型，主要包含蒸发器整体模型设置、翅片设置、排设置、管设置以及流路连接；第二步设置制冷剂进口，主要包含选择制冷剂种类、制冷剂流量、制冷剂状态参数（温度、压力、干度、焓值等）；第三步设置空气进口，主要包含风速分布风量、干湿球温度、压力；第四步为输出仿真结果。得出的中间制冷能力仿真结果如图4所示；蒸发器温度分布云图如图5所示，换热能力结果如图6所示。通过仿真分析结果可以看出流路1的理论中间制冷能力为1313.6 W，流路2的理论中间制冷能力为1362.2 W，流路2能力优于流路1，仿真结果验证了前面的理论分析。

图4 中间制冷能力仿真结果

图5 蒸发器仿真温度云图

图6 蒸发器仿真数据结果

2.4 APF性能实验验证结果

通过对某出口日本的2.8 kW机型进行APF性能匹配，在同一外机情况下，内机更换蒸发器流路同个试验台对比测试，APF性能匹配数据情况如下。

2.4.1 制冷能力能效测试对比

从表1、图7可以看出在相同压缩机频率下，流路2额定制冷能力较流路1提高了38 W，额定能效相当；中间制冷流路2能力较流路1提高了49 W，中间能效提高了0.238（4.02%），与理论仿真结果吻合。从蒸发器热电偶温度点情况来看，流路1蒸发器第2路存在过热情况，额定和中间工况出口比进口分别过热3.2℃、4.1℃，从壳体的风道布局来看，第二路为风量最大位置，尽管U管数设计得少，但还是存在过热情况；而流路2蒸发器的3路进、中、出口温差都小，均无明显过热，故换热更充分，能力更高。

表1 不同流路制冷能力能效对比数据

图7 制冷能力能效数据对比

2.4.2 制热能力能效测试对比

从表2、图8可以看出在相同压缩机频率下，流路1与流路2的额定制热和中间制热能力相当，流路2的制热功率较流路1会偏低一些，额定能效流路2较流路1提高了0.06 W/W，中间能效流路2较流路1提高了0.138 W/W（2.30%），低温制热能力能效相当，这是因为制热时室内蒸发器成为了冷凝器，出口成为了进口，气态制冷剂总进分3路后汇总经过3U管过冷，气态制冷剂多路进入可以降低气态制冷剂的压降，降低压力损失，同时3路汇总后再途经几根过冷管，可以提高过冷度。从表2数据可以看出流路2系统高压低于流路1，流路2系统低压高于流路1，故在能力相当的情况下流路2的系统功率更低，能效比更高。

表2 不同流路制热能力能效对比数据

图8 制热能力能效数据对比

2.4.3 APF测试数据对比

通过以上数据计算最终的APF测试数据对比如图9所示，其中流路1计算APF为5.665 W/W ，流路2计算APF为5.810 W/W，流路2较流路1机组的APF提高了0.145 W/W（2.60%）。

图9 APF测试数据对比

3 结论

蒸发器流路对空调系统性能的影响很大，针对不同能效体系，不同制冷剂系统，应当合理设计蒸发器分路数及分路方式，通过对上述两种蒸发器流路的对比分析，采用少进多出分路方式，对实行季节能效的变频空调中间点的能效提升很大，特别对季节能效中间点能效占比高的日本地区，2.8 kW机组的中间制冷能效提高了4.02%，中间制热能效提高了2.30%，季节能效APF提高了2.60%；研究结果对后续开发以日本地区为代表的变频空调时的蒸发器流路设计提供了重要参考。