分体式空调器能效提升方案设计及优化分析

吕科磊 吕福俊 杨文钧 张永刚

（1.青岛海尔空调器有限总公司，山东青岛 266100；2.数字化家电国家重点实验室，山东青岛 266100）

世界温室效应逐年增加，人们对空调器也越来越依赖。使用空调器必然耗费能源，但当前世界可持续发展主题是节能与环保，这导致节能与低碳越来越受到各个国家的重视，并提高了一系列的空调能效标准。如何在现有的成熟技术下设计出最高能效的空调器，是企业必不可少的课题。高缔等[1]通过热力学计算得出使用变频压缩机、优化换热器和使用电子膨胀阀可以令空调器能效比得到很好的提高。此外还有李标华[2]得出空调器换热器合理的分流也可以将能效进一步的提升。

印度属于热带季风气候，常年高温少雨，人口量巨大，这会导致印度将会成为世界最大的空调器需求国，本文首先对印度能效标准进行分析，得出各工况下能效所占比重，然后对换热器压缩机等空调元器件进行理论计算，随后通过企业内现有的各种压缩机、换热器进行匹配试验，研究不同型号大小的冷凝器和不同排量的压缩机对空调器能效的影响，从而得出设计规律，并进行深入分析，为家用空调适用于印度能效提升设计提供借鉴。

1 能效分析方法

本文空调器设计主要依靠印度当地能效标准建立[3]，其标准适用于印度当地气候条件和用户空调使用情况。主要参考国际标准化组织（IX-ISO）ISO 16358-1 建立，印度当地能源局及制冷协会就能效标准建立选取全国54 个城市的气候特征和使用时间进行修正。

如图1 所示，不同温度下房间热负荷和热功耗与空调制冷能力和功耗的对比曲线图，其中黄色线为负荷需求曲线、绿色线为中间制冷量、蓝色线为额定制冷量，根据房间冷量负荷所知，在温度ta 以下房间所需要的制冷量相对较少，中间制冷完全可以满足负荷所需，tb 以上房间所需制冷量相对较多，所以以额定制冷运行，而在ta 和tb 之间部分以中间或者额定进行运行。

如表1 所示本次试验主要通过以下工况测试，能力要求在5 100 W～5 200 W 之间，能效（ISEER）要求在5.2～5.3之间，印度ISEER 主要包括额定制冷和中间制冷两部分，根据图1 能力和功耗在额定和中间两者之间所占的权重是通过标准制定的算法进行计算而得，印度ISEER 中额定制冷占40.9%，中间制冷占59.1%。所以在调试的过程中需额外注意中间制冷的能效。

图1 不同温度下房间热负荷和热功耗与空调制冷能力和功耗的对比曲线图

表1 印度ISEER 测试工况

2 能效影响因素及分析

2.1 换热器对能效的影响

换热器是空调器与外界进行换热的重要工具，在典型的空调系统中，室内换热器的换热量应为室外换热器换热的一半，若此时空调处于制冷状态，室外冷凝器冷媒约占系统的70%、室内蒸发器约占10%、压缩机和管道占15%。在空调系统设计中冷媒量在室外所占比重越多，其功率越大。所以在设计中一定范围内应尽量减少冷凝器，加大室内冷凝器，由传热基本方程和关于换热器不可逆损失[4]可知：

其中：Q-换热器的换热量，W；K-换热器传热系数，W/m2；A-换热器空气侧换热面积，m2；ΔT-换热温差，K；Ts-换热器中冷媒物相状态变化温度，K；T1-进入换热器的温度，K；T2-出换热器的温度，K；LΔT-由传热温差引起的换热损失，W/（m2·K）。

当传热系数和换热量保持不变时，增加换热面积可有效地减小传热温差，可使由温差引起的不可逆损失（LΔT）有效地减少，但在试验目标中主要依据印度能效进行设定，增加外机冷凝器换热面积同样会增加室外风机大小和冷媒量，这对上述计算的中间制冷极为不利，所以这也应对了上述描述尽量减小室外，加大室内机，从经验上可以减少冷媒量和外风机功率增加中间制冷能效，试验结果如表2 所示，其中A 冷凝器铝箔换热面积17.133 m2，B 冷凝器铝箔换热面积15.203 m2。

从表2 中可以看出冷凝器越大反而不利于能力的发挥，如上述所说相同内机、压缩机，冷凝器越大冷媒积聚在外机的量越多，室内换热相对较少，从而导致室内空调器能力无法发挥，虽然EER 相对较高显示了增加换热面积可以提高冷凝器火用效率，但这是通过牺牲能力给压缩机降频，因为冷凝器相对较大，换热充足压缩机并不需要过高的频率即可达到目标所需，从中间制冷可以看出在冷媒量相当，压缩机频率相当，外风机功率和冷媒分布对中间制冷能力能效影响相对较大，所以在本次试验中选取B 型冷凝器。

表2 不同冷凝器能力能效等项对比

2.2 压缩机对能效的影响

压缩机作为整个空调系统的“心脏”是空调器耗能的主要部件，约占系统总能耗的88%，可以从单位能耗、制冷量和性能系数[5]进行评价，所以压缩机的好坏直接决定整个空调器系统的能效比、可靠性（使用寿命）、噪声等。从热力学第二定律分析，压缩机通过做工将热量从低温热源转移到高温热源，在相同的目标条件下，理论上热量搬运到高温热源所需的功是一定的，即等熵压缩，但是在实际压缩机运行过程中会存在各种损失，致使压缩机耗工增多，效率降低，从而导致整个系统的能效比下降，所以在本次方案设计中应选取耗工小、损失小的压缩机[6]有利于系统的性能和能效比的提升。

其中：Wts-压缩机理想状态下所做的功；ΔWs-实际过程的耗工损失；Ws-实际压缩机所做的功；q0-单位制冷量；COP-性能系数。

压缩机作为空调器主要部件，决定着空调器整体能效比，但本次设计目标中不易选择过大排量压机，原因一：设计目标能力在5 100 W～5 200 W，若选择过大排量压机，虽然可以通过降频来减少功耗，但大排量压机基础功耗高，不利于能效提升，且设计系统对于能力的发挥存有足够的余量。原因二：通过计算印度ISEER 可以得出中间制冷所占比重更大，所以小排量压机更有利于中间制冷能效的发挥，笔者对企业平台现有压机进行一系列的测试如图2 所示。

图2 不同压机排量ISEER 数值对比

根据图2 中所示不同压机排量对印度能效ISEER，随着压机排量逐渐降低，能效逐渐提升，显示出在系统换热设计充足时，小压机更有利于印度能效的提升，此在于中间制冷所占比重更大。在单缸和双缸130压缩机中，单缸相比双缸能效提升0.1个点，也验证了单缸所做实际功更接近于理想功，所以为保证高性能尽量选取单缸压机。

2.3 节流装置和冷媒量对能效的影响

现有空调器常用节流装置有：电子膨胀阀、毛细管和节流短管。毛细管和节流短管对单一工况的调节可与电子膨胀阀调节的性能相近，但外界环境和压缩机频率发生改变时，电子膨胀阀调节精度明显高于毛细管和节流短管，并且性能和EER会有明显的提升。在不同的环境下系统所需压力不同，冷媒在管路中的质量流量也就不同，电子膨胀阀通过改变线圈上的电压，来控制步进电机进行转动，通过螺纹传动带动阀针轴向移动，以此改变截流面积[7]，调节流量制冷剂通过截面积进行降压节流的流量特性，可等效借用热力膨胀阀的水力学动量模型[8][9]如以下公式所示。

式中：Mr-冷媒的质量流量，kg/s；Cd-流量系数；S-节流装置的截面积，m2；ρin-入口处冷媒密度，kg/m3；Pout-出口处的密度，kg/m3；Pin-入口处的密度，kg/m3；Ve-电子膨胀阀出口时的比容。

空调系统的特性与冷媒量息息相关，而冷媒量的确定与换热器容积、额定制冷量和压缩机排量有关，在一定条件下，增加冷媒量，压缩机的吸气和排气温度会下降，冷凝器的出口温度会下降，蒸发器的出口温度会下降，冷凝器中部温度和蒸发器进口温度都会上升，减少冷媒量和以上相反，笔者通过以上确定的系统大小和压缩机排量根据经验充注冷媒量，随后根据印度当地的特性调节系统温度。

3 结论

通过计算可以得出增加换热面积、减少换热温差可以使不可逆损失（LΔT）有效地减少，火用效率得到提升，并且通过牺牲能力能效将得到一定的提升，但增加室外冷凝器换热面积会导致冷媒增多和外风机变大从而导致中间制冷能力能效变低，最终导致整体的ISEER 被拉低，所以在设计中应考虑全面，虽然增加面积可以减少由换热温差引起的不可逆损失，但也应考虑相应的改变系统引起的冷媒量、室外风机等配套对能力能效的影响，应考虑各测试工况所占权重，合理调配。

由于中间制冷在印度能效占有59.1%的权重，压缩机排量较小的在进行中间制冷时所做的实际功更接近于理想工，所以小压机更有利于中间制冷的能力能效发挥，也就更有利于印度能效ISEER 的提升，通过试验验证相同排量压机单缸更有利于能效的发挥，但会带来管路震动和噪声等一系列问题。