高能效美國(guó)戶(hù)式機(jī)系統(tǒng)研究

1、引 言

美國(guó)戶(hù)式機(jī)是針對(duì)美國(guó)開(kāi)發(fā)的機(jī)型，它其實(shí)是一種風(fēng)冷冷風(fēng)型機(jī)組，又稱(chēng)美國(guó)別墅機(jī)，是目前美國(guó)市場(chǎng)上最為暢銷(xiāo)的機(jī)組，每年的銷(xiāo)量大概有680萬(wàn)套，故而目前許多知名空調(diào)廠(chǎng)商都看中此機(jī)型的開(kāi)發(fā)研制工作，但美國(guó)能源部申明自2006年1月起，美國(guó)將推行新的空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)，家用中央空調(diào)的季節(jié)能效比標(biāo)準(zhǔn)(seasonal energy efficiency rating，sEER)將強(qiáng)制提升至13(Btu/w.h)

(約相當(dāng)于國(guó)標(biāo)名義制冷工況下3.7的能效比)，這將比其現(xiàn)有市場(chǎng)中出售的空調(diào)能效提高30%。提高強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空調(diào)與相關(guān)制造業(yè)都提出了新的挑戰(zhàn)。

2、機(jī)型簡(jiǎn)介

按美國(guó)ARI標(biāo)準(zhǔn)Standard 210/240要求，機(jī)組必須在AI況下達(dá)到額定制冷量的95%以上，同時(shí)美國(guó)季節(jié)能效比SEER不能小于13的95%。按此要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換成國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的話(huà)，機(jī)組性能在名義制冷的情況下EER必須要達(dá)到3.4以上，同時(shí)能力還要滿(mǎn)足要求，特別是大冷量如60機(jī)組其開(kāi)發(fā)難度相當(dāng)大。

3、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要方法

美國(guó)戶(hù)式機(jī)屬于風(fēng)冷冷風(fēng)型分體武商用空調(diào)器，其系統(tǒng)組成由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流元件、內(nèi)外機(jī)電機(jī)組件，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，如果想在保證AT況下的能力的前提下。提升機(jī)組能效，只有從以上幾個(gè)元件，使其每個(gè)元件都能充分發(fā)揮出各自最佳的性能。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路是:首先從機(jī)組額定制冷能力情況下，計(jì)算出要達(dá)到能效比EER=3.45時(shí)，機(jī)組所需的整機(jī)功率。第二，從目標(biāo)功率人手，合理對(duì)系統(tǒng)所需的壓縮機(jī)及內(nèi)外電機(jī)進(jìn)行合理分配，選定合適的內(nèi)外機(jī)風(fēng)量，從中選擇合適的壓縮機(jī)、內(nèi)電機(jī)、外電機(jī)。第三，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩器進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。第四，對(duì)機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)性能匹配，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢驗(yàn)各內(nèi)外電機(jī)功率、壓縮機(jī)實(shí)際投入功率是否與目標(biāo)值相符。如若相符，在基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)冷凝器與蒸發(fā)器的分路進(jìn)行合理的調(diào)整以及冷媒的灌注量調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為應(yīng)具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

(1)壓縮機(jī)選型問(wèn)題

壓縮機(jī)是空調(diào)產(chǎn)品的心臟，壓縮機(jī)選取的好壞直接影響著空調(diào)產(chǎn)品的性能。對(duì)與壓縮機(jī)選擇，大家都覺(jué)得學(xué)系統(tǒng)的沒(méi)有問(wèn)題，但是實(shí)際上在做高能效的機(jī)型時(shí)，壓縮機(jī)的選取是最為關(guān)鍵的，一旦壓縮機(jī)選用不合適，將給匹配實(shí)驗(yàn)增加許多難題。具體來(lái)講，主要考慮兩個(gè)方面的因素，一個(gè)是壓縮機(jī)的制冷額定能力，另一方面考慮此款壓縮機(jī)本身的能效比為多少，一般壓縮機(jī)標(biāo)況下能效比不能低于3.05。對(duì)于壓縮機(jī)制冷能力來(lái)講，其標(biāo)況下的額定制冷量確一般在所做機(jī)型標(biāo)定值的85%-87%之間，如果選得太大，壓縮機(jī)的功率將太大，不利于提升整機(jī)性能，反之若太小，不利于達(dá)到額定制冷量的要求。如下是兩款壓縮機(jī)在相同兩器及測(cè)試條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比。

(2)冷凝器設(shè)計(jì)

冷凝器的設(shè)計(jì)，大家都知道注意幾點(diǎn):(a)逆流熱交換(b)避免復(fù)熱存在(c)各支路的換熱均衡等等問(wèn)題，但筆者就本次高能效戶(hù)式機(jī)冷凝器設(shè)計(jì)談另兩點(diǎn)注意事項(xiàng)。

(一)冷凝器的分路數(shù)及管路的壓降損失。

對(duì)于冷凝器分路一定注意在允許壓降下(一般控制在2.5kgf以下)分路數(shù)，通過(guò)HW24-D機(jī)組實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)分5路時(shí)，其冷凝器的整體換熱效果很差，當(dāng)減小分路后，其冷凝器的換熱性能大大提高。具體數(shù)據(jù)如下:

這種做法的好處是增大每個(gè)分路制冷劑流速，增加每個(gè)管路的換熱器長(zhǎng)度，使其冷凝器的換熱性能充分發(fā)揮出來(lái)。48機(jī)在匹配時(shí)總是在A工況下能效較高，在3.5左右，但一轉(zhuǎn)入B工況下其能效只有3.9左右，后來(lái)經(jīng)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)冷凝器出液溫度相對(duì)較低(主要是由于此處的壓降較大而產(chǎn)生節(jié)流效果引起的)，但從外出風(fēng)溫度卻可以看出冷凝效果卻不佳，另外發(fā)現(xiàn)由于過(guò)冷段過(guò)長(zhǎng)，過(guò)冷段處壓降很大，最后也是通過(guò)改變冷凝器的分路數(shù)(原先8路后改為6路)及減小過(guò)冷段的長(zhǎng)度(主要是降低此處的壓降)效果很好，在A、B工況下的能力和性能均有所提高。具體前后數(shù)據(jù)如下:

(二)冷凝器的迎面風(fēng)速的問(wèn)題

在設(shè)計(jì)時(shí)往往都會(huì)考慮冷凝器的風(fēng)量，但是在實(shí)際匹配過(guò)程中，有時(shí)大家往往會(huì)不注意冷凝器的迎面風(fēng)速問(wèn)題，雖然有時(shí)總體風(fēng)量很大，但是平均下來(lái)，其迎面風(fēng)速往往低于lm/s，這樣的話(huà)整個(gè)冷凝器的換熱效果將會(huì)受到很大的限制，具體來(lái)講，有時(shí)增大冷凝器的高度，冷凝面積增加很多，但得不到應(yīng)有的換熱效果，對(duì)此機(jī)組的冷凝器進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定，發(fā)現(xiàn)迎面風(fēng)速很低，一般在0.9m/s。具體實(shí)例就是在做60機(jī)時(shí)，將機(jī)組高度增加了100mm后，其實(shí)測(cè)冷凝器換熱效果與原先換熱器換熱效果一樣，有時(shí)甚至還覺(jué)得差一些。

另外在設(shè)計(jì)冷凝器盡量考慮冷凝器的各處風(fēng)量均勻，不要有太大的偏差，如果發(fā)現(xiàn)冷凝器各處風(fēng)量存在較大的差距。應(yīng)該在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮，如果受結(jié)構(gòu)所限，則在系統(tǒng)分路體現(xiàn)，以便使各路的冷凝效果相當(dāng)。

(三)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

對(duì)于蒸發(fā)器設(shè)計(jì)大家都比較清楚，一般考慮以下幾個(gè)方面:(1)逆流熱交換(2)避免復(fù)熱存在(3)各支路的換熱均衡(4)分路數(shù)及壓降。由于平常大家對(duì)此都有研究筆者在此就不再講述。

(四)節(jié)流元件安裝位置注意事項(xiàng)

高能效美國(guó)戶(hù)式機(jī)均采用毛細(xì)管節(jié)流，在開(kāi)發(fā)美國(guó)戶(hù)式機(jī)HWl8-D時(shí)，當(dāng)機(jī)組試制完成后，對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行復(fù)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷量比先前測(cè)試少了400W左右，導(dǎo)致機(jī)組能效比下降0.3左右。分析認(rèn)為可能原因有二:①內(nèi)機(jī)本身差異和實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身精度(將節(jié)流毛細(xì)管按開(kāi)發(fā)匹配時(shí)方式外接，保證節(jié)流元件與分液頭之間管程，性能同樣無(wú)法改善可證明此觀(guān)點(diǎn));②節(jié)流毛細(xì)管改裝到內(nèi)機(jī)接水盤(pán)上方后，節(jié)流毛細(xì)管與分液頭之間的管程很短，尤其分液頭接管本身垂直高度約只有30cm(φ9.52管)，以致節(jié)流后的閃發(fā)氣體較多進(jìn)入其中幾路(蒸發(fā)器共分8路，各出口處往往6路在20℃左右，兩路在12℃左右)的隱患暴露，蒸發(fā)器換熱能力不能完全發(fā)揮。后經(jīng)過(guò)更改節(jié)流毛細(xì)管至分液頭之間走管和微調(diào)分液毛細(xì)管，機(jī)組能力恢復(fù)。

(五)風(fēng)量的選取

機(jī)組風(fēng)量的選取一般在每w為0.15-0.25m3/h，根據(jù)不同的機(jī)組特性，大家選取不同的系數(shù)。

對(duì)于機(jī)組風(fēng)量選取通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)量小時(shí)，制冷量與功率均較小，當(dāng)提高風(fēng)量時(shí)功率會(huì)增大，同時(shí)冷量也在增大，但整機(jī)的性能EER也在上升，但隨著風(fēng)量的繼續(xù)增大，制冷增大越來(lái)越小，甚至沒(méi)增大，但功率卻越來(lái)越大，整體能效呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)量系數(shù)控制在0.19左右較為合適。

4、總 結(jié)

對(duì)于高能效機(jī)組的開(kāi)發(fā)，應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行:

(1)選取合適的、能效較高的壓縮機(jī)

(2)選取合適的內(nèi)外機(jī)風(fēng)量，合理設(shè)計(jì)蒸發(fā)器與冷凝器的尺寸

(3)對(duì)蒸發(fā)器、冷凝器進(jìn)行合理的走管