淺談如何提高家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)能效比

胡海東

（江蘇春蘭空調(diào)設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300）

隨著人們生活水平的提高，家用空調(diào)器（以下簡稱空調(diào)器）走進(jìn)了千家萬戶。它的耗電量很大，在夏季用電高峰期，空調(diào)器的能源消耗可占35%以上[1]。長期以來，人們?yōu)榻档图矣每照{(diào)器功耗做了大量研究。變頻空調(diào)在控制層面減少了由于開停機造成的制冷系統(tǒng)瞬變損失，節(jié)能效果明顯。本文僅限于討論制冷系統(tǒng)部分的節(jié)能理論。

1 系統(tǒng)分析

熱會自動從暖處向冷處流動，而不會相反。空調(diào)器是一種制冷裝置，它將熱量從低溫的房間移到高溫的室外，這就需要向空調(diào)器輸入功（電能）。空調(diào)器是通過其內(nèi)部的制冷劑循環(huán)流動來移除熱量的。對理想的可逆循環(huán)，移除一定熱量所需的功量是一定的，即能效比（冷量與功量的比值）一定，它由蒸發(fā)、冷凝溫度決定。在實際空調(diào)制冷循環(huán)中，有很多偏離理想循環(huán)的情況，即不可逆因素，它們導(dǎo)致了實際功耗遠(yuǎn)大于理論功量或能效比的損失。因此要找出這些不可逆因素，并減少它們的影響。家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)通常可分為傳熱部分、節(jié)流部分和壓縮部分，下面分別加以分析。

1.1 傳熱部分

逆向卡諾循環(huán)是一種理想的制冷循環(huán)，它的能效比可以從下面的T-S圖中直觀地示出：

圖1 逆向卡諾循環(huán)T-S圖

圖中T1為系統(tǒng)冷凝溫度，T2為系統(tǒng)蒸發(fā)溫度。冷量為T2線與S軸之間矩形的面積，功量為TI線與T2線之間矩形的面積。若T2=300K（27℃），T1=308K（35℃），則能效比為37.5。而實際空調(diào)的能效比2～4，可以看出有很大的改進(jìn)余地。由圖1還可以看出，提高蒸發(fā)溫度和降低冷凝溫度是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的最基本途徑。對于家用空調(diào)，室內(nèi)外的環(huán)境溫度在很大程度上決定了蒸發(fā)冷凝溫度。因此，在夏季，適當(dāng)調(diào)高室內(nèi)目標(biāo)溫度，給空調(diào)外機安裝遮陽棚，能明顯提高制冷系統(tǒng)能效比，而且簡單易行。

理想的傳熱條件是冷熱流體的溫差為無限小。而實際蒸發(fā)器、冷凝器中進(jìn)行的都是有限溫差傳熱，這是一種不可逆因素。要減小換熱溫差，應(yīng)盡可能增大換熱表面，并充分利用這些表面。

家用空調(diào)器中，常用的是一種翅片管式蒸發(fā)器，薄U形銅管外套鋁片制成，外套的鋁片是增加空氣側(cè)換熱表面的措施，采用脹管工序，保證管與翅片之間緊密接觸，提高導(dǎo)熱性能。結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 翅片管式蒸發(fā)器

為增加換熱表面積，可以這樣處理：U形管內(nèi)側(cè)表面加工內(nèi)螺紋，以增加制冷劑側(cè)的換熱表面；鋁片表面增加壓型和切口，以進(jìn)一步增加空氣側(cè)的換熱表面。圖3是一種改進(jìn)后的U形管和鋁片結(jié)構(gòu)示意圖：

圖3 U型管和鋁片結(jié)構(gòu)示意圖

鋁片表面增加切口還有一個好處，即可以在空氣掠過鋁片表面時，破壞其層流邊界層，提高空氣側(cè)的換熱系數(shù)；銅管內(nèi)壁的螺紋也有利于制冷劑液體潤濕表面和除去生成的流體泡沫，提高制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)。但這些也會增加流體流動的摩擦阻力。要再增加換熱表面，就需要增加U形管數(shù)量，過長的蒸發(fā)器在啟動時需要很長時間才能使制冷劑潤濕管壁，大大增加了開機時的瞬變損失。上述這些矛盾，都需要通過試驗來采取一個折中方案。

在實際空調(diào)系統(tǒng)調(diào)試中，蒸發(fā)器通常分為多個分路，應(yīng)讓制冷劑均勻地流過各分路，充分利用既有的換熱面積。具體做法是在每個分路的進(jìn)出口布置測溫點，調(diào)節(jié)各分路U形管數(shù)量或分液毛細(xì)管的長度，使各分路進(jìn)出口溫度基本相等。另外，鋁片表面會產(chǎn)生冷凝水，水膜會限制制冷劑與空氣之間的熱量傳遞，因此鋁片表面應(yīng)進(jìn)行去水膜處理。適當(dāng)增加蒸發(fā)器的迎面風(fēng)速，也可提高空氣側(cè)的換熱系數(shù)。

上面這些分析同樣適用于冷凝器。

1.2 節(jié)流部分

在系統(tǒng)回路的高、低壓側(cè)之間有一個節(jié)流裝置。這可以是毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥或膨脹機。對理想循環(huán)，在膨脹過程中，制冷劑壓力能的降低應(yīng)以功的形式完全回收，用來驅(qū)動壓縮機或風(fēng)扇電機，完成這一過程的是定熵膨脹機。

家用空調(diào)器中，通常使用的是毛細(xì)管和電子膨脹閥。這簡化了系統(tǒng)，但以能效比損失為代價。

毛細(xì)管利用制冷劑在細(xì)長管中的流動阻力起節(jié)流降壓作用，制冷劑沿管長的絕熱膨脹過程如圖4所示：

圖4 制冷劑壓力沿管長的變化

流動分兩個區(qū)，AB段為純液體區(qū)，BC段為兩相流動區(qū)[2]。過冷液體（狀態(tài)pA,tA,）從入口截面A進(jìn)入毛細(xì)管，由于液體流動阻力較小，AB段壓力下降平緩。pB為tA對應(yīng)的飽和壓力值，液體到達(dá)B截面時變?yōu)轱柡鸵后w。此后隨著壓力繼續(xù)下降，將有蒸汽閃發(fā)出來，制冷劑比容增大，流速增加，壓力快速下降，制冷劑到達(dá)出口截面C時，壓力下降到蒸發(fā)壓力pC。從以上分析可知，當(dāng)冷凝壓力pA和蒸發(fā)壓力pC一定時，應(yīng)盡可能使B截面后移，以減少兩相流動的距離，減少摩擦損失，同時出口制冷劑干度變小，質(zhì)量流率增加。因此應(yīng)過冷冷凝器出口液體和冷卻毛細(xì)管以達(dá)到這個效果。家用空調(diào)器的毛細(xì)管短且細(xì)，換熱表面小，冷卻效果不好。因此可以在冷凝器末端增加1～2根U形管，讓液體制冷劑直接由空氣進(jìn)行過冷；也可以用一個單獨的換熱器進(jìn)行過冷，由蒸發(fā)器的回汽提供冷源。這些措施基本不會增加系統(tǒng)功耗，但能明顯提高能效比。

在電子膨脹閥節(jié)流系統(tǒng)中，用兩只熱敏電阻分別檢測蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)器出口溫度獲取過熱度信號，以此實時控制膨脹閥開度，因此流量調(diào)節(jié)反應(yīng)迅速，使制冷系統(tǒng)工作穩(wěn)定，降低運行能耗。電子膨脹閥還可以用到系統(tǒng)啟、停控制中。停機時，若蒸發(fā)器與冷凝器連通，則冷凝器中高溫液體進(jìn)入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器溫度升高，造成下次啟動要為冷卻蒸發(fā)器付出額外電能；若蒸發(fā)器與冷凝器之間管道截止，再次開機時，壓縮機帶壓啟動困難，電流沖擊大。采用電子膨脹閥，可以在停機時，閥全關(guān)，阻止制冷劑從冷凝器向蒸發(fā)器遷移；而在壓縮機啟動時，提前很短的一段時間，令閥全開，使吸、排氣壓力迅速平衡，然后啟動壓縮機。從而減少啟、停瞬變損失。

1.3 壓縮機

在空調(diào)制冷系統(tǒng)中，壓縮機的作用是將從蒸發(fā)器來的，最好是處于蒸發(fā)壓力、最小過熱度的制冷劑蒸汽，用最小的能量壓縮它并排到冷凝器。盡可能提高蒸發(fā)壓力和降低冷凝壓力對壓縮過程總是有利的。壓縮機的性能可以被量化為四種不同類型的損失。等熵效率損失是指發(fā)生在流體內(nèi)部的摩擦、傳熱等不可逆因素；對容積式壓縮機，通常都有一些流體在壓縮過程結(jié)束時，沒有離開壓縮機，而在下一個行程中被重復(fù)壓縮，這是容積效率損失；機械效率損失是指發(fā)生在傳動部分的軸承摩擦等損失；最后一個是電機效率損失，指電機在驅(qū)動壓縮機過程中的損失。可變速永磁同步電機的效率遠(yuǎn)高于異步電機，因此，變頻壓縮機的電機效率較高；低背壓的壓縮機利用制冷劑蒸汽冷卻電機，使氣體無效過熱，比容增加，容積效率不如高背壓的壓縮機。上述基本性能一般在廠家的產(chǎn)品樣本中無法查到，因此在壓縮機選型時，經(jīng)驗起關(guān)鍵作用。

2 結(jié)語

設(shè)計高能效比的家用空調(diào)制冷系統(tǒng)時，需要減少不可逆損失，降低功耗，同時又要提高制冷量，這兩方面在很多情況下是矛盾的。比如在換熱器中減少流體的摩擦損失與提高換熱系數(shù)，減少系統(tǒng)的瞬變損失與加大換熱表面積，這些矛盾都需要通過大量的試驗來找到一種折中方案。本文不能給出這樣的方案，只是說明一種提高制冷系統(tǒng)能效比的思路，以期實際的系統(tǒng)設(shè)計能夠更加有針對性。

[1] 邢海斌.淺談高能效比定頻柜機設(shè)計[J].科技風(fēng),2013(2):11-13.

[2] 朱瑞琪.制冷裝置自動化[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1993.