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　　AG体育pers与优化设计方法房间空调器的节能分析与优化设计方法房间空调器的节能分析Ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎＭｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅＲｏｏｍＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ北京工业大学环境与能源工程学院温化南ＷｅｎＨｕａｎａｎ，李红旗ＬｉＨｏｎｇｑｉ１引言随着世界范围内能源危机到来，作为能源消耗大户的房间空调器，越来越受到社会的广泛关注。近年来，国内外对空调器的能耗要求越来越高，欧美等国家更是利用其近乎苛刻的能耗要求作为绿色技术壁垒来限制广大发展中国家产品对其出口贸易。目前我国的房间空调器产量已跃居世界第一位，但其性能和质量与国外先进水平相比差距还很大。我国新标准ＧＢ７７２５－９６对房间空调器的能效比标准提高到２．５，空调节能已成为刻不容缓的大事。节能问题应该成为国家政策引导的方向以及空调企业发展的方向，为了有效促进节能技术的应用、引导市场消费，国家发改委、国家质检总局、中国标准化研究院正在开展我国能效标识制度及空调器能效标准的研究制定工作。为了引领市场，必须不断创新，开发节能型空调器。因此，对空调器高效节能的分析研究，通过各种技术手段提高空调器的整体能效，有着迫切要求和重大意义。空调系统的整体能效，取决于以下几个因素：制冷压缩机的效率与工况、换热器的效率、室内、外风扇的性能、节流装置的性能、制冷剂的种类和用量以及管路系统等。２制冷压缩机的效率与工况压缩机的性能对整机的性能起决定性作用，房间空调器使用的制冷压缩机有多种结构型式，如往复活塞式、滚动转子式、涡旋式等等，不同型号的压缩机其性能是有所差异的，例如在用于单一组份制冷剂的系统中，有些型号允许的最高冷凝温度可达到７１，而大部分约为６５；允许最低蒸发温度的差异更大，从－５到－２５都有，多数为－１５；至于压缩比，大多数机型为小于等于６，一部分则达到小于等于８，甚至更高。此外，吸气是否直接进入缸体也是制冷系统需要重视的问题，如果吸气直接进入缸体，而压缩机本身没有配套储液器，制冷系统配置就要考虑在压缩机吸气端加装储液器。总之，制冷系统的配置必须确保在各种运行工况下，不论是额定工况还是极限工况，压缩机的运行条件都不允许超出压缩机规范所列的范围。此外，利用压缩机的设计裕度超范围运行，即使能够通过式型试验，也不应采纳，否则将对可靠性造成危害。压缩机的制冷量应该接近空调产品能匹配到所需的制冷量，压缩机制冷量大小的选用与空调系统的其它配置也有一定关系，如冷凝器、蒸发器的大小及换热效率的高低，风机的风量，毛细管规格和制冷剂充灌量等等。压缩机的能效比是压缩机冷量、热量与输入功率的比值，反映的是压缩机的能量利用效率。压缩机的能效比ＣＯＰ是空调器能效比ＣＯＰ的基础，ＣＯＰ值高的压缩机在同等条件下匹配出的空调器ＣＯＰ值更高。３换热器的效率房间空调器中使用的换热器，即蒸发器和冷凝器，一般都是铜管外面套铝翅片摘要：在能源极度紧缺的今天，空调能耗越来越受到社会的关注，提高空调器能效水平成为当前空调行业的焦点，新出台的房间空调器能效标准更加剧了这种趋势。本文介绍了房间空调器节能优化的思路，并提出通过各种手段对空调器各部件进行改进的优化设计方法。关键词：房间空调器节能优化设计Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｅｎｅｒｇｙｉｓｓｈｏｒｔｍｕｃｈｎｏｗａｄａｙｓ，ｓｏｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｇｏｔｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ，ａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅＣＯＰｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｂｅｃｏｍｅｓｆｏｃｕｓｉｎｔｈｉｓｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｉｓｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｂｙｔｈｅｎｅｗｒｏｏｍａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅｔｈｏｕｇｈｔｏｆｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｂｏｕｔｒｏｏｍａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｔｈａｔｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｅｖｅｒｙｐａｒｔｓｏｆａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒｂｙａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｌｉｔｉｅｓｉｓａｄｖａｎｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｏｍａｉｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ；Ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ栏目责任编辑／韩彬／ｈａｎｂｉｎ＿ｃｈｅａｒｉ＠１２６．ｃｏｍ家电科技ChinaApplianceTechnology65会变差。通过实验可以看出，当其它部件完全相同时，冷凝器使用开缝片和波纹片的空调器，制冷功率基本相同，使用开缝片时功率比使用波纹片时稍大些，这说明倒片的影响比增大翅片表面积的影响还要大，在制冷量上也是使用波纹片的空调器稍大些，因此，冷凝器使用波纹片时空调器的能效比较高。（见图１）３．１．２翅片间距通常情况下，翅片间距越小，换热效果越好，性能系数越高。这是由于雷诺数较小，漩涡流动对换热影响较弱，边界层流动起相当大的作用，随着翅片间距的减小，在相邻两翅片上的边界层将产生一定的干扰，使换热加强。但是，翅片间距减小也会造成冷凝水阻塞，使阻力增大，风量减少，造成供冷量不足。室内侧换热器在制冷时作为空调的蒸发器是在湿工况下运行的，工作时湿空气的水分会在蒸发器翅片表面冷凝成水珠，通常认为翅片间距小于２ｍｍ时，冷凝水珠会与相邻翅片水珠连接起来，形成“水桥”。“水桥”会造成翅片间堵塞，风阻增大，风量下降，从而影响系统的热工性能。另外，在空调器的使的结构。对于蒸发器，是通过制冷剂液体在管内蒸发变成气体，空气在管外翅片间流动的方式，将热量传给制冷剂，空气的温度降低。对于冷凝器，气体制冷剂在管内冷凝成液体，管外翅片间流过的空气将制冷剂冷凝时放出的热量带走。换热器的热交换性能对空调器的能效水平具有关键作用，因此，提高换热器的性能是空调节能的关键。换热器的传热量与传热系数、换热面积以及传热温差成正比，即：：对数平均温差［］。所谓改善空调换热器的传热性能，就构参数、制冷剂分配、肋片表面处理及胀管工艺等措施，来提高传热系数，从而在保持传热量不变的前提下，减少传热温差，从而提高整机能效比，降低能耗；或减小换热面积，从而降低有色金属消耗量和“两器”的体积。套片管式换热器传热系数的表达式Ａｃ：管和片的接触面积；：传热管壁厚；：传热管导热系数；：肋片效率；：空气侧换热系数；：制冷剂侧换热系数；：接触热阻。从公式（（２）可知，提高传热系数Ｋ高管内制冷剂侧换热系数、提高肋片效率以及减小管片之间的接触热阻３．１提高空气侧的换热系数空调器中的两个换热器（蒸发器、冷 凝器）的工作介质均为制冷剂和空气（或 湿空气）。制冷剂侧是相变换热（沸腾或 凝结），换热系数较大，空气侧是单相强 制对流换热，和前者相比小得多。因而， 即使采用相当高的肋化系数，传热过程 中热阻的分配仍然是空气侧为主要热阻。 因此，改进两器的传热性能首先应从空 气侧入手。 ３．１．１翅片类型 早期在空调器的蒸发器中使用的是平 翅片，铜管直径是φ９．５３ｍｍ，之后发展了 波纹片，传热量为平片的１．２倍。１９８０年 左右，发展成开缝片，传热量提高到平片 的２倍。到１９９０年左右，传热管的管径细 化成φ７ｍｍ，传热量提高到平片的２．５～ ３倍。开缝片具有更好的传热性能，这是 因为在翅片表面流动的空气具有粘性，在 贴近翅片表面处有一层边界层，造成较大 的热阻，翅片表面开槽以后，破坏了边界 图１冷凝器翅片类型对整机性能的影响 图２冷凝器翅片间距对整机性能的影响 层的形成，因此提高了传热 效果。 通常情况下，蒸发器的 翅片使用开缝片较为合理， 而冷凝器的翅片选用则相对 复杂些。波纹片与平片相 比，主要是使空气紊流度加 大来促进传热，而开缝片不 仅可以加大翅片的表面积， 而且其表面大部分开缝的位 置将形成新的温度边界层。 虽然开缝片比波纹片的传热 效果更好，但开缝片的冷凝 器在生产工艺上存在一定缺 陷，因为开缝片的强度较 差，在Ｌ型折弯过程中容易 把圆弧段的翅片弄成倒片， 倒片段的冷凝器的换热效果 66 pers 用过程中，会发现换热器铝翅片受蚀现 象。因此，在换热器铝翅片表面涂上一层 具有亲水防蚀作用的膜，使冷凝水受亲水 基作用，由珠状变成膜状流下，就能解决 冷凝水聚集，消除“水桥”，使风量增大， 制冷量也相应提高，从而改善整机的性 能。（见图２） ３．２提高制冷剂侧的换热系数 尽管传热过程的主要热阻在空气侧， 但是管内制冷剂侧的热阻仍然占３０％左 右，因此还是有潜力可挖的。特别是当空 气侧采用高效肋片以后，热阻的分配比 例将改变，空气侧的热阻可能降低到占 ５０％左右的份额，其余一半左右的热阻 为管内制冷剂侧换热热阻及管片之间的 接触热阻，这时强化管内制冷剂侧的换 热就更为必要。 ３．２．１换热器传热管的类型 房间空调器用换热器所采用的传热管， 直径一般为４～１０ｍｍ，７０年代采用光管， ８０年代以后采用内表面螺纹管，又称为内 肋管。螺纹槽的深度一般为０．１￣０．２５ｍｍ，螺 旋角为１０～３０度，槽数为５０～７０。到１９９７ 年开发了人字形槽（也叫Ｗ型槽）的内肋管。 最近，又开发出在螺旋齿顶部有二次槽的交 叉形内肋管，称为细微二次槽内肋管。 使用常规制冷剂Ｒ２２时，通常是采用 内螺纹管。它与普通光管相比，内表面的 面积增大，同时制冷剂流动时沿螺旋槽旋 转所产生的拢动，以及由于表面张力使液 膜变薄等原因，使传热系数增大，增大的 程度随内螺纹肋形的不同而有所不同。早 期使用三角形肋，现在大多趋向于梯形肋。 肋高的增加、管壁平均厚度的减薄，也使 传热增强，同时减少了材料消耗量。此外， 在流量较小时，内肋管的流动阻力比光管 增大得不多。因此，在Ｒ２２的空调器里广 泛使用内螺纹管。 在蒸发器内换热时，内螺纹管比光管 传热好，这是因为：在小流量时，气体和 液体有分界面，由于液体重量较气体大， 在内螺纹槽内作螺旋状流动时，由于离心 力的作用，贴在壁面上，同时，又由于内 螺纹槽的毛细作用，使液膜变薄，整个管 子内表面均有液体。而制冷剂在光管内流 动时，内壁的上部是气体，下部是液体。由 于气体的传热系数比液体小得多，所以内 螺纹管的传热效果比光管好。 对于冷凝器来说，内螺纹管同样可以 提高传热性能。在水平光管内，由于制冷 剂液体比蒸气重，因此液体沉积在下部， 影响传热效果。在内螺纹管内冷凝时，由 于液体沿内螺纹槽作周向旋转流动，因此 提高了传热效果。 交叉内肋管的放热系数，在小流量时 比内螺纹管低，而在大流量时显著提高。 因为液体沿人字槽分成两个方向流动，主 要集中在顶部和底部较多，而左右两侧较 少，因此使整个管子的放热系数提高，但 压力损失也较内螺纹管大一些。 １９８０年左右，出现了锯齿形内螺纹 管，放热系数比光管提高了一倍。之后，出 现了梯形槽的内螺纹管，放热系数比光管 提高了１．４倍。到了１９９０年左右，出现了 细微二次槽的内螺纹管，放热系数比光管 提高了１．６倍，到１９９５年出现了细微二次 槽的内螺纹管，放热系数比光管提高了３．３ 倍，同期还出现了人字槽的内肋管，放热 系数比光管提高了４倍。由此可见，依靠 传热管结构和制造工艺的改进，提高制冷 剂在管内的放热系数，效果是十分显著的。 ３．２．２换热器管径 减小换热器Ｕ型管的管径，同时增加