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标题: 房间空调机制冷系统的节能设计 [打印本页]

作者: 提米拉苏 时间: 2012-4-5 20:53
标题: 房间空调机制冷系统的节能设计
房间空调机制冷系统的节能设计2.jpg前言
近年来，随着环境问题以及电量不足问题的日益突出，人们越来越感到节能的重要性和紧迫性。据有关数据，夏季用电高峰时期，全国空调机耗电量约占总耗电量的48%。因此，空调机的节能问题得到政府、空调机制造厂家、商家和消费者的一致关注。对于房间空调机的节能设计，不但要使用高效率的电机和压缩机，还需要对制冷系统进行精心的节能设计，使压缩机的做功尽可能地减小。本论文对减小压缩机做功的方法进行了分析和总结。
1 房间空调机节能设计的任务
对于同一制冷量和制热量的空调机，节能设计就是要将其输入功率降低。空调机的输入功率主要由如下4个方面构成：
（1）压缩机（含驱动回路）；
（2）室内风机（含驱动回路）；
（3）室外风机（含驱动回路）；
（4）其他（阀类、控制部分等）。
其中，决定风机、压缩机的输入功率的过程如图1所示。

节能设计的主要任务是：对于风叶的翼型、压缩部的开发，在必要的做功量下，回转力矩要尽可能小。对于电机和其驱动回路的开发，在必要的回转力矩下，电气输入功率要尽可能小。而制冷系统节能设计的任务是：使压缩机的做功尽可能地减小。本论文着重分析和总结制冷系统的节能设计方法。
2 制冷系统的节能设计
2.1 理论分析
压缩机的做功在压焓图上的表示见图2。为了减小压缩机的做功，就需要降低压缩机的排气压力，提高压缩机的吸气压力，减小制冷剂的循环流量。为了达到这些目的，需要提高室内、外热交换器的热交换性能，决定室内、外风机的最佳风量，以及决定电子膨胀阀的最佳开度等。

房间空调机制冷系统的节能设计3.jpg注：1）压缩做功量为⊿P×Q（Pd-Ps的压力差和冷媒流量的积）。2）风量决定了吹出空气的温度、热交换器性能决定了制冷剂的压力（或温度ET，CT）。
风量越大吸入空气和吹出空气的温度差越小。热交换性能越好吹出空气的温度与冷媒温度的差越小（即：冷凝温度下降、蒸发温度上升）。
2.2 压缩机高效化
为了降低空调机的输入功率，无疑需要选用高效率的压缩机。对于变频空调机，还需要合理选定压缩机的运转频率，使在额定模式和中间模式的运转频率下，压缩机具有较高的EER。对于参照GB21455-2008考核SEER的家用空调机，一般使用如下设计思路进行运转频率的决定：
● 制冷额定模式的运转频率，处于压缩机EER曲线的最高点附近。
● 制冷中间模式的运转频率，25Hz以上（理想30Hz）。
2.3 设计高性能的室内、外热交换器
热交换器的性能决定了制冷剂的冷凝压力和蒸发压力。冷凝压力越低、蒸发压力越高，压缩机的做功也越小。因此为了减小压缩机的做功，需要设计高性能的室内外热交换器来降低冷凝压力、提高蒸发压力。家用空调器用热交换器提高热交换性能的主要方法在表1进行了汇总。
2.4 设定合适的风机风量
风机的风量越大，压缩机的输入功率越小，但是风机的输入功率也将增加。因此存在EER最大化的最合适的风机风量（转速）。
一般采用如下设计思路进行风量的决定：额定模式时，风量越大EER值越高，因此将风量设定为根据噪声的上限值所决定的最大风量。中间模式时（变频空调机），因为风机的输入功率在整机的输入功率中所占的比例较大，特别是室外机，需要将风量设定为比额定模式风量小的风量。
2.5 减小室内、外风机电机的输入功率
为了减小室内、外风机电机的输入功率，除了进行交流电机的高效化设计以外，正在逐步实施向直流电机的转换。另外还可通过降低风路压损来减小风机电机的输入功率（风机的理论做功量=风路压损△P×风量Q）。
2.6 降低压力损失
压缩做功量是由根据热交换器性能和风量所决定的冷凝压力、蒸发压力所决定的，而压缩机排气口至冷凝器入口、蒸发器出口至压缩机吸气口的压力损失（高压压力损失、低压压力损失）只是单纯地增加压缩做功量，见图3，因此需要极力地减小压力损失。

房间空调机制冷系统的节能设计4.jpg特别是低压压力损失要极力减小。对于定速空调机，低压压力损失不但造成压缩做功量的增大，还因为压缩机吸气压力低下造成吸气比容增大，制冷剂质量流量下降，从而造成制冷能力下降、EER低下。而对于变频机，低压压力损失造成在同等制冷能力下压缩机转速增加，压缩机耗功增大，而制冷剂流速的增大，又更进一步地引起低压压力损失的增大。
关于降低压力损失的实例见表2：某1.5匹挂壁式家用空调机，通过将蒸发器从2回路改成3回路，降低了低压压损，提高了制冷量，达成了EER的设计指标。

房间空调机制冷系统的节能设计5.jpg2.7 改善热交换器的回路平衡性
热交换器各回路出口的过热/过冷度的偏差将造成与空气的传热（温度差）变小，见图4，必须调整分配使各回路流过的制冷剂流量与该回路的传热量相吻合。

房间空调机制冷系统的节能设计6.jpg对于多回路的蒸发器：仅1个回路的异常过热现象（其他的回路无过热现象）不会产生大的损失。而仅1个回路极度地过冷（其他多个回路过热）是最糟糕的。
对于多回路的冷凝器：仅1个回路异常过冷时不会产生大的损失。而仅1个回路处于基本上没有冷凝的状态，其他多个回路发生过冷时会造成很大的损失（与空气的温度差减少）。
关于改善热交换器的回路平衡性的实例见表3：某1.5匹家用挂壁式空调，通过改善蒸发器回路的分配，提高了制冷量，提高了EER。房间空调机制冷系统的节能设计7.jpg

2.8 节流元件的调节及控制
定速空调机因为压缩机转速一定，冷媒回路的循环流量变化小，一般用控制性能有限的毛细管作为节流元件。而变频空调机则因为压缩机的转速可变，冷媒回路的循环流量变化大，需要用控制性能优良的电子膨胀阀作为节流元件。对于节流元件控制的好坏直接关系到空调机的节能性。
对于不带储液筒的家用空调冷媒回路，因为回路里冷媒循环量是一定的,冷凝器出口的过冷度不发生变化，因此一般通过控制蒸发器的出口状态（过热度）来设计毛细管的规格或者来控制电子膨胀阀的开度。

作者: 提米拉苏 时间: 2012-4-5 20:53
而对于带低压侧储液筒的商用空调冷媒回路，因为有低压储液筒，过热度为0，因此不能对过热度进行控制，而是通过控制冷凝器的出口状态（过冷度）来设计毛细管的规格或者来控制电子膨胀阀的开度。也有的空调机冷媒回路，通过带有2个电子膨胀阀，则可以同时控制冷凝器的出口状态（过冷度）和蒸发器的出口状态（过热度），见图5。

房间空调机制冷系统的节能设计8.jpg《蒸发器出口状态的适正值》见图6，蒸发器的出口状态在干度为1.0附近为COP最大点。

房间空调机制冷系统的节能设计9.jpg《冷凝器出口状态的适正值》见图7，冷凝器出口状态（过冷度）的适正值会随着热交换性能的不同而发生变化，放热量越大，Tco、CT越高， SC适正值也越大。
房间空调机制冷系统的节能设计10.jpg
由图7可知，在SC较小的领域，相对于△ hp的变化，△he的变化大，因此EER提高。在SC较大的领域，相对于△hp的变化，△he几乎无变化，因此EER恶化。因此可以找到EER 的最大值。
3 结论
房间空调机制冷系统节能设计的任务是减小压缩机的做功，为了使压缩机的做功减小，就需要降低压缩机的排气压力，提高压缩机的吸气压力，减小制冷剂的循环流量。为了达到这些目的，主要要做到以下6点：（1）使用高效率的压缩机和室内、外电机，降低风路压损。（2）提高室内、外热交换器的热交换性能。（3）决定室内、外风机的最佳风量。（4）降低压力损失，特别要降低低压压损。（5）改善热交换器的回路平衡性。（6）决定电子膨胀阀的最佳开度。

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