張 凱

（上海市長寧區(qū)特靈空調(diào)系統(tǒng)（中國）有限公司上海分公司，上海 200051）

自1982年，日本大金在面臨國內(nèi)能源緊張的背景下，創(chuàng)造出來世界上第一臺(tái)多聯(lián)機(jī)組，1987年，大金推出世界上第一臺(tái)變頻VRV，它具有室內(nèi)機(jī)獨(dú)立控制、使用靈活，擴(kuò)展性好、外形美觀、占用安裝空間小、可不設(shè)專用機(jī)房等突出優(yōu)點(diǎn)，得到快速發(fā)展，目前已成為中、小型商用建筑和家庭住宅中最為活躍的中央空調(diào)系統(tǒng)形式之一。多聯(lián)機(jī)按照其使用功能不同可分為單冷型、熱泵型和熱回收型；按照壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)方式可分為調(diào)速型（包括交流變頻和直流調(diào)速）和變?nèi)菪停ú捎脭?shù)碼渦旋壓縮機(jī)）兩類。中國多聯(lián)機(jī)起步較晚，大約在2000年左右，但發(fā)展非常迅速，就從2017年、2018年市場容量來看，已經(jīng)占據(jù)50%整個(gè)中央空調(diào)市場，并且技術(shù)也日益進(jìn)步，全直流變頻技術(shù)成本優(yōu)勢、可靠性日益提升，成為現(xiàn)在行業(yè)的主流，并且隨著技術(shù)發(fā)展，涌現(xiàn)出噴氣增焓、雙級壓縮以及蓄冷蓄熱等新技術(shù)。

目前多聯(lián)機(jī)行業(yè)競爭日趨激烈，隨著IPLV測試標(biāo)準(zhǔn)不足，行業(yè)逐漸推出新的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即APF值，為了能夠提高多聯(lián)機(jī)APF，各個(gè)企業(yè)也開始注重整機(jī)性能優(yōu)化，趙德印[1]對多聯(lián)機(jī)空調(diào)APF進(jìn)行分析，制熱對多聯(lián)機(jī)APF影響很大，目前APF值規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)偏高，需要改進(jìn)。李彬等[2]對風(fēng)冷式多聯(lián)（熱泵）機(jī)組APF的測試做了一定的研究和分析，為多聯(lián)機(jī)APF值測試提供參考。吳成斌[3]對空調(diào)用制冷設(shè)備季節(jié)性能評價(jià)方法研究，尤其關(guān)于多聯(lián)機(jī)APF值評價(jià)進(jìn)行了分析，指出采用ISO標(biāo)準(zhǔn)的APF體系更能反映多聯(lián)機(jī)的實(shí)際性能，進(jìn)而結(jié)合中國的建筑負(fù)荷特性和氣象數(shù)據(jù)，構(gòu)建新的多聯(lián)機(jī)季節(jié)性能評價(jià)體系。提出了復(fù)合空調(diào)機(jī)組的APF評價(jià)方法，并對一臺(tái)復(fù)合空調(diào)機(jī)組在我國五個(gè)典型地區(qū)應(yīng)用時(shí)的季節(jié)運(yùn)行性能進(jìn)行評價(jià)，與實(shí)測結(jié)果比較表明，所提出的評價(jià)方法能夠良好地反映產(chǎn)品性能。

因?yàn)锳PF值不能采用類似IPLV方式提高性能，如加大換熱器、加大機(jī)組容量測試，故而需要從整機(jī)角度以及各個(gè)部件角度分別優(yōu)化。為了提高整機(jī)性能，本文從風(fēng)機(jī)上著手，分析現(xiàn)有存在的不足，并尋找到新的解決方案，為多聯(lián)機(jī)的性能提高提出了新的解決思路。

1 新型空調(diào)軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)軸流風(fēng)扇在動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸流風(fēng)扇的氣流輸出一側(cè)形成高壓區(qū)。相應(yīng)地，軸流風(fēng)扇的另一側(cè)形成相應(yīng)地低壓區(qū)，以使空氣流入到低壓區(qū)。如圖1所示，在頂蓋上輪轂部設(shè)有較多的貫穿的通水孔，其目的是為了防止外風(fēng)機(jī)在陰雨天氣中使用頂蓋積水燒毀電機(jī)，同時(shí)也降低輪轂部的重量以及材料成本。通過對一臺(tái)傳統(tǒng)風(fēng)扇運(yùn)行性能仿真可以看出，由于過水孔的設(shè)置，當(dāng)風(fēng)扇進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸流風(fēng)扇在動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)并加速空氣向設(shè)備主體外流動(dòng)，相應(yīng)地，分別在空氣的輸出方向形成高壓區(qū)以及空氣輸入方向形成低壓區(qū)。由于通孔貫穿輪轂部，導(dǎo)致高壓區(qū)與低壓區(qū)通過通孔連通，提高了音噪和功耗，部分氣流沿通孔流動(dòng)導(dǎo)致紊流的形成，室外機(jī)輸出的風(fēng)量減小。并且風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候，氣流不穩(wěn)定會(huì)使得風(fēng)機(jī)功耗增加，通過圖2、圖3可以看出，現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)將部分氣流旁通出去，弱化了風(fēng)機(jī)性能，而對于多聯(lián)機(jī)而言，風(fēng)機(jī)性能衰減對于整機(jī)性能也有一定影響，尤其是當(dāng)前多聯(lián)機(jī)發(fā)展進(jìn)入快速通道，多聯(lián)機(jī)競爭日趨激烈，而APF值對于整機(jī)評價(jià)也起到關(guān)鍵作用，為了實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)APF值提高以及整機(jī)性能提高，增強(qiáng)系統(tǒng)競爭力，不僅需要從整體性能進(jìn)行優(yōu)化，甚至還要從各個(gè)部件的性能著手去優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)機(jī)組性能產(chǎn)生大幅提升，故而本次對于風(fēng)機(jī)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，從細(xì)微的角度著手去優(yōu)化。

圖1 兩類風(fēng)扇結(jié)構(gòu)對比圖

圖2 傳統(tǒng)風(fēng)扇運(yùn)行性能仿真

圖3 傳統(tǒng)風(fēng)扇運(yùn)行性能仿真

如圖2所示，正是由于貫穿的通水孔的設(shè)置帶來了風(fēng)機(jī)性能衰減，利用康達(dá)效應(yīng)和附壁原理更好導(dǎo)流空氣，讓亂流進(jìn)行整合向上提升從而提上風(fēng)量，故而本次設(shè)計(jì)一種新的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，它是由風(fēng)扇主體和可拆卸連接于風(fēng)扇主體的頂蓋構(gòu)成，風(fēng)扇主體包括輪轂和設(shè)于輪轂外周壁的扇葉組，頂蓋可拆卸連接于輪轂并封閉輪轂的端部。輪轂用于連接軸流風(fēng)扇的外接動(dòng)力設(shè)備，扇葉組設(shè)有多個(gè)間隔分布的扇葉。扇葉均勻分布輪轂的外周壁，以使軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受力均衡。軸流風(fēng)扇在動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，扇葉驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇主體周邊的氣體加速流動(dòng)并形成穩(wěn)定的氣流。軸流風(fēng)扇在動(dòng)力設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，使軸流風(fēng)扇的氣流輸出一側(cè)形成高壓區(qū)。另一側(cè)形成相應(yīng)地低壓區(qū)，以使空氣流入到低壓區(qū)。由于頂蓋端部封閉，避免風(fēng)扇主體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中風(fēng)扇主體兩側(cè)的高壓區(qū)和低壓區(qū)沿輪轂連通，氣流輸出穩(wěn)定，軸流風(fēng)扇的噪音減小。同時(shí)不會(huì)在輪轂處形成流動(dòng)的氣流，可減小軸流風(fēng)扇輸出氣流的紊流現(xiàn)象，降低風(fēng)扇主體轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能耗。同時(shí)頂蓋設(shè)置有引導(dǎo)氣體流動(dòng)的引導(dǎo)部，引導(dǎo)部的橫截面面積自一端向另一端逐漸減小，以形成近似于錐臺(tái)結(jié)構(gòu)。這樣可以使氣流可沿頂蓋的表面脫離，不僅引導(dǎo)氣流流動(dòng)同時(shí)也減小氣流的紊流。導(dǎo)流均衡性好，氣流流動(dòng)穩(wěn)定、集中。

為適用于不同風(fēng)機(jī)，采用針對優(yōu)化風(fēng)機(jī)端蓋，如圖4所示，輪轂在回轉(zhuǎn)中心線方向的中點(diǎn)與引導(dǎo)部的最小回轉(zhuǎn)半徑的連線相對于輪轂的回轉(zhuǎn)中心線形成夾角β，輪轂在回轉(zhuǎn)中心線方向的中點(diǎn)與引導(dǎo)部的最大回轉(zhuǎn)半徑的連線相對于輪轂的回轉(zhuǎn)中心線形成夾角γ，其中，0.5≤β/γ≤0.7。針對不同的風(fēng)機(jī)運(yùn)用，可以通過調(diào)整β與γ之間的比值，以使頂蓋10的弧線導(dǎo)流能降低風(fēng)扇主體輸出氣流的紊流效果并提升出風(fēng)量，起到導(dǎo)風(fēng)的效果。β/γ的比值可設(shè)為0.5、0.55、0.6、0.65、0.7，提高導(dǎo)風(fēng)效果，降低音噪。并且頂蓋與輪轂可拆卸連接，兩者裝配成一體以組成軸流風(fēng)扇，裝配效率高。輪轂和頂蓋可獨(dú)立加工，輪轂的加工工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性好，降低風(fēng)扇主體的生產(chǎn)及材料成本。

新型軸流風(fēng)扇應(yīng)用于空調(diào)室外機(jī)，可以降低空調(diào)室外機(jī)的運(yùn)行噪音并提高空調(diào)室外機(jī)的出風(fēng)量，散熱效果好。新軸流風(fēng)扇在動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下控制氣流流動(dòng)，在同等風(fēng)力情況下，動(dòng)力電機(jī)所需功率減小，音噪減小。

圖4 新風(fēng)扇角度尺寸

2 新型空調(diào)軸流風(fēng)扇性能實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)一臺(tái)新軸流風(fēng)扇（帶頂蓋）在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見圖5），并跟現(xiàn)有同等尺寸型號的進(jìn)行性能對比，本次測試內(nèi)容包括風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量、功率以及噪聲，同時(shí)將測試出的風(fēng)量、功率性能運(yùn)用到一臺(tái)整機(jī)多聯(lián)機(jī)上，對多聯(lián)機(jī)整體APF進(jìn)行評估。

圖5 新風(fēng)扇樣品

其中測試結(jié)果如表1所示，傳統(tǒng)風(fēng)扇不帶頂蓋，新的風(fēng)扇帶有新設(shè)計(jì)頂蓋結(jié)構(gòu)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)機(jī)風(fēng)量逐漸提高，幾乎呈線性增長趨勢，在850 r以內(nèi)，帶頂蓋的新型風(fēng)扇結(jié)構(gòu)在同等轉(zhuǎn)速下具有更高的風(fēng)量，整體風(fēng)量提升接近2%，具有較好的效益，尤其在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速350 r時(shí)候，風(fēng)量提升超過6%，這是因?yàn)轱L(fēng)速低頂蓋密封作用減小了更多的氣流旁通；通過數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)機(jī)功率在低轉(zhuǎn)速下雖然沒有降低，而在中轉(zhuǎn)速下具有1.6%降低，在950 r工況下，風(fēng)扇風(fēng)量提升與軸功率提升基本保持一致；故而從整體性能來看，新風(fēng)扇帶頂蓋結(jié)構(gòu)對風(fēng)機(jī)整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)風(fēng)扇。

表1 具體測試結(jié)果

再通過圖6所示的噪音測試情況，在各個(gè)轉(zhuǎn)速下，新風(fēng)扇結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)風(fēng)扇都有一定程度降低，大約0.5 dB，故而能夠?yàn)楫a(chǎn)品噪音帶來一定競爭力。同時(shí)風(fēng)機(jī)的噪音對于整機(jī)噪音也具有一定影響，風(fēng)機(jī)噪音降低實(shí)現(xiàn)整機(jī)噪音一定程度降低，為產(chǎn)品在宣傳上具有優(yōu)勢。

圖6 各轉(zhuǎn)數(shù)噪音值

將帶有頂蓋的風(fēng)機(jī)運(yùn)用于多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組整機(jī)性能APF評估，通過在對應(yīng)整機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行核算APF，新風(fēng)扇帶頂蓋結(jié)構(gòu)能夠降低APF值0.1，大幅度提高了產(chǎn)品整機(jī)優(yōu)勢，為多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品在行業(yè)競爭中提供了新的優(yōu)化方向。

另外由于頂蓋與輪轂分體式可拆卸結(jié)構(gòu)，安裝自由靈活，同時(shí)可根據(jù)不同匹數(shù)多聯(lián)機(jī)進(jìn)行頂蓋角度弧度優(yōu)化設(shè)計(jì)，頂蓋高度與風(fēng)扇直徑比例靈活設(shè)計(jì)，提高導(dǎo)流效益；適用性強(qiáng)，針對新款頂蓋模具設(shè)計(jì)而言，成本初期投資低，對整機(jī)成本具有很好的優(yōu)化作用，非常適用于目前日趨激烈競爭的多聯(lián)機(jī)市場。

3 結(jié)語

通過對現(xiàn)有多聯(lián)機(jī)用軸流風(fēng)機(jī)以及新型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理分析，并在試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行性能對比測試，將新型風(fēng)機(jī)運(yùn)用于整機(jī)多聯(lián)機(jī)性能分析，得到如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有風(fēng)機(jī)頂蓋帶有過水孔雖然可以防止風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)進(jìn)水燒毀現(xiàn)象，但容易造成氣流旁通，增加了風(fēng)機(jī)功噪音以及穩(wěn)定性。

（2）新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)利用康達(dá)效應(yīng)和附壁原理進(jìn)行改進(jìn)，增加頂蓋設(shè)置，同時(shí)優(yōu)化角度，不僅化解了氣流旁通問題，提高了風(fēng)量，還降低了噪音，提高了穩(wěn)定性。

（3）新風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同類型多聯(lián)機(jī)外機(jī)分別設(shè)置頂蓋角度，并且頂蓋與輪轂分體，容易加工，適用性強(qiáng)，運(yùn)用到整機(jī)多聯(lián)機(jī)，不僅具有成本優(yōu)勢，還能實(shí)現(xiàn)整機(jī)APF值提高0.1，具有很好的市場前景。