劉蘊(yùn)青 崔 勇 王 燕

一種高能效比窗式空調(diào)器的設(shè)計(jì)

劉蘊(yùn)青 崔 勇 王 燕

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院 泰州 225300）

隨著空調(diào)器的普及，空調(diào)器成為用電大戶，為緩解空調(diào)器用電緊張的矛盾，很多國(guó)家對(duì)空調(diào)器的節(jié)能指標(biāo)有著很高的要求。提出了一種高能效比窗式空調(diào)器設(shè)計(jì)的基本思路，并在此思路的指導(dǎo)下，開發(fā)出滿足美國(guó)能源標(biāo)準(zhǔn)的5200BTU/h窗式空調(diào)器。

能效比；壓縮機(jī)；空調(diào)器

0 前言

節(jié)能、環(huán)保是當(dāng)今空調(diào)發(fā)展的主題。隨著人們生活水平的不斷提高，房間空調(diào)器越來(lái)越得到普及，加之全球氣候變暖，空調(diào)器的使用時(shí)間較過去有明顯增加，空調(diào)器已成為能源消耗大戶。因此一些國(guó)家政府，如美國(guó)、歐盟、日本等國(guó)，對(duì)空調(diào)產(chǎn)品制定了較高的節(jié)能指標(biāo)來(lái)緩解夏季電力高峰與電源容量不足的問題，提高整個(gè)社會(huì)節(jié)能效果，同時(shí)，也引導(dǎo)各空調(diào)生產(chǎn)廠家研制節(jié)能型環(huán)保產(chǎn)品來(lái)滿足市場(chǎng)需求。

為使空調(diào)器達(dá)到節(jié)能要求，日本人在90年代中期發(fā)明了變頻空調(diào)，并提出了用季節(jié)能效比作為考核指標(biāo)。其設(shè)計(jì)思想是：通過改變空調(diào)器的頻率來(lái)調(diào)整空調(diào)器的制冷能力，而不是象一般空調(diào)那樣，采用壓縮機(jī)開停來(lái)調(diào)節(jié)冷量，因?yàn)閴嚎s機(jī)頻繁開停消耗的能量要大于空調(diào)器在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所消耗的能量，實(shí)際上，這一比較跟壓縮開停頻次有關(guān)，也就是說(shuō)，與房間內(nèi)的熱負(fù)荷有關(guān)。在房間熱負(fù)荷變化很大時(shí)，變頻空調(diào)器的優(yōu)勢(shì)才較為明顯。

為了說(shuō)明問題，日本人對(duì)日本不同地區(qū)，一年四季空調(diào)使用的頻次、氣候變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并在此基礎(chǔ)上提出了季節(jié)能效比的概念。他們認(rèn)為：衡量一臺(tái)空調(diào)器是否節(jié)能應(yīng)看其在一年時(shí)間中平均消耗的能量，而不是其在某一標(biāo)準(zhǔn)工況下消耗的電力。

這一說(shuō)法得到部分專家的肯定。但同樣存在的問題是：不同的國(guó)家、不同的地區(qū)甚至不同的人使用空調(diào)的頻次是不一樣的。因此，用戶在實(shí)際使用中的能效比仍無(wú)法確定，這一指標(biāo)并沒有絕對(duì)意義，與標(biāo)準(zhǔn)工況條件下的能效比一樣，也僅僅是具有相對(duì)意義。除此以外，變頻空調(diào)還有一個(gè)弱點(diǎn)，就是其較高的成本抵消了其節(jié)能帶來(lái)的電費(fèi)支出。

因此，到目前為止，大部分國(guó)家仍采用標(biāo)準(zhǔn)工況下的能效比作為考核指標(biāo)，包括中國(guó)、美國(guó)、歐盟等空調(diào)消費(fèi)大國(guó)。

本文所提到的能效比測(cè)試仍采用了傳統(tǒng)意義上的能效比測(cè)試方法。由于該空調(diào)器是針對(duì)美國(guó)市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，其測(cè)試方法與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法一致，故我們?cè)O(shè)計(jì)的高能效比概念與美國(guó)市場(chǎng)上的高能效比是一致的。

1 高能效比窗式空調(diào)器設(shè)計(jì)的基本思路

能效比（）=制冷量（）/制冷功率消耗（）

因此，要提高能效比，就必須提高空調(diào)的制冷量、降低空調(diào)器的消耗功率。

空調(diào)器在工作時(shí)，有兩個(gè)重要參數(shù)會(huì)影響空調(diào)的制冷量和消耗功率：蒸發(fā)溫度、冷凝溫度。圖1是壓縮機(jī)工作時(shí)，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)制冷量和消耗功率的影響曲線。

圖1 壓縮機(jī)性能曲線圖

從壓縮機(jī)性能曲線圖可以看出，蒸發(fā)溫度增大、冷凝溫度降低會(huì)使壓縮機(jī)制冷量增加，消耗功率減少，也就是說(shuō)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的能效比增大。

而對(duì)于換熱器來(lái)說(shuō)，正好出現(xiàn)相反的結(jié)果，即換熱器蒸發(fā)溫度增大、冷凝溫度降低會(huì)使換熱能力下降，制冷量減少。

空調(diào)器整機(jī)的制冷量，就是壓縮機(jī)和換熱器相互作用的結(jié)果，其工作時(shí)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度就在壓縮機(jī)制冷曲線和和換熱器制冷曲線的交點(diǎn)處，如圖2。

圖2 空調(diào)器制冷量（冷凝溫度50℃）

根據(jù)上述分析，要提高空調(diào)器的能效比可通過下列途徑：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)，選擇較高的蒸發(fā)溫度和較低的冷凝溫度作為其工作點(diǎn)。

（2）選用高能效比壓縮機(jī)。

（3）提高換熱器的換熱能力

增大換熱器迎風(fēng)面積；

提高換熱器的迎面風(fēng)速；

選擇合理的制冷劑分路數(shù)，使制冷劑在換熱器內(nèi)具有最佳流速，提高換熱效率；

選擇合理的管路走向，使制冷劑在管道內(nèi)的蒸發(fā)均勻，充分利用換熱器的面積；

采用新型內(nèi)肋銅管、親水橋片鋁箔；增加流體的擾動(dòng)，提高換熱系數(shù)；

（4）通過室外風(fēng)扇甩水，對(duì)冷凝器進(jìn)行冷卻，充分利用冷凝水，提高換熱器利用率。

2 5200BTU/h高能效比窗式空調(diào)器設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該機(jī)型主要是為滿足美國(guó)市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的高能效比窗機(jī)，根據(jù)美國(guó)的能源標(biāo)準(zhǔn)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

電源：115V/60Hz

制冷量：5200BTU/h（1524W）

能效比：≥9.8BTU/h·W（≥2.88W/W）

噪聲：室內(nèi)噪聲≤53dB(A)，室外噪聲≤58dB(A)

電器安全：符合美國(guó)UL標(biāo)準(zhǔn)

2.2 主要零部件設(shè)計(jì)

（1）壓縮機(jī)

通過對(duì)國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)廠的調(diào)研，為了開發(fā)美國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)主要壓縮機(jī)廠家都開發(fā)了適應(yīng)美國(guó)市場(chǎng)的115V/60Hz高能效比壓縮機(jī)，在本項(xiàng)目中，我們選用了上海某壓縮廠生產(chǎn)的壓縮機(jī)SD074UW- H3BG，其主要參數(shù)，制冷量：1530W；輸入功率：470W；能效比：3.25W/W。

（2）蒸發(fā)器

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，取蒸發(fā)溫度為7.2℃，冷凝溫度50℃。迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)為1.1m/s。采用兩排φ7內(nèi)肋銅管，t0.095親水鋁箔，片距1.5mm。所需換熱器尺寸如下：308mm（長(zhǎng)）×210mm（高）×25.4mm（厚）。

（3）冷凝器

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，取蒸發(fā)溫度為7.2℃，冷凝溫度50℃。迎面風(fēng)速設(shè)計(jì)為1.5m/s。采用兩排φ7內(nèi)肋銅管，t0.095鋁箔，片距1.5mm。所需換熱器尺寸如下：400mm（長(zhǎng)）×294mm（高）×25.4mm（厚）。

（4）離心風(fēng)扇

根據(jù)換熱器迎面風(fēng)速，室內(nèi)風(fēng)量設(shè)計(jì)為250m3/h。根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸要求，離心風(fēng)扇直徑設(shè)計(jì)為φ180，寬度設(shè)計(jì)為70mm，葉片數(shù)60片。葉片形狀按流體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)。

（5）軸流風(fēng)扇

根據(jù)換熱器迎面風(fēng)速，室內(nèi)風(fēng)量設(shè)計(jì)為600m3/h。根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸要求，離心風(fēng)扇直徑設(shè)計(jì)為φ270，寬度設(shè)計(jì)為70mm，葉片數(shù)6片。葉片形狀按流體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)。

（6）風(fēng)扇電機(jī)

采用單相異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速按照風(fēng)扇所需旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)，考慮到噪聲要求，將該機(jī)型設(shè)計(jì)成高、中、低三速風(fēng)供用戶選擇，速差為100轉(zhuǎn)/分，即高速1050轉(zhuǎn)/分，中速950轉(zhuǎn)/分，低速850轉(zhuǎn)/分。

（7）室內(nèi)風(fēng)道

采用聚苯乙烯泡沫塑料。考慮到模具生產(chǎn)時(shí)脫模需要，將其分成上、中、下蝸殼，風(fēng)道型線為流線型。

（8）室外風(fēng)道

采用改性PP塑料，該材料具有耐溫、抗老化特點(diǎn)。進(jìn)出風(fēng)口均采用圓弧過度。

3 高能效比窗式空調(diào)器試驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，我們進(jìn)行了樣機(jī)試制，試制結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)測(cè)試參數(shù)

從表1可以看出，制冷量已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但能效比還偏低，主要是消耗功率偏大。經(jīng)分析，主要是風(fēng)扇電機(jī)功率偏大，電機(jī)效率偏低，僅38%。對(duì)電機(jī)進(jìn)行提高效率設(shè)計(jì)，使其效率提高到49%，重新裝機(jī)測(cè)試，達(dá)到要求。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電機(jī)改進(jìn)后樣機(jī)測(cè)試參數(shù)

對(duì)試驗(yàn)機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其他各種性能進(jìn)行考核，均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 總結(jié)

進(jìn)行高能效比窗式空調(diào)器設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要充分利用壓縮機(jī)工作特性，使其工作在較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度點(diǎn)上。要達(dá)到此目的，可適當(dāng)加大冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱面積和迎面風(fēng)速，提高換熱器的換熱能力。同時(shí)還要注意提高風(fēng)扇電機(jī)的工作效率。

將上述設(shè)計(jì)思想應(yīng)用在5200BTU/h窗機(jī)的設(shè)計(jì)上，取得了成功。同樣，這一指導(dǎo)思想也可以應(yīng)用到其它高能效比窗式空調(diào)器或掛壁式空調(diào)器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)上。

[1] 陳則韶，江斌等.影響熱泵COP的因素與節(jié)能途徑分析[J].流體機(jī)械,2007,35(1):64-68.

[2] 彥啟森.空氣調(diào)節(jié)制冷技術(shù)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[3] 蔣能照.空調(diào)用熱泵技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

Design of a Window Air Conditioner with High Energy Efficiency Ratio

Liu Yunqing Cui Yong Wang Yan

( Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College, Taizhou, 225300 )

With the popularity of air conditioners, air conditioners have become major users of electricity. In order to alleviate the contradiction between the shortage of electricity for air conditioners, many countries have high requirements for energy-saving indicators of air conditioners. This paper puts forward a basic idea for the design of window air conditioner with high energy efficiency ratio, and under the guidance of this idea, develops 5200BTU/h window air conditioner which meets the American energy standard.

Energy efficiency ratio; Compressor; Air conditioner

TB657.2

A

1671-6612（2020）04-504-03

劉蘊(yùn)青（1969-），男，副教授，高級(jí)工程師，E-mail：lyqlzy1969@sina.com

2019-09-02