清華大學(xué)  崔夢迪  王寶龍  丁連銳  石文星  李先庭

       【摘   要】變頻空調(diào)器具有隨負(fù)荷變化調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率的節(jié)能優(yōu)勢，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下能量利用情況的分析研究亟需開展。本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)變頻空調(diào)器在不同運(yùn)行狀態(tài)下的性能進(jìn)行了?分析，以明確季節(jié)性能提升方向。在此基礎(chǔ)上，對(duì)蒸發(fā)器的內(nèi)外側(cè)熱阻進(jìn)行了分離，以明確換熱強(qiáng)化目標(biāo)。結(jié)果表明：低頻運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器是變頻空調(diào)器主要的不可逆損失部件，并且制冷劑側(cè)熱阻大于空氣側(cè)熱阻，蒸發(fā)器制冷劑側(cè)的傳熱強(qiáng)化是變頻空調(diào)器制冷效率提升的關(guān)鍵。

       【關(guān)鍵詞】變頻空調(diào)器  低頻運(yùn)行  ?分析  不可逆損失  蒸發(fā)器  熱阻

Abstract:The operating frequency can change with variable heating and cooling load, which gives invert air conditioners energy saving advantage compared to traditional air conditioners. In order to ascertain the energy utilization of inverter air conditioners, exergy analysis based on the experimental data has been conducted in this study for evaluating the performance of inverter air conditioners in different operating states. The analysis will contribute to clarify the improvement direction of the seasonal performance in invert air conditioners. The results indicate that most exergy loss in low-frequency operating states occurs in the evaporator and the thermal resistance of the refrigerant side in the evaporator is larger than that of the air side. Heat transfer enhancement on the refrigerant side of evaporators is the key to improve the refrigeration efficiency of inverter air conditioners.
Keywords:inverter air conditioner, operation at low frequency, exergy analysis, irreversible loss, evaporator, thermal resistance

0 引言

       隨著生活水平日益提升，居民對(duì)室內(nèi)環(huán)境控制需求的快速增長。目前我國已成為房間空調(diào)器生產(chǎn)和消費(fèi)大國。在節(jié)能減排大背景下，空調(diào)器變頻技術(shù)快速發(fā)展，其可隨室內(nèi)外環(huán)境變化調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率，具有較大的節(jié)能優(yōu)勢。如何進(jìn)一步提高變頻空調(diào)器的能效已成為制冷空調(diào)領(lǐng)域的重要研究課題。

       依據(jù)熱力學(xué)第二定律，對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行不可逆損失分析是探明系統(tǒng)能量利用薄弱環(huán)節(jié)的有效方法，以此法對(duì)房間空調(diào)器進(jìn)行的分析研究表明，壓縮機(jī)和換熱器是額定工況下不可逆損失的最主要部件^[1]。同時(shí)，空調(diào)器多采用翅片管換熱器，其管外側(cè)（空氣側(cè)）熱阻是換熱器熱阻的主要部分^[2]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，辦公室變頻空調(diào)器全年約有90%時(shí)間內(nèi)處在50%負(fù)荷率以下^[3]，這是考慮到間歇運(yùn)行模式下啟動(dòng)后快速降溫的需求，使得空調(diào)器的選型容量遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的制冷量需求所造成。在實(shí)際低頻運(yùn)行中，空調(diào)器內(nèi)制冷劑流量下降，影響換熱器傳熱效率，使得系統(tǒng)能效比并不隨制冷量下降而持續(xù)上升。這表明，變頻空調(diào)器的不可逆損失情況及換熱器熱阻分布將隨運(yùn)行頻率的改變而有所不同，前述針對(duì)其額定工況下的分析研究并不能反映實(shí)際運(yùn)行狀況。為分析變頻空調(diào)器季節(jié)能效提升潛力，亟需研究其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的能量利用情況。

       本文采用制冷系統(tǒng)?分析及蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)熱阻分離的方法，對(duì)變頻空調(diào)器不同運(yùn)行頻率下的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出變頻空調(diào)器不同運(yùn)行頻率下各部件?損失以及低頻運(yùn)行下蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)熱阻分布，以指明變頻空調(diào)器能量利用的薄弱環(huán)節(jié)。

1 制冷系統(tǒng)?分析方法

       1.1 ?分析方法

       ?是以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，衡量能量的“質(zhì)”的重要物理量，廣泛應(yīng)用于制冷、熱泵、動(dòng)力、冶金、化工等涉及熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的分析，其主要目的在于直觀表述出系統(tǒng)整體及各部件的能量利用情況以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的能效提升潛力，并指出其能量利用的的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而為提高系統(tǒng)能效指明方向。

       ?分析的具體方法為：由式（1）?平衡關(guān)系分析系統(tǒng)整體及各部件的能量利用，并得出各部件?損失和式（2）系統(tǒng)?效率。

       入口?+外界輸入?=出口?+對(duì)外輸出?+?損失         （1）

       ?效率=對(duì)外輸出?/外界輸入?=1-?損失/外界輸入?   （2）

       1.2  制冷系統(tǒng)?分析

       1.2.1 系統(tǒng)整體?分析

圖1 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)lgp-h圖

       變頻空調(diào)器多應(yīng)用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器及連接管路組成，其熱力循環(huán)過程如圖1所示。其中，1-2為壓縮機(jī)進(jìn)行的壓縮過程，為整個(gè)系統(tǒng)提供外界輸入?，同時(shí)因非等熵壓縮、散熱及電機(jī)損耗等產(chǎn)生一定的?損失；2-3為冷凝器內(nèi)的冷凝過程，由于有限溫差傳熱產(chǎn)生?損失；3-4為節(jié)流裝置處的節(jié)流過程，因節(jié)流的不可逆性產(chǎn)生?損失；4-1’為蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)過程，為空調(diào)房間提供冷量?（對(duì)外輸出?），同時(shí)因有限溫差傳熱產(chǎn)生?損失；連接管路等部件由于阻力損失、漏熱損失產(chǎn)生?損失。

       對(duì)變頻空調(diào)器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行?分析時(shí)，做出如下假設(shè)：

        （1）制冷劑處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，且忽略動(dòng)、位能變化的影響；

        （2）不考慮除壓縮機(jī)外的其他耗電部件對(duì)系統(tǒng)?效率的影響；

        （3）取環(huán)境態(tài)為?分析的參考狀態(tài)。

       對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，有如下?平衡關(guān)系：

       P/Mr=ex_q0+π₁₂+π₂₃+π₃₄+π_41´+π_oth  （3）

       1.2.2  各環(huán)節(jié)?分析

       采用式（1）?平衡關(guān)系對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，為簡潔描述，以壓縮機(jī)為例詳述分析過程，其余各環(huán)節(jié)分析結(jié)果匯總于表1。

表1 制冷系統(tǒng)?分析計(jì)算公式

       壓縮機(jī)內(nèi)，外界輸入?為電功率P，此部分?為制冷劑壓縮過程輸入功，同時(shí)經(jīng)電機(jī)、壓縮機(jī)產(chǎn)生一定的損耗，其?平衡方程為

     

2 蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)熱阻分離方法

       2.1 翅片管換熱器熱阻構(gòu)成

       變頻空調(diào)器的蒸發(fā)器多用翅片管換熱器，其常見形式為：制冷劑在管內(nèi)側(cè)流動(dòng)，空氣在管外側(cè)與管壁及延伸出的翅片換熱。故翅片管換熱器的熱阻主要由管內(nèi)側(cè)熱阻、管壁熱阻、污垢熱阻、接觸熱阻和管外側(cè)熱阻構(gòu)成。具體表達(dá)如下

     

       2.2 熱阻分離方法

       2.2.1 熱阻分離的基本思路與假設(shè)

       為得到蒸發(fā)器熱阻的分布情況，需對(duì)各部分熱阻分別分析。考慮到實(shí)際運(yùn)行過程中，蒸發(fā)器管內(nèi)側(cè)制冷劑處于兩相流態(tài)，其流型沿程變化，且在運(yùn)行頻率改變時(shí)，制冷劑流量變化會(huì)影響各支路制冷劑分配與管內(nèi)側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，故通過測試的方法獲得管內(nèi)側(cè)熱阻是困難的。相對(duì)而言，空氣側(cè)熱阻的獲得較為簡單，且在實(shí)際運(yùn)行中，若風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，則空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)基本不變。同時(shí)，若已知制冷量及制冷劑狀態(tài)，總熱阻也可獲得。因此，通過總熱阻、空氣側(cè)熱阻、管壁熱阻及接觸熱阻以及式（6）的關(guān)系可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器的熱阻分離。

       對(duì)變頻空調(diào)器的蒸發(fā)器進(jìn)行熱阻分離時(shí)，做出以下假設(shè)：

        變頻空調(diào)器用蒸發(fā)器多采用脹管工藝，忽略管壁與翅片間的接觸熱阻；

        相對(duì)于管內(nèi)側(cè)熱阻與管外側(cè)熱阻，管壁熱阻較小，忽略管壁熱阻在總熱阻中的比重；

        測試采用新的變頻空調(diào)器，忽略蒸發(fā)器的污垢熱阻；

        測試中保持蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，認(rèn)為變頻運(yùn)行下管外側(cè)熱阻基本不變。

       2.2.2  總熱阻計(jì)算

       由實(shí)測的制冷量、蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑狀態(tài)參數(shù)及空氣狀態(tài)參數(shù)，采用2排管管翅式換熱器法計(jì)算蒸發(fā)器的總熱阻[4]，如式（7）~（8）所示。

     

       2.2.3  空氣側(cè)熱阻計(jì)算

       目前空調(diào)器用蒸發(fā)器多采用開縫式翅片管換熱器，以強(qiáng)化空氣側(cè)換熱效果。Du and Wang提出了精度較高的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[5]，如式（9）~（10）所示。

       

       為得出空氣側(cè)熱阻，還需計(jì)算翅片管換熱器的翅片效率。通常，在平片基礎(chǔ)上開縫將使翅片效率有所減小，即開縫片的翅片效率小于等面積平片的翅片效率。陶文銓等[6]研究表明，當(dāng)在0.5~0.75范圍內(nèi)時(shí)，開縫式翅片的翅片效率比等面積平片低5%~15%。為得出實(shí)際的翅片效率，需先計(jì)算等面積平片的翅片效率。

       采用Wang et al.提出的連續(xù)平片風(fēng)冷換熱器實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[7]計(jì)算空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)

       

       進(jìn)一步地，求出等面積平片的翅片效率

       

       在等面積平片翅片效率的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，得出開縫式翅片的翅片效率及表面效率

       η_f=η_fe·(1-c)           （14）

       η_o=1-(A_f/A_o)(1-η_f)     （15）

       由式（10）及式（15）得出空氣側(cè)熱阻

       R_air=1/(η_oU_oA_o)      （16）

       2.2.4 制冷劑側(cè)熱阻計(jì)算

       由總熱阻式（8）及空氣側(cè)熱阻式（16）得出管內(nèi)側(cè)熱阻，完成熱阻分離

       R_ref=R_tot-R_air       （17）

3 變頻空調(diào)器測試

       3.1 測試方法

       變頻空調(diào)器實(shí)際運(yùn)行測試在空氣焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，被測空調(diào)器為一臺(tái)型號(hào)為KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)熱泵型變速房間空調(diào)器，其蒸發(fā)器為開縫型翅片管式換熱器，管路結(jié)構(gòu)及翅片結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。采用“功率傳感器+溫度傳感器+壓力傳感器”（WTP）方案進(jìn)行測試，即通過測試壓縮機(jī)功率、各測點(diǎn)制冷劑溫度及壓力、系統(tǒng)循環(huán)制冷劑流量、室內(nèi)外空氣干濕球溫度、蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)量等參數(shù)，得出其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。具體測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖2 管路結(jié)構(gòu)                                     圖3 翅片結(jié)構(gòu)

圖4 測試點(diǎn)布置

       3.2  測試數(shù)據(jù)

       按照3.1所述測試方案進(jìn)行測試，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差修正及熱力學(xué)第一定律分析計(jì)算后，得出變頻空調(diào)器不同頻率下的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)果與討論

       4.1 ?分析結(jié)果

       依據(jù)3.2中KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)熱泵型變速房間空調(diào)器實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果，采用1.2中所述方法對(duì)其進(jìn)行?分析計(jì)算，結(jié)果如圖5及圖6所示。由此可知，在室外干/濕球溫度30/23℃的定工況條件下，系統(tǒng)?損失及各部件?損失隨壓縮機(jī)運(yùn)行頻率而改變。

圖5 不同運(yùn)行頻率下各部件?損失分布                圖6 不同運(yùn)行頻率下各部件?損失占比

       就數(shù)量層面而言，系統(tǒng)總輸入?以及壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器與節(jié)流裝置的?損失隨運(yùn)行頻率降低而減小。這是因?yàn)橹评淞侩S運(yùn)行頻率降低而減小，系統(tǒng)所需輸入?（壓縮機(jī)輸入功）減小，同時(shí)，系統(tǒng)工作壓比減小，使壓縮機(jī)與節(jié)流裝置的不可逆損失減小，蒸發(fā)器與冷凝器的換熱量及傳熱溫差減小，使換熱器的傳熱不可逆損失減小。

       就相對(duì)值層面而言，隨運(yùn)行頻率降低，蒸發(fā)器?損失占比逐漸增加，與頻率較高時(shí)壓縮機(jī)與冷凝器?損失占比較大的情況不同，在低頻或極低頻運(yùn)行條件下，蒸發(fā)器?損失成為系統(tǒng)?損失的主要部分。這是因?yàn)榈皖l運(yùn)行條件下，制冷劑循環(huán)流量減小影響蒸發(fā)器制冷劑分配和傳熱效率，使得運(yùn)行頻率降低帶給蒸發(fā)器不可逆損失減小的改善程度減弱，從而使蒸發(fā)器不可逆損失在系統(tǒng)中逐漸凸顯。此影響同樣發(fā)生在冷凝器中，但分析計(jì)算表明，隨運(yùn)行頻率降低，冷凝器不可逆損失減小的程度大于蒸發(fā)器，這是由于冷凝器空氣側(cè)流量較大，氣態(tài)制冷劑分配較為均勻，因此管內(nèi)側(cè)制冷劑流量減小對(duì)傳熱效果惡化的影響程度低于蒸發(fā)器。

       4.2 熱阻分離結(jié)果

       依據(jù)3.2中KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)熱泵型變速房間空調(diào)器實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果，采用2.2中所述方法對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行熱阻分離，計(jì)算結(jié)果如圖7及圖8所示。結(jié)果表明，在20Hz以下的低頻運(yùn)行條件下，蒸發(fā)器熱阻分布狀況隨運(yùn)行頻率或運(yùn)行工況變化而有所不同，但熱阻主要分布在制冷劑側(cè)。其中，空氣側(cè)熱阻保持2.295K?kW^-1不變，而制冷劑側(cè)熱阻在2.581~4.503K?kW^-1范圍內(nèi)變化，且熱阻占比在52.9%~66.2%范圍內(nèi)變化，在熱阻分布中占主要部分。

圖7 低頻運(yùn)行下蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)熱阻分布             圖8 低頻運(yùn)行下蒸發(fā)器內(nèi)外側(cè)熱阻占比

       空氣側(cè)熱阻保持不變是由于在實(shí)測中控制蒸發(fā)器外側(cè)空氣平均流速保持315m3?h^-1左右，空氣側(cè)雷諾數(shù)基本不變，進(jìn)而使空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)及熱阻維持恒定。而在低頻運(yùn)行下熱阻主要分布在制冷劑側(cè)，這似乎與“板翅式換熱器的熱阻主要部分在空氣側(cè)”的“常識(shí)”并不相符。因此需關(guān)注低負(fù)荷率低轉(zhuǎn)速下空調(diào)器的蒸發(fā)器熱阻分布，進(jìn)而為傳熱強(qiáng)化提供依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）在一定工況下，變頻空調(diào)器的不可逆損失隨運(yùn)行頻率改變而發(fā)生變化，隨運(yùn)行頻率降低，蒸發(fā)器不可逆損失占比逐漸增加，在低頻或極低頻運(yùn)行條件下成為系統(tǒng)不可逆損失的主要部分。

（2）變頻空調(diào)器的蒸發(fā)器熱阻分布隨運(yùn)行頻率及運(yùn)行工況改變而發(fā)生變化，隨運(yùn)行頻率降低或室內(nèi)外溫差減小，蒸發(fā)器管內(nèi)熱阻占比逐漸增加，在低頻或極低頻運(yùn)行條件下超過管外側(cè)熱阻占比，成為蒸發(fā)器熱阻的主要部分。

符號(hào)說明

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。