变频空调器制冷效率提升潜力分析

清华大学  崔梦迪  王宝龙  丁连锐  石文星  李先庭

       【摘   要】变频空调器具有随负荷变化调节运行频率的节能优势，对其实际运行状态下能量利用情况的分析研究亟需开展。本文基于实验数据对变频空调器在不同运行状态下的性能进行了㶲分析，以明确季节性能提升方向。在此基础上，对蒸发器的内外侧热阻进行了分离，以明确换热强化目标。结果表明：低频运行时，蒸发器是变频空调器主要的不可逆损失部件，并且制冷剂侧热阻大于空气侧热阻，蒸发器制冷剂侧的传热强化是变频空调器制冷效率提升的关键。

       【关键词】变频空调器  低频运行  㶲分析  不可逆损失  蒸发器  热阻

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

       随着生活水平日益提升，居民对室内环境控制需求的快速增长。目前我国已成为房间空调器生产和消费大国。在节能减排大背景下，空调器变频技术快速发展，其可随室内外环境变化调节运行频率，具有较大的节能优势。如何进一步提高变频空调器的能效已成为制冷空调领域的重要研究课题。

       依据热力学第二定律，对制冷系统进行不可逆损失分析是探明系统能量利用薄弱环节的有效方法，以此法对房间空调器进行的分析研究表明，压缩机和换热器是额定工况下不可逆损失的最主要部件^[1]。同时，空调器多采用翅片管换热器，其管外侧（空气侧）热阻是换热器热阻的主要部分^[2]。统计数据表明，办公室变频空调器全年约有90%时间内处在50%负荷率以下^[3]，这是考虑到间歇运行模式下启动后快速降温的需求，使得空调器的选型容量远大于稳态运行时的制冷量需求所造成。在实际低频运行中，空调器内制冷剂流量下降，影响换热器传热效率，使得系统能效比并不随制冷量下降而持续上升。这表明，变频空调器的不可逆损失情况及换热器热阻分布将随运行频率的改变而有所不同，前述针对其额定工况下的分析研究并不能反映实际运行状况。为分析变频空调器季节能效提升潜力，亟需研究其实际运行状态下的能量利用情况。

       本文采用制冷系统㶲分析及蒸发器内外侧热阻分离的方法，对变频空调器不同运行频率下的实测数据进行分析，得出变频空调器不同运行频率下各部件㶲损失以及低频运行下蒸发器内外侧热阻分布，以指明变频空调器能量利用的薄弱环节。

1 制冷系统㶲分析方法

       1.1 㶲分析方法

       㶲是以热力学第二定律为依据，衡量能量的“质”的重要物理量，广泛应用于制冷、热泵、动力、冶金、化工等涉及热功转换系统的分析，其主要目的在于直观表述出系统整体及各部件的能量利用情况以评价系统的能效提升潜力，并指出其能量利用的的薄弱环节，进而为提高系统能效指明方向。

       㶲分析的具体方法为：由式（1）㶲平衡关系分析系统整体及各部件的能量利用，并得出各部件㶲损失和式（2）系统㶲效率。

       入口㶲+外界输入㶲=出口㶲+对外输出㶲+㶲损失         （1）

       㶲效率=对外输出㶲/外界输入㶲=1-㶲损失/外界输入㶲   （2）

       1.2  制冷系统㶲分析

       1.2.1 系统整体㶲分析

图1 蒸汽压缩式制冷循环lgp-h图

       变频空调器多应用蒸气压缩式制冷循环，主要由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器及连接管路组成，其热力循环过程如图1所示。其中，1-2为压缩机进行的压缩过程，为整个系统提供外界输入㶲，同时因非等熵压缩、散热及电机损耗等产生一定的㶲损失；2-3为冷凝器内的冷凝过程，由于有限温差传热产生㶲损失；3-4为节流装置处的节流过程，因节流的不可逆性产生㶲损失；4-1’为蒸发器内的蒸发过程，为空调房间提供冷量㶲（对外输出㶲），同时因有限温差传热产生㶲损失；连接管路等部件由于阻力损失、漏热损失产生㶲损失。

       对变频空调器的实际运行状态进行㶲分析时，做出如下假设：

        （1）制冷剂处于稳定流动状态，且忽略动、位能变化的影响；

        （2）不考虑除压缩机外的其他耗电部件对系统㶲效率的影响；

        （3）取环境态为㶲分析的参考状态。

       对于整个系统，有如下㶲平衡关系：

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

       1.2.2  各环节㶲分析

       采用式（1）㶲平衡关系对系统各环节进行分析，为简洁描述，以压缩机为例详述分析过程，其余各环节分析结果汇总于表1。

表1 制冷系统㶲分析计算公式

       压缩机内，外界输入㶲为电功率P，此部分㶲为制冷剂压缩过程输入功，同时经电机、压缩机产生一定的损耗，其㶲平衡方程为

     

2 蒸发器内外侧热阻分离方法

       2.1 翅片管换热器热阻构成

       变频空调器的蒸发器多用翅片管换热器，其常见形式为：制冷剂在管内侧流动，空气在管外侧与管壁及延伸出的翅片换热。故翅片管换热器的热阻主要由管内侧热阻、管壁热阻、污垢热阻、接触热阻和管外侧热阻构成。具体表达如下

     

       2.2 热阻分离方法

       2.2.1 热阻分离的基本思路与假设

       为得到蒸发器热阻的分布情况，需对各部分热阻分别分析。考虑到实际运行过程中，蒸发器管内侧制冷剂处于两相流态，其流型沿程变化，且在运行频率改变时，制冷剂流量变化会影响各支路制冷剂分配与管内侧对流换热系数，故通过测试的方法获得管内侧热阻是困难的。相对而言，空气侧热阻的获得较为简单，且在实际运行中，若风机转速不变，则空气侧对流换热系数基本不变。同时，若已知制冷量及制冷剂状态，总热阻也可获得。因此，通过总热阻、空气侧热阻、管壁热阻及接触热阻以及式（6）的关系可实现蒸发器的热阻分离。

       对变频空调器的蒸发器进行热阻分离时，做出以下假设：

        变频空调器用蒸发器多采用胀管工艺，忽略管壁与翅片间的接触热阻；

        相对于管内侧热阻与管外侧热阻，管壁热阻较小，忽略管壁热阻在总热阻中的比重；

        测试采用新的变频空调器，忽略蒸发器的污垢热阻；

        测试中保持蒸发器侧风机转速不变，认为变频运行下管外侧热阻基本不变。

       2.2.2  总热阻计算

       由实测的制冷量、蒸发器进出口制冷剂状态参数及空气状态参数，采用2排管管翅式换热器法计算蒸发器的总热阻[4]，如式（7）~（8）所示。

     

       2.2.3  空气侧热阻计算

       目前空调器用蒸发器多采用开缝式翅片管换热器，以强化空气侧换热效果。Du and Wang提出了精度较高的实验关联式[5]，如式（9）~（10）所示。

       

       为得出空气侧热阻，还需计算翅片管换热器的翅片效率。通常，在平片基础上开缝将使翅片效率有所减小，即开缝片的翅片效率小于等面积平片的翅片效率。陶文铨等[6]研究表明，当在0.5~0.75范围内时，开缝式翅片的翅片效率比等面积平片低5%~15%。为得出实际的翅片效率，需先计算等面积平片的翅片效率。

       采用Wang et al.提出的连续平片风冷换热器实验关联式[7]计算空气侧对流换热系数

       

       进一步地，求出等面积平片的翅片效率

       

       在等面积平片翅片效率的基础上进行修正，得出开缝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）得出空气侧热阻

       R_air=1/(η_oU_oA_o)      （16）

       2.2.4 制冷剂侧热阻计算

       由总热阻式（8）及空气侧热阻式（16）得出管内侧热阻，完成热阻分离

       R_ref=R_tot-R_air       （17）

3 变频空调器测试

       3.1 测试方法

       变频空调器实际运行测试在空气焓差实验室进行，被测空调器为一台型号为KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)热泵型变速房间空调器，其蒸发器为开缝型翅片管式换热器，管路结构及翅片结构如图2、图3所示。采用“功率传感器+温度传感器+压力传感器”（WTP）方案进行测试，即通过测试压缩机功率、各测点制冷剂温度及压力、系统循环制冷剂流量、室内外空气干湿球温度、蒸发器侧风量等参数，得出其实际运行状态。具体测点布置如图4所示。

图2 管路结构                                     图3 翅片结构

图4 测试点布置

       3.2  测试数据

       按照3.1所述测试方案进行测试，对测试数据进行误差修正及热力学第一定律分析计算后，得出变频空调器不同频率下的运行状态。

4 结果与讨论

       4.1 㶲分析结果

       依据3.2中KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)热泵型变速房间空调器实测数据结果，采用1.2中所述方法对其进行㶲分析计算，结果如图5及图6所示。由此可知，在室外干/湿球温度30/23℃的定工况条件下，系统㶲损失及各部件㶲损失随压缩机运行频率而改变。

图5 不同运行频率下各部件㶲损失分布                图6 不同运行频率下各部件㶲损失占比

       就数量层面而言，系统总输入㶲以及压缩机、冷凝器、蒸发器与节流装置的㶲损失随运行频率降低而减小。这是因为制冷量随运行频率降低而减小，系统所需输入㶲（压缩机输入功）减小，同时，系统工作压比减小，使压缩机与节流装置的不可逆损失减小，蒸发器与冷凝器的换热量及传热温差减小，使换热器的传热不可逆损失减小。

       就相对值层面而言，随运行频率降低，蒸发器㶲损失占比逐渐增加，与频率较高时压缩机与冷凝器㶲损失占比较大的情况不同，在低频或极低频运行条件下，蒸发器㶲损失成为系统㶲损失的主要部分。这是因为低频运行条件下，制冷剂循环流量减小影响蒸发器制冷剂分配和传热效率，使得运行频率降低带给蒸发器不可逆损失减小的改善程度减弱，从而使蒸发器不可逆损失在系统中逐渐凸显。此影响同样发生在冷凝器中，但分析计算表明，随运行频率降低，冷凝器不可逆损失减小的程度大于蒸发器，这是由于冷凝器空气侧流量较大，气态制冷剂分配较为均匀，因此管内侧制冷剂流量减小对传热效果恶化的影响程度低于蒸发器。

       4.2 热阻分离结果

       依据3.2中KFR-26G/BP3DN1Y-TA100(81)热泵型变速房间空调器实测数据结果，采用2.2中所述方法对蒸发器进行热阻分离，计算结果如图7及图8所示。结果表明，在20Hz以下的低频运行条件下，蒸发器热阻分布状况随运行频率或运行工况变化而有所不同，但热阻主要分布在制冷剂侧。其中，空气侧热阻保持2.295K‧kW^-1不变，而制冷剂侧热阻在2.581~4.503K‧kW^-1范围内变化，且热阻占比在52.9%~66.2%范围内变化，在热阻分布中占主要部分。

图7 低频运行下蒸发器内外侧热阻分布             图8 低频运行下蒸发器内外侧热阻占比

       空气侧热阻保持不变是由于在实测中控制蒸发器外侧空气平均流速保持315m3‧h^-1左右，空气侧雷诺数基本不变，进而使空气侧对流换热系数及热阻维持恒定。而在低频运行下热阻主要分布在制冷剂侧，这似乎与“板翅式换热器的热阻主要部分在空气侧”的“常识”并不相符。因此需关注低负荷率低转速下空调器的蒸发器热阻分布，进而为传热强化提供依据。

5 结论

（1）在一定工况下，变频空调器的不可逆损失随运行频率改变而发生变化，随运行频率降低，蒸发器不可逆损失占比逐渐增加，在低频或极低频运行条件下成为系统不可逆损失的主要部分。

（2）变频空调器的蒸发器热阻分布随运行频率及运行工况改变而发生变化，随运行频率降低或室内外温差减小，蒸发器管内热阻占比逐渐增加，在低频或极低频运行条件下超过管外侧热阻占比，成为蒸发器热阻的主要部分。

符号说明

参考文献

       [1]郭进军, 何雅玲, 陶文铨. 空气源制冷/热泵系统的㶲分析[J]. 暖通空调, 2002, 2(5): 17-22.
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       [3]Y. Murakami, H. Kitaura, K. Matsukawa, et al. High Efficiency Inverter Scroll Compressors[C]. International Compressor Engineering Conference at Purdue, 2016: 1081 page 1-6.
       [4]ESDU. Effectiveness-NTU relationship for design and performance evaluation of two-stream heat exchangers. Engineering Science Data Unit 86018 with amendment-A[M]. 1991.7 92-197, ESDU International plc, London.
       [5]Y. J. Du, C. C. Wang. An experimental study of the airside performance of the super slit fin-and-tube heat exchangers[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43: 4475-4482.
       [6]W. Q. Tao, S. S. Lue. Numerical Method for calculation of slotted-fin efficiency in dry conditions[J]. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 1994, 26:351-362.
       [7]C. C. Wang, K. U. Chi. Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers: part 2: correlation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43: 2692-2700.

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。