家用空调器节能化设计的五大要素

家用空调器节能化设计的五大要素

周向阳

广东美的制冷设备有限公司      广东佛山528300

摘要：伴随着社会经济水平的持续提升，空调器的应用已经成为改善人们生活质量的重要设备，但是运用空调器将会造成严重的能源损耗问题，严重影响我国可持续性战略的落实。目前部分城市的空调器能源消耗已经达到总能源的40%以上，所以在空调器设计方面应该加强对节能措施的优化设计，运用科学的节能措施减低能源消耗。

   关键词：空调器；节能；效率

   引言：在科学技术创新发展的环境下，强化节能技术的创新已经成为保障我国可持续性发展和绿色发展的重要举措。就目前发展情况来看，能源的大量损耗已经成为限制我国长远发展的重要因素，所以空调器设计应该加强对节能功能的重视，围绕着空调器节能设计的五个要素进行创新研发。

    一、PAM控制因素分析

变频空调的逆变器采用斩波控制方式，其PWM波的载波与逆变器的损耗呈正比。在逆变器硬件不变的条件下，载波频率越高，其逆变损耗越大。PWM变频方式主要应用高力矩型压缩机，但就目前压缩机的应用情况来看，中低速运转状态下的压缩机很容易直接降低空调的运行效率。

在科学技术创新发展的环境下，PAM变频已经成为优化PWM变频功能的重要方式，采用PAM变频方式可以将输入电压控制在DC160-330V，运用低力矩的压缩机可以有效提升变频的控制效果，促使PAM变频可将电压控制在160V，所以PAM变频相比传统PWM变频可以有效降低晶体管开关损失，提升压缩机的应用效率，通过提升中低速转速和运行效率的方式有效实现节能的优化目的。传统PWM变频方式在空调器应用中只能达到90%的效率，然而应用PAM方式可以实现100%的运行效率，从而将功耗降到最低。

二、压缩机技术的创新路径探寻

直流式电机是压缩机的常用设备，其主要创新措施是在直流无刷电机的转子内部装载永久性磁铁，并且将圆弧形的磁铁截面积形状改变为D型，这样可以有效扩大磁束的密度，从而实现提升压缩机电机运行频率的效果，通过不同材料功能的挖掘和应用实现提升电机运行效率的目的。目前压缩机还存在涡旋式压缩机类型，针对这种压缩机需要在密封性和冷媒泄漏等方面进行科学创新，比如运用背压式控制阀的方式就可以有效提升从低速到高速区间的运行功率，从而降低空调器的能源损耗。在涡杆表面实行磷酸锰钾处理也是当下常见的创新举措，运用该项处理措施可以有效提升轴向性的密闭性，实现提升电机运行效率和降低冷媒泄漏的目的。

压缩机的良好运行效果主要体现在制冷量和空调制冷量的同等性，所以压缩机冷量大小的选择应该综合空调系统的相关配置进行科学选择，例如冷凝器和蒸发器的选择对压缩机的运行效果具有深远影响，而压缩机能效比主要是指冷热量与功率之间的比值，通过能效比可以直接体现压缩机能量的利用率。

三、热交换器换热效率提升探寻

热交换器是空调器的核心零部件，提升和优化热交换器的性能已经成为提升空调器优势的重要举措。家用空调器上常用的热交换器主要为管翅式。适用于：气-气、气-液、液-液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。从其热量转移的途径分析，主要从以下几方面提升热交换器的换热效率：

1、制冷剂侧换热强化技术

1)铜管内螺纹齿型设计：制冷剂与铜管间采用热传导进行热量交换，从公式Q=KA△t（式中Q---传热量，W； K---传热总系数，W/（m2·K）； A---传热面积，m2； △t---温度差，K）看出，其它条件不变，增大传热面积A，将增大传热量Q。因此采用内螺纹铜管以增大换热器与制冷剂的接触面积；

2)小管径换热器的流路设计：采用小管径换热器，可以增加单位体积换热器的管内侧换热面积，降低制造成本。但直接将换热器中的换热管替换成小管径换热管，将增加压降损失，使系统效率降低。因此需要适当增加换热器中制冷剂的分路数目选择合适的分路数目。

3)组合管径换热器的应用：利用制冷剂在管路中的相变状态，在液相区域采用小管径铜管，在气液两相区和气相区采用大一号管径铜管，从而增大单位体积换热器的铜管数量，增加管内侧换热面积，提升换热量。

2、空气侧强化换热的结构设计

带有开缝形式的翅片能破坏空气侧边界层的发展，从而提高换热性能。APF能效考核的空调所使用的换热器都是干、湿工况交替运行，而不同翅片换热器在干、湿工况下的换热及阻力特性有很大差异。经过试验及仿真发现：带有百叶窗翅片结构的换热性能增加大于压降的增加，综合性能较好；带有波纹片的换热器结霜工况下的换热性能较好。

3、换热器流路优化设计

分路数多少以满足实际设计需求为最佳原则。路数多流动阻力损失小，功率下降，但由于制冷剂媒流速下降，换热系数也下降，同时也很难分配均匀；反之，路数少流动阻力损失大，功率较高，但由于制冷剂流速增大，换热系数会提高，只有设计合理的分路数才能使系统达到最佳。

蒸发器中压力较低，对流动阻力比较敏感，单程管长应少一些；冷凝器中压力较高，单程管长可以稍长一些，但对于冷暖机，冷凝器在制热工作时，制冷剂在冷凝器中的压力较低，不宜过长，避免制热偏流可能导致结霜等等，需要综合考虑。

四、风机性能的优化设计

合理增加风机的风量可以有效优化热交换器的基本性能，通常在风量较小的时候增加风量比率，功率便会在这时明显减小，但能效也会伴随风量增加而提高；当风量增加到特定的峰值时，这时会体现出冷量提高不明显的现象，但风机功率会持续提升。通过选择一款1.5匹的空调器，采用毛细管节流，在国标额定制冷量测试工况下进行试验，结果见图1和图2：

图1                                        图2

从上图可见，随着风量增加，能效比EER先增大后减小，说明风量和能效之间存有特定的界定值。利用风机功率随转速的变化数据，结合额定制冷量的设计需求，选择合理的风量，实现能效最优，同时噪音也较低。

五、电子膨胀阀的改良举措探寻

传统空调器主要应用毛细管进行节流，但是毛细管在应用中很容易因为气态制冷剂的混入导致毛细管出现堵塞现象，影响空调器换热效果。电子膨胀阀是由电子电路进行控制的膨胀阀，它的流量控制范围大，动作迅速，调节精细，动作稳定。电子膨胀阀能够根据微电脑的指令，迅速调节阀的开启度，快速控制制冷剂的流量，减小房间室内的温差，因而能够增强空调的舒适程度，最大限度的节能。

要发挥电子膨胀阀的节流效果，提升能效，控制电子膨胀阀开度尤为关键。具体应用中，通过表格式的运用膨胀阀开度和对应频率，同时在过热度的配合下完成膨胀阀具体开度的确定。也可将过热度作为单一参数调节开度，或是参考压缩机排气温度对开度展开合理调节。而任意方法的使用，皆是以最适化的流量为目的，尤其是膨胀阀控制器应用于制冷中间性能时，能发挥至关重要的优化作用，明显提升空调器的能效。

六、结束语

空调器的节能化设计应该围绕着五个要素创新研究，结合理论内容优化空调器的节能化功能，从具体的应用和实践中找寻其中存在的问题，从而实现针对性的功能优化，因此空调器制造企业应该加强对节能功能的重视，应用降低能源损耗的方式保障我国可持续性发展。

参考文献：

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