浅谈如何提高家用空调器制冷系统能效比

胡海东

（江苏春兰空调设备有限公司，江苏 泰州 225300）

随着人们生活水平的提高，家用空调器（以下简称空调器）走进了千家万户。它的耗电量很大，在夏季用电高峰期，空调器的能源消耗可占35%以上[1]。长期以来，人们为降低家用空调器功耗做了大量研究。变频空调在控制层面减少了由于开停机造成的制冷系统瞬变损失，节能效果明显。本文仅限于讨论制冷系统部分的节能理论。

1 系统分析

热会自动从暖处向冷处流动，而不会相反。空调器是一种制冷装置，它将热量从低温的房间移到高温的室外，这就需要向空调器输入功（电能）。空调器是通过其内部的制冷剂循环流动来移除热量的。对理想的可逆循环，移除一定热量所需的功量是一定的，即能效比（冷量与功量的比值）一定，它由蒸发、冷凝温度决定。在实际空调制冷循环中，有很多偏离理想循环的情况，即不可逆因素，它们导致了实际功耗远大于理论功量或能效比的损失。因此要找出这些不可逆因素，并减少它们的影响。家用空调器制冷系统通常可分为传热部分、节流部分和压缩部分，下面分别加以分析。

1.1 传热部分

逆向卡诺循环是一种理想的制冷循环，它的能效比可以从下面的T-S图中直观地示出：

图1 逆向卡诺循环T-S图

图中T1为系统冷凝温度，T2为系统蒸发温度。冷量为T2线与S轴之间矩形的面积，功量为TI线与T2线之间矩形的面积。若T2=300K（27℃），T1=308K（35℃），则能效比为37.5。而实际空调的能效比2～4，可以看出有很大的改进余地。由图1还可以看出，提高蒸发温度和降低冷凝温度是空调系统节能的最基本途径。对于家用空调，室内外的环境温度在很大程度上决定了蒸发冷凝温度。因此，在夏季，适当调高室内目标温度，给空调外机安装遮阳棚，能明显提高制冷系统能效比，而且简单易行。

理想的传热条件是冷热流体的温差为无限小。而实际蒸发器、冷凝器中进行的都是有限温差传热，这是一种不可逆因素。要减小换热温差，应尽可能增大换热表面，并充分利用这些表面。

家用空调器中，常用的是一种翅片管式蒸发器，薄U形铜管外套铝片制成，外套的铝片是增加空气侧换热表面的措施，采用胀管工序，保证管与翅片之间紧密接触，提高导热性能。结构如图2：

图2 翅片管式蒸发器

为增加换热表面积，可以这样处理：U形管内侧表面加工内螺纹，以增加制冷剂侧的换热表面；铝片表面增加压型和切口，以进一步增加空气侧的换热表面。图3是一种改进后的U形管和铝片结构示意图：

图3 U型管和铝片结构示意图

铝片表面增加切口还有一个好处，即可以在空气掠过铝片表面时，破坏其层流边界层，提高空气侧的换热系数；铜管内壁的螺纹也有利于制冷剂液体润湿表面和除去生成的流体泡沫，提高制冷剂侧的换热系数。但这些也会增加流体流动的摩擦阻力。要再增加换热表面，就需要增加U形管数量，过长的蒸发器在启动时需要很长时间才能使制冷剂润湿管壁，大大增加了开机时的瞬变损失。上述这些矛盾，都需要通过试验来采取一个折中方案。

在实际空调系统调试中，蒸发器通常分为多个分路，应让制冷剂均匀地流过各分路，充分利用既有的换热面积。具体做法是在每个分路的进出口布置测温点，调节各分路U形管数量或分液毛细管的长度，使各分路进出口温度基本相等。另外，铝片表面会产生冷凝水，水膜会限制制冷剂与空气之间的热量传递，因此铝片表面应进行去水膜处理。适当增加蒸发器的迎面风速，也可提高空气侧的换热系数。

上面这些分析同样适用于冷凝器。

1.2 节流部分

在系统回路的高、低压侧之间有一个节流装置。这可以是毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀或膨胀机。对理想循环，在膨胀过程中，制冷剂压力能的降低应以功的形式完全回收，用来驱动压缩机或风扇电机，完成这一过程的是定熵膨胀机。

家用空调器中，通常使用的是毛细管和电子膨胀阀。这简化了系统，但以能效比损失为代价。

毛细管利用制冷剂在细长管中的流动阻力起节流降压作用，制冷剂沿管长的绝热膨胀过程如图4所示：

图4 制冷剂压力沿管长的变化

流动分两个区，AB段为纯液体区，BC段为两相流动区[2]。过冷液体（状态pA,tA,）从入口截面A进入毛细管，由于液体流动阻力较小，AB段压力下降平缓。pB为tA对应的饱和压力值，液体到达B截面时变为饱和液体。此后随着压力继续下降，将有蒸汽闪发出来，制冷剂比容增大，流速增加，压力快速下降，制冷剂到达出口截面C时，压力下降到蒸发压力pC。从以上分析可知，当冷凝压力pA和蒸发压力pC一定时，应尽可能使B截面后移，以减少两相流动的距离，减少摩擦损失，同时出口制冷剂干度变小，质量流率增加。因此应过冷冷凝器出口液体和冷却毛细管以达到这个效果。家用空调器的毛细管短且细，换热表面小，冷却效果不好。因此可以在冷凝器末端增加1～2根U形管，让液体制冷剂直接由空气进行过冷；也可以用一个单独的换热器进行过冷，由蒸发器的回汽提供冷源。这些措施基本不会增加系统功耗，但能明显提高能效比。

在电子膨胀阀节流系统中，用两只热敏电阻分别检测蒸发温度和蒸发器出口温度获取过热度信号，以此实时控制膨胀阀开度，因此流量调节反应迅速，使制冷系统工作稳定，降低运行能耗。电子膨胀阀还可以用到系统启、停控制中。停机时，若蒸发器与冷凝器连通，则冷凝器中高温液体进入蒸发器，使蒸发器温度升高，造成下次启动要为冷却蒸发器付出额外电能；若蒸发器与冷凝器之间管道截止，再次开机时，压缩机带压启动困难，电流冲击大。采用电子膨胀阀，可以在停机时，阀全关，阻止制冷剂从冷凝器向蒸发器迁移；而在压缩机启动时，提前很短的一段时间，令阀全开，使吸、排气压力迅速平衡，然后启动压缩机。从而减少启、停瞬变损失。

1.3 压缩机

在空调制冷系统中，压缩机的作用是将从蒸发器来的，最好是处于蒸发压力、最小过热度的制冷剂蒸汽，用最小的能量压缩它并排到冷凝器。尽可能提高蒸发压力和降低冷凝压力对压缩过程总是有利的。压缩机的性能可以被量化为四种不同类型的损失。等熵效率损失是指发生在流体内部的摩擦、传热等不可逆因素；对容积式压缩机，通常都有一些流体在压缩过程结束时，没有离开压缩机，而在下一个行程中被重复压缩，这是容积效率损失；机械效率损失是指发生在传动部分的轴承摩擦等损失；最后一个是电机效率损失，指电机在驱动压缩机过程中的损失。可变速永磁同步电机的效率远高于异步电机，因此，变频压缩机的电机效率较高；低背压的压缩机利用制冷剂蒸汽冷却电机，使气体无效过热，比容增加，容积效率不如高背压的压缩机。上述基本性能一般在厂家的产品样本中无法查到，因此在压缩机选型时，经验起关键作用。

2 结语

设计高能效比的家用空调制冷系统时，需要减少不可逆损失，降低功耗，同时又要提高制冷量，这两方面在很多情况下是矛盾的。比如在换热器中减少流体的摩擦损失与提高换热系数，减少系统的瞬变损失与加大换热表面积，这些矛盾都需要通过大量的试验来找到一种折中方案。本文不能给出这样的方案，只是说明一种提高制冷系统能效比的思路，以期实际的系统设计能够更加有针对性。

[1] 邢海斌.浅谈高能效比定频柜机设计[J].科技风,2013(2):11-13.

[2] 朱瑞琪.制冷装置自动化[M].西安:西安交通大学出版社,1993.