空调系统中电子膨胀阀的性能及应用研究

刘 芳

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300）

引言

电子膨胀阀在控制器内部算法的运用下，结合执行器动作即可实现系统工作参数的精确采集与控制。采集的参数中，通常包含压力型与温度型，前者将回气温度与压力作为采集对象，在驱动器内部计算下能将饱和蒸发温度获取，从而完成回气过热度的计算。而后者主要是对膨胀阀后温度与回气温度采集，从而完成过热度的计算。驱动器以过热度大小为根据，能对膨胀阀开度实现精确控制。电子膨胀阀与压缩机变频的结合，通过电子膨胀阀开度的动态调节实现回气温度的控制，有利于机电结合与节能环保目标的实现，完成智能化空调系统的设计。

1 应用电子膨胀阀的优势

电子膨胀阀在空调系统中应用时，能自动调节制冷剂流量，确保空调系统能够始终维持最佳运行工况，可加快制冷速度、精确控制温度，并实现节能。

电子膨胀阀只负责计算传感器参数，控制则交由控制器负责，因此反应与速度相当显著，仅需几秒就能完成全闭与全开的过程[1]。热力膨胀阀控制器响应动作速度略显不足，且极易引起振荡，主要是因为感温包热惰性与传热过程只有在一定时间过后才能完成。应用电子膨胀阀时，结合程序或存贮器完成目标过热度的设定，可面向制冷（制热）等情况合理进行过热度的设置，有利于系统经济性的提高。而热力膨胀阀控制器中，主要由预紧力负责过热度目标的设定，且无法自行调节。同时，电子膨胀阀控制器中，温度传感器属于单一的关联对象，相比热力膨胀阀而言能更简便的安装、调试，加之省去了专设安全保护装置的缘故，在控制压缩机排气温度的基础上即可避免排气温度上升，此时能够消除会对系统构成影响的因素，从而实现更高的能效。

2 电子膨胀阀性能分析

2.1 性能分析准备

本文以家用变频空调（3 200 W）为对象展开对比试验。空调系统上装置电子膨胀阀与毛细管节流机构切换装置，两者之间仅有节流机构方面存在差异，其他要求完全一致。选择同一试验台连续开展本实验，可将实验中不同因素引起的误差规避，能够获取更具准确性的实验结果。其中，电子膨胀阀为方案A、毛细管为方案B。

毛细管节流系统装置中，其长度、管径吻合系统需求的制冷能力，在功率和工况维持额定的前提下，确保能够达到3 200 W的额定制冷量与3 800 W的额定制热量；电子膨胀阀节流装置中，由于参照了优化控制原则的缘故，故而能实现自动控制，可使系统的运行状态始终维持最佳。本次实验中，是以GB/T 7725中有关变频空调的性能测试指标要求为根据设计的测试项目。本次制冷和制热试验中，主要选取额定制冷方面的数据展开对比。

2.2 制冷、制热性能

两个系统中，在设计工况额定频率下，具有基本相同的节流特征和能力。如果与设计工况额定功率有一定差异，电子膨胀阀能实现供液量的自动调节，具有比毛细管系统明显更优秀的控制方式[2]。从变频空调能力方面来看，正常工作环境条件下，电子膨胀阀明显高出毛细管。负荷剧烈变化的工况下，电子膨胀阀体现的节能性能更优异。试验数据见表1。

表1 额定制冷、制热性能试验数据

2.3 能效对比

以GB/T 7725中计算方法为根据展开SEER的计算，对比两者实际情况基本没有太大的差异，但电子膨胀阀节流高出毛细管约1.7 %；以该标准中的计算方法为根据展开HSPF的计算，电子膨胀阀节流高出毛细管约1.6 %。

结合上述数据，对比分析全年能耗消耗效率（APF），处于额定工况下时，两者之间基本没有性能差异，处于低频、高频或负荷变化相当剧烈的工况下，电子膨胀阀具有更明显的优势，可实现更精准的控制。以额定频率及工况为参照，额定区域附近，两者之间拥有基本一致的效果。变频空调运行频率如果超出额定区域，此时毛细管不能满足流量调节范围的要求，但电子膨胀阀却能更准确、迅速的响应，可实现供液量的及时调节，即便处于负荷剧烈变化的工况下，同样能将调节振荡的情况规避。具体数据见表2。

表2 SEER、APF数据

3 电子膨胀阀控制方法

3.1 温度式控制方法

系统过热度大致参照两温度的差，同时将其作为电子膨胀阀的控制参数；制冷过热度为ts-te，表示室内蒸发器中央温度对比吸气温度时两者之间相差的数值；制热过热度ts-tc，表示室外冷凝器中央温度对比吸气温度时两者之间相差的数值。

3.2 压力式控制方法

过热度ts-tps中，通过计算获取的数值是控制电子膨胀阀时使用的主要参数，式中的tps代表制冷剂饱和温度，是与吸气压力ps相对应数值，也可以认为过热度是吸入温度与饱和温度之间相差的数值。

3.3 两种方法对比

前一种控制方式安装简便，由于未涉及压力转化到饱和温度的过程，因此能更快的响应。但是该方法中，过热度与系统实际过热度有一定差异的缘故，难免会有误差存在[3]；后一种控制方式中，计算得到的过热度基本符合实际过热度，然而在回路中有必要进行压力传感器的追加，且程序控制中饱和温度AD转换变的追加也是必不可少的，此时会支出更多成本。

在对两种方法妥当性进行研究时，维持额定制冷条件，记录膨胀阀各个开度时的过热度。当膨胀阀开度变更，且过热度变化时，两种方法计算获取的过度热之间之间存在大约3 ℃的差值。结合大量实践结果得知，该差值虽然面向不同本体时有一定差异，但基本都是恒定的。所以，通过一定补偿，温度式控制方法便能将压力式控制方法顺利取代。

4 空调系统中电子膨胀阀的应用

4.1 降低制冷剂噪声

毛细管节流过程中，当制冷剂出现了不同状态后，毛细管引起的振动会向冷凝器中传输，此时会有间断性且无法避免和消除的刺耳噪声出现，为了减弱噪音基本会采取添加隔音棉或包阻尼块等方式，然而也无法取得理想的效果。通过电子膨胀阀节流的应用，不仅安装稳定、固定，同时支持快速调节流量，可将制冷剂噪声抑制[4]。然而，电子膨胀阀具有相当复杂的结构，实际应用中难免也会有电磁声、啸叫声等噪音问题产生，与结构单一的毛细管相比，电子膨胀阀更有可能出现噪声问题，因此在实际应用中需要酌情考虑。

4.2 优化低温能力、防凝露

GB 21455-2013 房间空调器能效标准中，在划分能效等级时参照的指标为全年能源消耗效率（APF），面向空调器进一步提高了低温下的性能要求。空调系统低温测试中，通过电子膨胀阀开度调节的应用，能使空调器除霜后的能力实现大幅提升，短时间内能促进能力值的提高。而在变频空调器中，普遍存在凝露这一问题，会对用户生活及工作构成严重影响。空调设计初期便考虑了凝露预防问题，但实际使用中依旧会出现。通过毛细管节流的系统，可支持调节的范围与幅度相对偏小，会限制整改手段。而电子膨胀阀系统中，通过优化开度的利用，在对过热度调节的基础上，即可将凝露问题改善。

4.3 优化除霜能力

将电子膨胀阀应用于空调系统中，最佳开度运行下开始制热时，，进入除霜条件，以制冷模式取代四通阀，为使制冷剂流量增加，膨胀阀会迅速向除霜开度调整，此时能将除霜工作更迅速的完成。待完成了除霜之后，此时四通阀会立即转向，从而迅速恢复制热能力，此时膨胀阀开度恢复为除霜前[5]。面向不同阶段对除霜工作展开细分，设定不同的压缩机频率、膨胀阀开度值，此时能取得更显著的除霜效果。

4.4 变频空调器最适化性能应用

优化设计电子膨胀阀开度，控制其能随着频率的变化而变化，此时便能保证系统维持最佳的运行状态。现有的家用变频空调系统中，此项技术已完全覆盖了一、二级的系统。具体应用中，部分厂家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通过补正完成膨胀阀具体开度的确定。也有部分厂家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，此时空调器能实现明显更可观的SEER值。

5 结语

综上所述，电子膨胀阀有利于能效的提高，是组成智能化制冷系统的关键成分之一。随着国家节能环保政策的不断推行，有关空调能效方面的要求也更加严格，为了响应国家号召，以变频空调系统为代表的空调系统中，进一步普及了电子膨胀阀的应用。而在当前绿色节能环保发展的目标下，有关电子膨胀阀控制研究工作的开展中，也逐渐以高效能、多功能、快响应的控制当作主要的研究方向。