劉蘊青 崔 勇 王 燕

一種高能效比窗式空調器的設計

劉蘊青 崔 勇 王 燕

（江蘇農牧科技職業(yè)學院 泰州 225300）

隨著空調器的普及，空調器成為用電大戶，為緩解空調器用電緊張的矛盾，很多國家對空調器的節(jié)能指標有著很高的要求。提出了一種高能效比窗式空調器設計的基本思路，并在此思路的指導下，開發(fā)出滿足美國能源標準的5200BTU/h窗式空調器。

能效比；壓縮機；空調器

0 前言

節(jié)能、環(huán)保是當今空調發(fā)展的主題。隨著人們生活水平的不斷提高，房間空調器越來越得到普及，加之全球氣候變暖，空調器的使用時間較過去有明顯增加，空調器已成為能源消耗大戶。因此一些國家政府，如美國、歐盟、日本等國，對空調產(chǎn)品制定了較高的節(jié)能指標來緩解夏季電力高峰與電源容量不足的問題，提高整個社會節(jié)能效果，同時，也引導各空調生產(chǎn)廠家研制節(jié)能型環(huán)保產(chǎn)品來滿足市場需求。

為使空調器達到節(jié)能要求，日本人在90年代中期發(fā)明了變頻空調，并提出了用季節(jié)能效比作為考核指標。其設計思想是：通過改變空調器的頻率來調整空調器的制冷能力，而不是象一般空調那樣，采用壓縮機開停來調節(jié)冷量，因為壓縮機頻繁開停消耗的能量要大于空調器在低頻運轉時所消耗的能量，實際上，這一比較跟壓縮開停頻次有關，也就是說，與房間內的熱負荷有關。在房間熱負荷變化很大時，變頻空調器的優(yōu)勢才較為明顯。

為了說明問題，日本人對日本不同地區(qū)，一年四季空調使用的頻次、氣候變化情況進行了統(tǒng)計分析，并在此基礎上提出了季節(jié)能效比的概念。他們認為：衡量一臺空調器是否節(jié)能應看其在一年時間中平均消耗的能量，而不是其在某一標準工況下消耗的電力。

這一說法得到部分專家的肯定。但同樣存在的問題是：不同的國家、不同的地區(qū)甚至不同的人使用空調的頻次是不一樣的。因此，用戶在實際使用中的能效比仍無法確定，這一指標并沒有絕對意義，與標準工況條件下的能效比一樣，也僅僅是具有相對意義。除此以外，變頻空調還有一個弱點，就是其較高的成本抵消了其節(jié)能帶來的電費支出。

因此，到目前為止，大部分國家仍采用標準工況下的能效比作為考核指標，包括中國、美國、歐盟等空調消費大國。

本文所提到的能效比測試仍采用了傳統(tǒng)意義上的能效比測試方法。由于該空調器是針對美國市場設計的，其測試方法與美國標準測試方法一致，故我們設計的高能效比概念與美國市場上的高能效比是一致的。

1 高能效比窗式空調器設計的基本思路

能效比（）=制冷量（）/制冷功率消耗（）

因此，要提高能效比，就必須提高空調的制冷量、降低空調器的消耗功率。

空調器在工作時，有兩個重要參數(shù)會影響空調的制冷量和消耗功率：蒸發(fā)溫度、冷凝溫度。圖1是壓縮機工作時，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對制冷量和消耗功率的影響曲線。

圖1 壓縮機性能曲線圖

從壓縮機性能曲線圖可以看出，蒸發(fā)溫度增大、冷凝溫度降低會使壓縮機制冷量增加，消耗功率減少，也就是說會導致壓縮機的能效比增大。

而對于換熱器來說，正好出現(xiàn)相反的結果，即換熱器蒸發(fā)溫度增大、冷凝溫度降低會使換熱能力下降，制冷量減少。

空調器整機的制冷量，就是壓縮機和換熱器相互作用的結果，其工作時的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度就在壓縮機制冷曲線和和換熱器制冷曲線的交點處，如圖2。

圖2 空調器制冷量（冷凝溫度50℃）

根據(jù)上述分析，要提高空調器的能效比可通過下列途徑：

（1）設計時，選擇較高的蒸發(fā)溫度和較低的冷凝溫度作為其工作點。

（2）選用高能效比壓縮機。

（3）提高換熱器的換熱能力

增大換熱器迎風面積；

提高換熱器的迎面風速；

選擇合理的制冷劑分路數(shù)，使制冷劑在換熱器內具有最佳流速，提高換熱效率；

選擇合理的管路走向，使制冷劑在管道內的蒸發(fā)均勻，充分利用換熱器的面積；

采用新型內肋銅管、親水橋片鋁箔；增加流體的擾動，提高換熱系數(shù)；

（4）通過室外風扇甩水，對冷凝器進行冷卻，充分利用冷凝水，提高換熱器利用率。

2 5200BTU/h高能效比窗式空調器設計

2.1 主要設計參數(shù)

該機型主要是為滿足美國市場而設計的高能效比窗機，根據(jù)美國的能源標準，主要設計參數(shù)如下：

電源：115V/60Hz

制冷量：5200BTU/h（1524W）

能效比：≥9.8BTU/h·W（≥2.88W/W）

噪聲：室內噪聲≤53dB(A)，室外噪聲≤58dB(A)

電器安全：符合美國UL標準

2.2 主要零部件設計

（1）壓縮機

通過對國內壓縮機廠的調研，為了開發(fā)美國市場，國內主要壓縮機廠家都開發(fā)了適應美國市場的115V/60Hz高能效比壓縮機，在本項目中，我們選用了上海某壓縮廠生產(chǎn)的壓縮機SD074UW- H3BG，其主要參數(shù)，制冷量：1530W；輸入功率：470W；能效比：3.25W/W。

（2）蒸發(fā)器

根據(jù)設計計算，取蒸發(fā)溫度為7.2℃，冷凝溫度50℃。迎面風速設計為1.1m/s。采用兩排φ7內肋銅管，t0.095親水鋁箔，片距1.5mm。所需換熱器尺寸如下：308mm（長）×210mm（高）×25.4mm（厚）。

（3）冷凝器

根據(jù)設計計算，取蒸發(fā)溫度為7.2℃，冷凝溫度50℃。迎面風速設計為1.5m/s。采用兩排φ7內肋銅管，t0.095鋁箔，片距1.5mm。所需換熱器尺寸如下：400mm（長）×294mm（高）×25.4mm（厚）。

（4）離心風扇

根據(jù)換熱器迎面風速，室內風量設計為250m3/h。根據(jù)整機結構尺寸要求，離心風扇直徑設計為φ180，寬度設計為70mm，葉片數(shù)60片。葉片形狀按流體動力學原理設計。

（5）軸流風扇

根據(jù)換熱器迎面風速，室內風量設計為600m3/h。根據(jù)整機結構尺寸要求，離心風扇直徑設計為φ270，寬度設計為70mm，葉片數(shù)6片。葉片形狀按流體動力學原理設計。

（6）風扇電機

采用單相異步電動機，轉速按照風扇所需旋轉轉速設計，考慮到噪聲要求，將該機型設計成高、中、低三速風供用戶選擇，速差為100轉/分，即高速1050轉/分，中速950轉/分，低速850轉/分。

（7）室內風道

采用聚苯乙烯泡沫塑料。考慮到模具生產(chǎn)時脫模需要，將其分成上、中、下蝸殼，風道型線為流線型。

（8）室外風道

采用改性PP塑料，該材料具有耐溫、抗老化特點。進出風口均采用圓弧過度。

3 高能效比窗式空調器試驗

根據(jù)上述設計方案，我們進行了樣機試制，試制結果如表1所示。

表1 樣機測試參數(shù)

從表1可以看出，制冷量已達到設計要求，但能效比還偏低，主要是消耗功率偏大。經(jīng)分析，主要是風扇電機功率偏大，電機效率偏低，僅38%。對電機進行提高效率設計，使其效率提高到49%，重新裝機測試，達到要求。數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電機改進后樣機測試參數(shù)

對試驗機按照標準要求，對其他各種性能進行考核，均能達到標準要求。

4 總結

進行高能效比窗式空調器設計，關鍵是要充分利用壓縮機工作特性，使其工作在較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度點上。要達到此目的，可適當加大冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱面積和迎面風速，提高換熱器的換熱能力。同時還要注意提高風扇電機的工作效率。

將上述設計思想應用在5200BTU/h窗機的設計上，取得了成功。同樣，這一指導思想也可以應用到其它高能效比窗式空調器或掛壁式空調器產(chǎn)品的開發(fā)設計上。

[1] 陳則韶，江斌等.影響熱泵COP的因素與節(jié)能途徑分析[J].流體機械,2007,35(1):64-68.

[2] 彥啟森.空氣調節(jié)制冷技術[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

[3] 蔣能照.空調用熱泵技術及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

Design of a Window Air Conditioner with High Energy Efficiency Ratio

Liu Yunqing Cui Yong Wang Yan

( Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College, Taizhou, 225300 )

With the popularity of air conditioners, air conditioners have become major users of electricity. In order to alleviate the contradiction between the shortage of electricity for air conditioners, many countries have high requirements for energy-saving indicators of air conditioners. This paper puts forward a basic idea for the design of window air conditioner with high energy efficiency ratio, and under the guidance of this idea, develops 5200BTU/h window air conditioner which meets the American energy standard.

Energy efficiency ratio; Compressor; Air conditioner

TB657.2

A

1671-6612（2020）04-504-03

劉蘊青（1969-），男，副教授，高級工程師，E-mail：lyqlzy1969@sina.com

2019-09-02