一種低成本的高效節能房間空調器的設計

梁劍輝

(廣東三洋空調機有限公司,廣東佛山528000)

1 前言

我國在2005年頒布了空調產品能效比的標準,將普通定速空調的能效比分為了五個等級:能效比3.4以上屬于1級產品,3.2～3.4的屬于2級,3.0～3.2的屬于3級,2.8～3.0的屬于4級,2.6～2.8的屬于5級,能效比低于5級的產品一律淘汰。

2009年3月,由國家質檢總局、國家標準化管理委員會聯合發布了新的空調能效等級標準,空調能效標準入門等級從原來的5級 (能效比2.6),大幅度提高到2級 (能效比3.2)。于2010年6月1日正式實施。新的能效等級也調整為3個層次,入門級為3.2,2級值為3.4,1級值為3.6,能效值達3.4的空調才能稱節能。

由于高能效空調享有國家的補貼政策,低能效空調正逐步被擠出市場,高能效產品將成為市場的主旋律。截止到2009年底,國內市場累計銷售一二級高效節能空調420萬臺,是2008年全年銷售量的3倍,高效節能空調市場占有率從推廣前的大約5%上升到50%以上。據業內人士分析,2010年,高能效空調產品將占據85%的市場份額。

要提高空調能效比,不少空調廠家一是采用高能效壓縮機,但高能效壓縮機價格高;二是加大熱交換器面積,但將造成空調機尺寸加大,導致材料成本上升。怎樣才能開發出一種既成本低又高效節能的空調產品呢?在設計方面大膽創新是有效的途徑之一。

2 設計思路

要降低產品成本,重要的是降低產品的材料成本,其次是降低產品的生產成本。基于這兩點,某品牌 2008年的新產品著重于 “產品最小化”和“材料薄板化”作為降成本的重點,再通過優化制冷系統,采用高效的熱交換器,性能匹配最佳化來達到高能效比的要求,以創新的設計開發出一種既成本低又高效節能的空調。

3 產品設計的內容

(1)產品最小化,就是設計的空調機尺寸盡量小,這樣就能節省銅材、鋁箔、板金、樹脂的使用量,從而降低整機的材料成本。通過對比幾家空調廠家高效節能的空調 (見表1),可以看出,該品牌2008年全新設計的產品相比2007年的產品整機尺寸都明顯縮小 (室外機和室內機的體積都減小23%),質量也減小不少。與其他廠家的空調相比,整機尺寸和質量都最小,在市場上很有競爭優勢。

其次,材料薄板化,室外機鈑金和室內機樹脂部品的板厚薄材料化,削減材料使用量,從而降低材料成本。

該品牌2008年新產品以上述兩點為中心,分別在性能、構造、電氣、生產性四個方面進行全新設計開發,使成本降到最低,既提高公司的產品競爭力,又滿足消費者的需求。

表1 幾種高效節能空調的對比

3.1 構造設計

(1)室內機

1)室內機樹脂部品板厚薄材料化,由2.5減為2.0mm。設法削減樹脂使用量,其中出風口減40%、面板減30%、底座、格柵減25%、導風板減55%。

2)小型化設計:K96T型 (2007年機型)尺寸為799×295×227,重10kg;K97GBX型 (2008年機型)尺寸為799×250×205,重7.5kg,體積削減23%。

3)部品件數的削減:將室內機的樹脂部品件數由49件削減為36件,出風部垂直導風板一體成形、風扇電機固定臺與底座一體化。

4)室內機其他降成本設計:①樹脂材料由進口改為國產;②過濾網材料由進口改為國產;③后掛板面積縮小,削減板金使用量;④取消蒸發器出口管保護彈簧。

(2)室外機

1)室外機板金薄板化設計:盡可能削減鈑金部品的厚度,從而降低鈑金的材料成本。底盤板厚由0.8mm減為0.7mm;電機支架由1.2mm減為0.6mm;前面板由0.6mm減為 0.5mm;右側板由0.5mm減為0.4mm。

2)小型化設計:C96T型尺寸為 720×548×265,重31kg;C97GBX型尺寸為660×510×240,重27kg,體積削減23%。

3)削減固定螺釘數量:由43顆削減為31顆。

4)其他降成本設計:①前面板與左側板一體化;②左側塑料抽手與頂板一體化,取消一個抽手;③前出風護罩由方形改為圓形,削減樹脂使用量;④右側抽手護蓋體積縮小,削減樹脂使用量;⑤電控鈑金由平放改為豎放,縮小電控板面積,削減鈑金使用量;⑥縮短管路件長度,銅管壁厚由T0.8變更為T0.7,削減銅管使用量。

3.2 電氣控制設計對應

(1)室內機:重點通過新設計來降低成本。

1)重新評估電氣回路 (刪除一些部品,采用國內產品替代進口產品等)。

2)重新評估室溫傳感器的安裝位置 (實際安裝在表示器上),刪除傳感器線和安裝夾。

3)風扇電機采用AC電機:07年型采用DC電機,08年型改用AC電機,成本可降低32%;AC電機性能和質量都達到該品牌的標準。

4)PCB基板材質由塑料基板變更為紙基板,基板成本可降低40%;經過嚴格的測試,紙基板的質量與塑料基板無異,能夠廣泛采用。

5)步進電機由進口改為國產,降低成本10%。

6)遙控器小型化:縮小遙控器體積及LCD面積縮小16%,成本可降低50%。

7)電控盒內部制作化,成本可降低19%。

(2)室外機:重點通過國產化來降低成本。

1)AC電機國產化。

2)采用價格優惠的國產部品。

3)端子板端子減少一位 (6位減為5位);供電方式為室外供電。

4)縮短電氣部品連接線長度。

3.3 性能設計

制冷能效比 (EER)的定義:在額定工況下制冷運行時,制冷量與消耗功率之比。由此要提高能效比,則應盡可能提高制冷量和降低消耗功率。從壓焓圖可知,要提高制冷量,方法是降低冷凝壓力,提高蒸發壓力。要做到這兩點,就要加大冷凝器和蒸發器面積,但成本也隨之上升;要降低消耗功率,可以采取加大冷凝器面積及選用更高效的壓縮機的方法。這些都是大部分空調廠家采用的提高能效比的方法,不過成本肯定居高不下。

當初開發這款高效空調的時候,為了降低成本,室外機和室內機的尺寸縮小了,冷凝器和蒸發器面積也隨之減小。為此,在性能設計方面著重于消耗功率的降低,具體是確保制冷量不變的前提下,大幅降低功率消耗,從而達到高能效比的要求。

(1)采用小排氣量的壓縮機。空調所消耗的功率絕大部分是壓縮機產生的,要降低消耗功率,必須先降低壓縮機的功率。一方面,可以采用更高效的壓縮機,但價格貴;另一方面,采用小排氣量的壓縮機,降低消耗功率。新產品采用了排氣量小一檔的壓縮機 (減小 0.96cc/Rev),制冷量減小170W,功耗降低33W,價格也降低了20元。

(2)優化制冷系統,重新設計冷凝器和蒸發器,提高熱交換器的效率。由于新產品的換熱面積減少了,因此必須通過增大傳熱系數,提高換熱效率,才能確保不降低換熱量。

3.3.1 冷凝器的設計改進

1)采用高效的內螺紋管,管壁厚由0.29mm改為0.27mm,螺紋高度由0.20mm改為0.10mm,壁厚減薄,螺紋高度減少,螺紋減少,螺旋角度最佳化,強化制冷劑側對流換熱能力,增大熱交換效率,使冷凝壓力 (冷凝溫度)下降,質量流量增加,制冷量增大;鋁箔采用0.1mm厚的,減少空氣側的壓力損失,強化空氣側的換熱,提高換熱效率;

2)翅片采用裂切片,提高傳熱系數,加大換熱效率;

3)減小翅片片距:由1.4mm改為1.3mm,增大換熱面積,提高換熱效率;

4)制冷劑流路改良:由原來的上進下出改為二進一出,改變制冷劑的狀態,提高傳熱效率 (見圖1)。

從圖1看出,通過對流路的改良,使制冷劑流動狀態發生改變,換熱效果更佳,冷凝溫度下降,冷凝器出口溫度降低了1.2℃,過冷度加大,制冷量增大,同時消耗功率降低,EER提高 (見表2)。

雖然冷凝器換熱面積減少了,但通過采用壁厚薄的內螺紋管,減少翅片片距,流路的改良等設計來加大單位長度翅片管面積,增大了傳熱系數,提高了傳熱效率,提高了換熱量。

圖1 冷凝器制冷劑二進一出流路示意圖

3.3.2 蒸發器的設計

1)采用高效的內螺紋管 (與冷凝器相同規格),鋁箔采用0.1mm厚的親水鋁箔,強化傳熱,加大換熱效率;

2)翅片采用裂切片,提高傳熱系數,加大換熱效率;

3)翅片形狀改良,增大傳熱系數,提高傳熱效率;

4)減小翅片片距:由1.3mm改為1.1mm,增大換熱面積,提高換熱效率;

5)制冷劑流路改良 (見圖2):入口管采用T型三通分流,使上下兩分路制冷劑分液更均勻,大大提高了蒸發器的實際使用效率,增大制冷量。

表3 蒸發器流路的試驗數據對比

圖2 蒸發器制冷劑流路改良

圖3 蒸發器制冷劑流路改良示意圖

從表3可以看出,蒸發器A采用一進再通過三通的方式進行上下兩流路的分流,上流路的出口溫度過高 (16.4℃),說明上流路液態制冷劑較少,氣態制冷劑較多,上流路液態制冷劑很快就全部蒸發完了,上流路的出口溫度很快就達到了過熱區,這樣造成蒸發器分液的不均勻,大大降低了蒸發器的實際使用效率,浪費了很多實際蒸發面積,制冷能力低。蒸發器B入口采用T型三通進行上下兩流路的分流,先使氣態制冷劑和液態制冷劑有個穩流的過程,氣態制冷劑被滯留在入口管前端,絕大部分液態制冷劑分上下兩流路進入蒸發器,兩流路的中間溫度和出口溫度均勻,說明蒸發器分液均勻,大大提高了蒸發器的效率,制冷能力提高。

通過對冷凝器和蒸發器的上述設計,確保制冷量不變,而冷凝器和蒸發器面積的減小,使材料成本下降,從而降低成本。

3.3.3 制冷系統匹配優化

(1)適量地減小充注量。

系統的制冷劑充注量可用下式估算:

式中:

G—系統制冷劑充灌量,kg;

VH—蒸發器容積,L;

Vk—冷凝器容積,L

根據設計計算可知,蒸發器的總傳熱管長為12.58m,冷凝器的總傳熱管長為20.78m,相應的各自容積為VH=0.484L、Vk=0.799L,由此,可估算出該系統的制冷劑充注量為:

通過實驗比較,充注量由670g調整為650g,壓縮機耗功下降,冷凝溫度降低,EER增加。

(2)縮短毛細管長度。

根據表4,初步選定毛細管內徑為1.3mm。

表4 毛細管與制冷量的匹配關系

毛細管長度的確定:

可根據下面經驗公式進行計算:

由設計計算可知,毛細管長度為600mm。通過實驗比較,毛細管由φ 1.3×600調整為φ 1.3×550,使蒸發溫度提高,同時冷凝溫度也會隨之降低,壓縮機功率有所下降,制冷量提高,EER增加 (見表5)。

(3)優化風道設計:

室內機風道通過計算機三維優化設計,改善送風性能,提高吸入功率,減少氣流的流阻,實現更暢順送風,同時采用大直徑高效貫流風扇,提高出風量 (如圖4)。室外機出風口采用了既能確保風的流向和強度,壓力損失又很小的導風圈,加大送風量;采用新型風扇葉片,改進葉片形狀,減輕葉片重量,提高了送風量,加大冷凝器的熱交換效率,使冷凝壓力下降,質量流量增加,制冷量增大。

表5 性能試驗結果的數據對比

通過以上對制冷系統的優化,使消耗功率大幅降低,能效比提高 (較07年產品),超過國家一級能效標準 (見表6)。

表6 新舊產品的性能對比

圖4 風道優化設計

4 生產性的設計改進

4.1 為改善生產性的設計改進

(1)室內機:

1)室內機熱交換器平面插入變為從上面插入;

2)室內機電機罩與底座一體化,取消蓋安裝、并刪除2個螺釘;

3)垂直導風板的一體構造;

4)削減樹脂部品點數:由49點削減為36點;

(2)室外機:

1)取消消音棉;

2)削減螺釘:由41顆削減為31顆

4.2 整套工數比較

整套工數比較見表7。從表7看出,通過生產性的設計改進,生產性提高15%,生產效率大大提高,從而降低了生產成本。

5 降低成本統計

通過從性能、構造、電氣、生產性四大方面進行降成本的開發設計,既確保高能效比的目標達成,又使成本大幅降低,如圖5所示:整套空調共降低成本28.66元美元,大大提高了產品的市場競爭力。

表7 整套工數比較表

圖5 降低成本金額(美元)示意圖

6 結論

綜上所述,在開發低成本的單冷高效EER值房間空調器,打破 “高效產品必定價格高”的定勢,必須在設計方面勇于創新:

(1)產品最小化:節省材料使用量,降低整機的材料成本;

(2)材料薄板化:削減材料使用量,降低材料成本;

(3)制冷系統優化:采用小排氣量的壓縮機,降低消耗功率,提高能效比;高效熱交換器的設計,采用高效的內螺紋管和鋁箔,加大熱交換器的換熱效率,制冷劑流路的優化,提高制冷量;毛細管和制冷劑充注量的最優化,降低功率;風道的優化設計,加大送風量,提高換熱效率,降低功率,提高制冷量;上述三方面的設計既降低成本,又達到高能效比的要求。

(4)生產性改善:提高生產效率,降低生產成本。

現在,節能減排是大勢所趨,企業推廣節能產品是應盡的責任,必須利用自身技術優勢,積極研制和生產綠色產品,實現經濟效益與社會責任的雙贏。

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