探討空調系統排氣方式的優化設計

鄒大樞　侯澤飛　張浩　李嗣平

廣東美的制冷設備有限公司　廣東佛山　528311

1　引言

隨著能源不斷的消耗，世界能源存有量不斷的減少，能源危機不斷加劇。據統計，我國建筑能耗約占全國總能能耗的35%，空調能耗又約占建筑能耗的50%～60%左右。由此可見，暖通空調能耗占總能耗的比例可高達22.75%[1-2]。為了應對能源危機，目前在能源危機日益加劇的當下，空調系統的節能設計成為降低能耗、緩解危機的最佳途徑。在政府倡導節能和全民參與節能的環境下，空調作為能源消耗大戶，需要制冷相關行業的研究人員進行深思，抓住挑戰，進行設計的更優方案，提升空調的能效，達到節能效果。本文根據以往的設計經驗，在現有空調系統的基礎上進行深入研究，通過改變系統排氣方式的設計，進行提高整機的能效，降低電力的消耗。

2　空調系統排氣方式的優化設計原理

現有的空調系統，排氣管只流通7-主電磁閥所在的排氣管路通道，如圖1（1-壓縮機，2-四通閥，3-冷凝器，4-外機室外溫度傳感器，5-節流閥，6-蒸發器，7-主電磁閥，8-旁通電磁閥，9-套管式銅管）所示，沒有與低溫低壓的回氣管通道進行熱交換，這種系統在溫度低的情況下，會使得壓縮機的效率偏移效率最佳點，能力能效大幅下降。在制冷時，如果回氣溫度太低，會造成壓縮機回液，影響壓縮機壽命，同時在凝露工況下，內機的出風溫度過低，容易形成凝露，導致滴水現象。在制熱時，回氣溫度偏低，空氣容易在管路的外表面結霜，從而延續到冷凝器上，進而大大降低機組的能力能效。

在制冷時，通過4外機室外溫度傳感器檢測室外溫度T4，進而判斷室外溫度是否≤預設的T4，如果檢測到的室外溫度T4≤預設的T4，表明機組在室外溫度較低的環境中運行，則關閉7-主電磁閥，即截止冷媒在此通道的流通，同時打開8-旁通電磁閥，冷媒流通此通道，與低溫低壓的冷媒進行熱交換，進而提高吸氣和排氣溫度，避免壓縮機回液，提高機組可靠性，同時空調的整機能力能效因為壓縮機電機效率向額定的高效點靠攏，以致整機的能力能效提高。

在制熱時，通過4外機室外溫度傳感器檢測室外溫度T4，進而判斷室外溫度是否≤預設的T4’，如果檢測到的室外溫度T4≤預設的T4’，表明室外溫度較低，機組運行制熱容易進入結霜，則關閉7-主電磁閥，即截止冷媒在此通道的流通，同時打開8-旁通電磁閥，冷媒流通此通道，與低溫低壓的冷媒進行熱交換，進而提高吸氣和排氣溫度。回氣溫度升高，室外側空氣就不容易在管路的外表面結霜，從而降低了冷凝器結霜的速率，同時提高了冷凝器的換熱效率。同時排氣溫度提高，使得室內側蒸發器中銅管內的高溫冷媒與室內側空氣的溫差加大，進而提高制熱量，加快制熱速率，給用戶帶來舒適感。

3　實驗驗證可行性

為了研究空調系統排氣方式的優化設計的可行性，選擇一款71的機組進行實驗，分別在制冷和制熱的高低溫區進行實驗并記錄相關的現象。

3.1　制冷不同工況下的空調系統節能效果

為了驗證不同工況下的空調系統節能效果，保持室內環境溫度為27℃/19℃，室外溫度分別設計為25℃/16℃、30℃/20℃、35℃/24℃、40℃/28℃、45℃/32℃，同一組工況下，通過調試不同的頻率，測試結果如圖2～6所示。

從圖2～6中可以得出以下的結論：

（1）在室外溫度較低的情況下，高溫高壓冷媒通過排氣旁通管道比通過主通道的能力提升3%～4%，能效提升2.6%～3.6%，這表明系統的節能效果明顯提高。

（2）在不同室外溫度下，在室外溫度低于35℃，高溫高壓冷媒通過排氣旁通管道比通過主通道的能力能效明顯提高；當室外溫度高于35℃，其節能作用大部分相反，而當室外溫度為45℃，頻率為62Hz和64Hz時，其能力能效出現逆轉性增加，這是因為在高溫和高頻下，高溫高壓冷媒通過旁通，進行熱交換，可以大大降低排氣，減少冷凝器散熱的負荷，即冷媒經過冷凝器后的溫度比經過主通道的低，加大的過冷度，使得單位體積流量冷媒的制冷量加大，從而使得能力能效增加。

（3）在不同室外溫度和不同頻率下，吸氣溫度都提高了2℃～4℃，這有利于空調系統在低溫情況下，避免換熱不完全導致液壓縮的情況。同時在低溫下，能夠提高內機的出風溫度，避免空氣在出風口表面形成凝露，導致滴水現象。

3.2　制熱不同工況下的空調系統節能效果

為了驗證在制熱工況下的節能效果，保持室內環境溫度為20℃/15℃，室外溫度分別設計為7℃/6℃和2℃/1℃。

3.2.1 額定制熱下的空調系統節能效果

在額定制熱工況下，內機高檔，外機轉速880r，外機壓縮機頻率為67Hz。測試的結果如圖7、8所示。

從圖7和圖8對比的曲線明顯可以看出，在額定制熱工況下，旁通通道的節能效果非常明顯，在相同的情況下，旁通的通道可以通過高溫高壓冷媒，通過銅管管壁，與低溫低壓的吸氣進行熱交換，把吸氣溫度由-11.9℃提高至-0.9℃，從而避免的機組制熱量的嚴重衰減，能力提升了28.3%，能效提升了14.8%。

圖1　空調系統及其控制節能設計原理圖

圖2　室外25℃主排氣通道和旁通對比

圖3　室外30℃主排氣通道和旁通對比

圖4　室外35℃主排氣通道和旁通對比

圖5　室外40℃主排氣通道和旁通對比

表1　不同頻率的能力能效及其吸氣溫度

3.2.2 低溫制熱下的空調系統節能效果

在室外2℃/1℃工況下制熱，在同一工況不同頻率的測試結果如表1和圖9、10所示。

從表1數據中可以看出，在低溫情況下，壓縮機頻率為38Hz時，旁通的通道把吸氣溫度由-10.5℃提高至-8.5℃，能力提升了4.6%，能效提升了6%；壓縮機頻率為67Hz時，旁通的通道把吸氣溫度由-19.9℃提高至-12.4℃，能力提升了18.6%，能效提升了11.3%。

從圖9和圖10中可以看出，兩者在相同的情況下，排氣旁通的冷凝器結霜情況得到明顯的緩解，而普通排氣方式的冷凝器結滿了厚厚的霜。這主要是旁通的通道可以通過高溫高壓冷媒，通過銅管管壁，與低溫低壓的吸氣進行熱交換，由于高溫高壓冷媒與低溫低壓冷媒存在很大的溫差，根據熱交換的原理，高溫的排氣把吸氣溫度提高，回氣溫度升高，室外側空氣就不容易在管路的外表面結霜，降低了冷凝器結霜的速率，同時提高了冷凝器的換熱效率。同時排氣溫度提高，使得室內側蒸發器中銅管內的高溫冷媒與室內側空氣的溫差加大，進而提高制熱量，加快制熱速率，給用戶帶來良好的舒適感。

4　結論

通過上面的闡述，排氣管旁通具有很大的節能效果，特別是在低溫的環境下，具體的結論如下：

圖7　額定制熱工況，冷媒通過主通道的曲線

圖8　額定制熱工況，冷媒通過旁通通道的曲線

圖9　室外2℃/1℃制熱工況，冷媒通過主通道的結霜現象

圖10　室外2℃/1℃制熱工況，冷媒通過旁通通道的結霜現象

（1）在室外溫度較低的情況下制冷，排氣旁通比通過主通道的能力提升3%～4%，能效提升2.6%～3.6%。

（2）在不同的室外溫度下，當室外溫度低于35℃，排氣旁通比通過主通道的能力能效明顯提升；當室外溫度高于35℃，其節能作用大部分相反；而當室外溫度為45℃的高頻下，其能力能效出現逆轉性增加，這是因為在高溫和高頻下，高溫高壓冷媒通過旁通管道，進行熱交換，可以大大降低排氣，加大冷媒的過冷度，使得單位體積流量的冷媒的制冷量加大，使得能力能效增加。

（3）在不同室外溫度和不同頻率下，吸氣溫度都提高了2℃～4℃，這有利于空調系統在低溫情況下，避免換熱不完全導致液壓縮的情況。同時能夠提高內機的出風溫度溫度，避免空氣在出風口表面形成凝露，導致滴水現象。

（4）在額定制熱工況下，排氣旁通通道的節能效果非常明顯，大幅度提高吸氣溫度，能力提升了28.3%，能效提升了14.8%。

（5）在低溫低頻制熱時，能力提升了4.6%，能效提升了6%；高頻時，能力提升了18.6%，能效提升了11.3%。普通排氣方式的冷凝器結滿了厚厚的霜，而排氣旁通的冷凝器結霜情況得到明顯的緩解，降低了冷凝器結霜的速率，同時提高了冷凝器的換熱效率，進而提高制熱量，加快制熱速率，給用戶帶來舒適感。

[1] 王靜偉，李念平.建筑環境與空調節能[J].現代節能，2002，11：28-29.

[2] 劉東，陳沛霖，張云坤.建筑環境與暖通空調節能[J].節能技術，2001，2：17-19.