空調系統中電子膨脹閥的性能及應用研究

劉 芳

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

電子膨脹閥在控制器內部算法的運用下，結合執行器動作即可實現系統工作參數的精確采集與控制。采集的參數中，通常包含壓力型與溫度型，前者將回氣溫度與壓力作為采集對象，在驅動器內部計算下能將飽和蒸發溫度獲取，從而完成回氣過熱度的計算。而后者主要是對膨脹閥后溫度與回氣溫度采集，從而完成過熱度的計算。驅動器以過熱度大小為根據，能對膨脹閥開度實現精確控制。電子膨脹閥與壓縮機變頻的結合，通過電子膨脹閥開度的動態調節實現回氣溫度的控制，有利于機電結合與節能環保目標的實現，完成智能化空調系統的設計。

1 應用電子膨脹閥的優勢

電子膨脹閥在空調系統中應用時，能自動調節制冷劑流量，確保空調系統能夠始終維持最佳運行工況，可加快制冷速度、精確控制溫度，并實現節能。

電子膨脹閥只負責計算傳感器參數，控制則交由控制器負責，因此反應與速度相當顯著，僅需幾秒就能完成全閉與全開的過程[1]。熱力膨脹閥控制器響應動作速度略顯不足，且極易引起振蕩，主要是因為感溫包熱惰性與傳熱過程只有在一定時間過后才能完成。應用電子膨脹閥時，結合程序或存貯器完成目標過熱度的設定，可面向制冷（制熱）等情況合理進行過熱度的設置，有利于系統經濟性的提高。而熱力膨脹閥控制器中，主要由預緊力負責過熱度目標的設定，且無法自行調節。同時，電子膨脹閥控制器中，溫度傳感器屬于單一的關聯對象，相比熱力膨脹閥而言能更簡便的安裝、調試，加之省去了專設安全保護裝置的緣故，在控制壓縮機排氣溫度的基礎上即可避免排氣溫度上升，此時能夠消除會對系統構成影響的因素，從而實現更高的能效。

2 電子膨脹閥性能分析

2.1 性能分析準備

本文以家用變頻空調（3 200 W）為對象展開對比試驗。空調系統上裝置電子膨脹閥與毛細管節流機構切換裝置，兩者之間僅有節流機構方面存在差異，其他要求完全一致。選擇同一試驗臺連續開展本實驗，可將實驗中不同因素引起的誤差規避，能夠獲取更具準確性的實驗結果。其中，電子膨脹閥為方案A、毛細管為方案B。

毛細管節流系統裝置中，其長度、管徑吻合系統需求的制冷能力，在功率和工況維持額定的前提下，確保能夠達到3 200 W的額定制冷量與3 800 W的額定制熱量；電子膨脹閥節流裝置中，由于參照了優化控制原則的緣故，故而能實現自動控制，可使系統的運行狀態始終維持最佳。本次實驗中，是以GB/T 7725中有關變頻空調的性能測試指標要求為根據設計的測試項目。本次制冷和制熱試驗中，主要選取額定制冷方面的數據展開對比。

2.2 制冷、制熱性能

兩個系統中，在設計工況額定頻率下，具有基本相同的節流特征和能力。如果與設計工況額定功率有一定差異，電子膨脹閥能實現供液量的自動調節，具有比毛細管系統明顯更優秀的控制方式[2]。從變頻空調能力方面來看，正常工作環境條件下，電子膨脹閥明顯高出毛細管。負荷劇烈變化的工況下，電子膨脹閥體現的節能性能更優異。試驗數據見表1。

表1 額定制冷、制熱性能試驗數據

2.3 能效對比

以GB/T 7725中計算方法為根據展開SEER的計算，對比兩者實際情況基本沒有太大的差異，但電子膨脹閥節流高出毛細管約1.7 %；以該標準中的計算方法為根據展開HSPF的計算，電子膨脹閥節流高出毛細管約1.6 %。

結合上述數據，對比分析全年能耗消耗效率（APF），處于額定工況下時，兩者之間基本沒有性能差異，處于低頻、高頻或負荷變化相當劇烈的工況下，電子膨脹閥具有更明顯的優勢，可實現更精準的控制。以額定頻率及工況為參照，額定區域附近，兩者之間擁有基本一致的效果。變頻空調運行頻率如果超出額定區域，此時毛細管不能滿足流量調節范圍的要求，但電子膨脹閥卻能更準確、迅速的響應，可實現供液量的及時調節，即便處于負荷劇烈變化的工況下，同樣能將調節振蕩的情況規避。具體數據見表2。

表2 SEER、APF數據

3 電子膨脹閥控制方法

3.1 溫度式控制方法

系統過熱度大致參照兩溫度的差，同時將其作為電子膨脹閥的控制參數；制冷過熱度為ts-te，表示室內蒸發器中央溫度對比吸氣溫度時兩者之間相差的數值；制熱過熱度ts-tc，表示室外冷凝器中央溫度對比吸氣溫度時兩者之間相差的數值。

3.2 壓力式控制方法

過熱度ts-tps中，通過計算獲取的數值是控制電子膨脹閥時使用的主要參數，式中的tps代表制冷劑飽和溫度，是與吸氣壓力ps相對應數值，也可以認為過熱度是吸入溫度與飽和溫度之間相差的數值。

3.3 兩種方法對比

前一種控制方式安裝簡便，由于未涉及壓力轉化到飽和溫度的過程，因此能更快的響應。但是該方法中，過熱度與系統實際過熱度有一定差異的緣故，難免會有誤差存在[3]；后一種控制方式中，計算得到的過熱度基本符合實際過熱度，然而在回路中有必要進行壓力傳感器的追加，且程序控制中飽和溫度AD轉換變的追加也是必不可少的，此時會支出更多成本。

在對兩種方法妥當性進行研究時，維持額定制冷條件，記錄膨脹閥各個開度時的過熱度。當膨脹閥開度變更，且過熱度變化時，兩種方法計算獲取的過度熱之間之間存在大約3 ℃的差值。結合大量實踐結果得知，該差值雖然面向不同本體時有一定差異，但基本都是恒定的。所以，通過一定補償，溫度式控制方法便能將壓力式控制方法順利取代。

4 空調系統中電子膨脹閥的應用

4.1 降低制冷劑噪聲

毛細管節流過程中，當制冷劑出現了不同狀態后，毛細管引起的振動會向冷凝器中傳輸，此時會有間斷性且無法避免和消除的刺耳噪聲出現，為了減弱噪音基本會采取添加隔音棉或包阻尼塊等方式，然而也無法取得理想的效果。通過電子膨脹閥節流的應用，不僅安裝穩定、固定，同時支持快速調節流量，可將制冷劑噪聲抑制[4]。然而，電子膨脹閥具有相當復雜的結構，實際應用中難免也會有電磁聲、嘯叫聲等噪音問題產生，與結構單一的毛細管相比，電子膨脹閥更有可能出現噪聲問題，因此在實際應用中需要酌情考慮。

4.2 優化低溫能力、防凝露

GB 21455-2013 房間空調器能效標準中，在劃分能效等級時參照的指標為全年能源消耗效率（APF），面向空調器進一步提高了低溫下的性能要求。空調系統低溫測試中，通過電子膨脹閥開度調節的應用，能使空調器除霜后的能力實現大幅提升，短時間內能促進能力值的提高。而在變頻空調器中，普遍存在凝露這一問題，會對用戶生活及工作構成嚴重影響。空調設計初期便考慮了凝露預防問題，但實際使用中依舊會出現。通過毛細管節流的系統，可支持調節的范圍與幅度相對偏小，會限制整改手段。而電子膨脹閥系統中，通過優化開度的利用，在對過熱度調節的基礎上，即可將凝露問題改善。

4.3 優化除霜能力

將電子膨脹閥應用于空調系統中，最佳開度運行下開始制熱時，，進入除霜條件，以制冷模式取代四通閥，為使制冷劑流量增加，膨脹閥會迅速向除霜開度調整，此時能將除霜工作更迅速的完成。待完成了除霜之后，此時四通閥會立即轉向，從而迅速恢復制熱能力，此時膨脹閥開度恢復為除霜前[5]。面向不同階段對除霜工作展開細分，設定不同的壓縮機頻率、膨脹閥開度值，此時能取得更顯著的除霜效果。

4.4 變頻空調器最適化性能應用

優化設計電子膨脹閥開度，控制其能隨著頻率的變化而變化，此時便能保證系統維持最佳的運行狀態。現有的家用變頻空調系統中，此項技術已完全覆蓋了一、二級的系統。具體應用中，部分廠家通過表格式的運用膨脹閥開度和對應頻率，同時在過熱度的配合下通過補正完成膨脹閥具體開度的確定。也有部分廠家將過熱度作為單一參數調節開度，或是參考壓縮機排氣溫度對開度展開合理調節。而任意方法的使用，皆是以最適化的流量為目的，尤其是膨脹閥控制器應用于制冷中間性能時，能發揮至關重要的優化作用，此時空調器能實現明顯更可觀的SEER值。

5 結語

綜上所述，電子膨脹閥有利于能效的提高，是組成智能化制冷系統的關鍵成分之一。隨著國家節能環保政策的不斷推行，有關空調能效方面的要求也更加嚴格，為了響應國家號召，以變頻空調系統為代表的空調系統中，進一步普及了電子膨脹閥的應用。而在當前綠色節能環保發展的目標下，有關電子膨脹閥控制研究工作的開展中，也逐漸以高效能、多功能、快響應的控制當作主要的研究方向。