基于氣體旁通蒸發技術的變頻房間空調器APF提升研究

張 浩 侯澤飛 李杏黨 樊超超 晏 剛 褚雯霄 王秋旺

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049；2 廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311)

房間空調器是建筑系統中的能耗大戶，關于其性能的提升一直是研究的熱點。我國于2020年7月1日開始實施GB 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》[1]，該標準要求同時考核房間空調器的制冷/制熱性能，并引入了全年能源消耗效率(annual performance factor，APF)指標。該標準的實施給房間空調器的設計優化帶來了新的考驗[2-3]。

翅片管換熱器作為房間空調器的重要組成部分，其綜合性能直接影響整機系統的制冷/制熱量及能效[4-6]。APF標準要求同時考核系統的制冷和制熱性能，在制冷/制熱模式切換時，室外換熱器管內側為冷凝/蒸發兩種模式切換。但研究表明，制冷劑在冷凝/蒸發兩種過程中的管內換熱及壓降特性不同，這給APF標準下的換熱器流路設計帶來了新的挑戰。對于翅片管換熱器，最佳分路數是管內側壓降與管內對流換熱表面傳熱系數相互均衡的結果。具體而言，管內制冷劑側壓降為摩擦壓降、加速壓降和重力壓降之和；當室外換熱器作冷凝器時，制冷劑溫度較高，運動黏度較小，摩擦壓降較小，且冷凝過程中制冷劑在管內作減速運動，加速壓降為負，因此，冷凝過程制冷劑側壓降較小，通常僅為5～40 kPa，即制冷劑側壓降對冷凝器性能影響較小，此時可通過減小換熱器分路數以增強管內對流換熱表面傳熱系數，提升換熱器綜合性能[7-8]。與冷凝過程相反，當室外換熱器作蒸發器時，制冷劑溫度較低，運動黏度較大，摩擦壓降較大，且隨管內蒸發過程的進行制冷劑作加速運動，加速壓降為正，即蒸發器制冷劑側壓降較大，通常可達30～150 kPa，壓降過大會使系統功耗增加，性能下降。因此，為降低蒸發過程制冷劑側壓降，通常需要增大換熱器分路數以減小制冷劑管內流速[9]。綜上所述，空調器室外換熱器在冷凝模式下的最佳分路數小于蒸發模式下的最佳分路數，而APF標準下，提升系統性能時需要同時考慮兩種模式，故如何在不增加蒸發模式制冷劑側壓降的前提下減小換熱器分路數是一個亟待解決的問題。研究表明，室外換熱器作蒸發器時，應用氣體旁通技術可有效降低制冷劑側壓降，即：應用氣體旁通技術可在相同制冷劑壓降的條件下，減小換熱器分路數，提升換熱器在APF標準下的綜合性能[10-13]。

通常氣體旁通蒸發技術是指在蒸發器進口布置氣液分離裝置，將蒸發產生的氣相制冷劑分離旁通至蒸發器出口，僅液相制冷劑進入后半段蒸發器進行換熱，從而減小蒸發器管內制冷劑平均流速，降低制冷劑側壓降。此外，對于圓管內制冷劑蒸發過程，制冷劑的流型隨其干度的增大依次為單液相流、泡狀流、彈狀流、環狀流、霧狀流和單氣相流；在泡狀流、彈狀流和環狀流區域，隨制冷劑干度增加，由于制冷劑管內平均流速的增加，管內表面傳熱系數增大；而在霧狀流區域，由于制冷劑干度過大，管內表面液膜被破壞，導致傳熱惡化，傳熱系數急劇下降，這極大影響了蒸發器的換熱性能；應用氣體旁通蒸發技術可以降低后半段蒸發器內部的制冷劑平均干度，減小蒸發器傳熱惡化區域(霧狀流區域)的面積[14]。

圖1所示為現有三種氣體旁通蒸發結構。如圖1(a)所示，常規氣體旁通蒸發系統將氣液分離器布置于節流閥后，對節流產生的兩相制冷劑進行氣液分離，氣相制冷劑被旁通至壓縮機吸氣口，僅液相制冷劑進入蒸發器進行換熱，同時在氣相支路設置控制閥以平衡蒸發器管內流動壓降。此外，T型管也用于氣體旁通蒸發系統，如圖1(b)所示，H.Tuo等[15-17]針對微通道空調器系統，在蒸發器前利用T型管進行氣液分離，以提高微通道蒸發器內制冷劑分布均勻性并降低蒸發器制冷劑側壓降，實驗結果表明在壓縮機頻率不變的情況下，系統制冷量提升了13%～18%，能效提升了4%～7%。然而，當冷凝器出口的制冷劑過冷度較大時，制冷劑經節流閥膨脹產生的氣相制冷劑較少，此時在節流閥后直接旁通氣相制冷劑對系統性能的提升有限，即：圖1(a)和圖1(b)所示結構在大過冷度工況下應用時，對系統性能提升效果有限。實際上，在蒸發器流程內部進行氣體旁通可增大旁通氣體流量，解決這一問題。如圖1(c)所示，池內正毅等[18]利用圓管內蒸發過程環狀流區域的流型特性，在“氣芯”處插入旁通管，在蒸發器流程內部將氣相制冷劑旁通至蒸發器出口，可使系統制冷量提升2%～9%。但圖1(c)所示氣體旁通蒸發結構對系統運行穩定性要求較高，難以適應環境工況及熱負荷的變化。針對這一問題，Fan Chaochao等[19]將一個獨立的氣液分離器布置于翅片管蒸發器流程內部(即本文所述方案)，并構建了相應氣體旁通蒸發器的仿真模型，根據熵產最小化原理得出最佳的氣液分離位置在蒸發器流程的25%～40%之間；仿真結果表明，相比于在節流閥后直接旁通氣體的方案，該方案可降低蒸發器總熵產4%～15%，有效提升蒸發器綜合性能。此外，Fan Chaochao等[20]將該氣體旁通蒸發技術應用于實際空氣源熱泵系統，實驗結果表明應用氣體旁通蒸發技術可使系統的制熱COP提升5%以上。除了提升系統性能外，應用氣體旁通蒸發技術可降低后半段蒸發器內制冷劑質量流量，故可適當減小后半段蒸發器的分路數以強化傳熱；如此，在不增加蒸發器制冷劑壓降的條件下減小了蒸發器分路數，當空調器切換到制冷模式時，室外換熱器作冷凝器，此時分路數減小可以有效提升整機制冷性能。

圖1 三種氣體旁通蒸發結構Fig.1 Three existing vapor-bypassed evaporation structures

目前鮮有關于利用氣體旁通蒸發技術同時提升系統制熱及制冷性能的研究。本文基于GB 21455—2019標準[1]，實驗研究了氣體旁通蒸發技術對房間空調器不同負荷下性能的影響規律，研究了氣體旁通蒸發技術提升房間空調器APF指標的根本原因，研究成果可豐富房間空調器APF提升的技術途徑，為相關技術領域提供參考。

1 實驗裝置

圖2所示為原型機室外換熱器流路與氣體旁通蒸發技術應用方案的對比。原型機室外換熱器流路如圖2(a)所示，在蒸發流程下，制冷劑先分兩路流經6個U型管，后分成5路流經20個U型管。氣體旁通蒸發方案的室外換熱器如圖2(b)所示，蒸發模式下，與原型機不同，制冷劑分兩路流經前半段蒸發器(10個U型管)換熱后進入氣液分離器，氣相制冷劑被分離旁通至換熱器出口，僅液相制冷劑進入后半段換熱器(16個U型管)繼續換熱；可知，由于氣相制冷劑在換熱器中部被分離旁通，后半段換熱器內制冷劑質量流量減小，故將分路數從原型機的5路調整為2分3路，以增加管內制冷劑流速，強化換熱。

圖2 原型機室外換熱器流路與氣體旁通蒸發技術的應用方案對比Fig.2 Comparison of the vapor-bypassed evaporation system and the baseline

相比于原型機室外換熱器，氣體旁通蒸發方案具有以下優勢：

1)制熱模式下，室外換熱器作蒸發器，應用氣體旁通蒸發技術可降低蒸發器內部制冷劑平均干度，進而減小霧狀流傳熱惡化區域的面積，實現蒸發器傳熱面積的高效利用；

2)制熱模式下，應用氣體旁通蒸發技術可減小制冷劑管內平均流速，在合理的分路數設計下，可有效降低蒸發器管內制冷劑流動壓降，從而減小由于蒸發器壓降產生的不可逆損失，提升系統性能；

3)制冷模式下，室外換熱器作冷凝器，故原型機室外換熱器流路可描述為制冷劑分5路流經20個U型管，而后合并成兩路流經剩余6個U型管；而對于氣體旁通蒸發方案的室外換熱器，制冷劑分成3路流經12個U型管，然后匯合成2路流經剩余14個U型管；如前文所述，冷凝模式下，適當減小換熱器分路數可強化傳熱，提升換熱器綜合性能，故氣體旁通蒸發方案的室外換熱器由于其分路數更少，管內制冷劑流速更高，擾流加劇，換熱更強，綜合性能更優。

綜上所述，氣體旁通蒸發方案的室外換熱器在蒸發和冷凝兩種模式下的綜合性能均優于原型機室外換熱器。

如圖2(b)所示，氣體旁通蒸發方案的室外換熱器進出口分別布置有壓力傳感器，以測量換熱器內部制冷劑側壓降，壓力傳感器量程為0～4 MPa，精度為±0.1%。氣液分離器氣相出口布置有單向閥，在室外換熱器作冷凝器時避免高溫高壓氣相制冷劑未經換熱便被旁通，以保證系統正常工作。實驗在標準3P焓差實驗室內進行，系統的具體結構參數如表1所示。系統制冷/制熱量的相對測量精度為±1%，系統輸入功率采用功率計測量，量程為0～3.5 kW，精度為±0.5%。空調器性能系數COP定義為制冷/制熱量與輸入功率的比值，測量精度為±1.5%。APF標準要求考核5個工況下的空調器性能，各工況的測試條件如表2所示[1]。

表1 系統結構參數Tab.1 Specifications of the system component

表2 環境工況條件Tab.2 Environmental conditions

2 實驗結果及分析

2.1 制熱工況系統性能對比

圖3所示為氣體旁通蒸發方案與原型機的制熱性能對比。為了合理說明氣體旁通蒸發技術對空調器制熱性能的提升情況，實驗中通過調整壓縮機運行頻率使氣體旁通蒸發方案的制熱量與原型機相同，然后進行COP對比。由圖3可知，當制熱量為2～5 kW時，氣體旁通蒸發方案的COP比原型機提高2.5%～7.2%。綜上可知，應用氣體旁通蒸發技術可有效提升空氣源熱泵系統的性能，且氣體旁通蒸發技術在高制熱量工況下具有更大的應用潛力。為了研究氣體旁通蒸發技術提升空調器制熱性能的原因，對兩種方案的室外換熱器制冷劑壓降及出口壓力進行對比分析。

圖3 氣體旁通蒸發方案與原型機的制熱性能對比Fig.3 Performance comparison of the two systems under heating mode

圖4所示為兩種方案室外換熱器制冷劑壓降和出口壓力的對比。由圖4可知，當制熱量從2 kW增至5 kW時，氣體旁通蒸發方案的室外換熱器制冷劑壓降較原型機降低了7.7%～26.7%，且制冷劑出口壓力提升了2～23 kPa。可見，應用氣體旁通蒸發技術可有效提高室外換熱器出口壓力，降低壓縮機壓比，從而提升系統性能。

圖4 兩種方案蒸發工況室外換熱器制冷劑壓降及出口壓力對比Fig.4 Comparison of the refrigerant pressure drop and outlet pressure of two systems under evaporation condition

2.2 制冷工況系統性能對比

制冷模式下，空調器室外換熱器作冷凝器，其內部制冷劑壓降較小，因此適當減小換熱器分路數可有效提升系統性能。應用氣體旁通蒸發技術可在保證系統制熱性能的前提下，減小室外換熱器分路數，從而提升系統制冷性能。圖5所示為不同負荷下，氣體旁通蒸發方案與原型機制冷性能的對比。由圖5可知，當空調器制冷量從1.5 kW增至4.5 kW，氣體旁通蒸發方案的COP比原型機提升了8.6%～3.5%。可見，與制熱模式相反，空調器制冷量越小，應用氣體旁通蒸發技術對空調器制冷性能的提升越顯著。原因是原型機室外換熱器分路數較多，管內制冷劑流速過低，導致管內表面傳熱系數過低，嚴重影響系統COP，此問題在小制冷量工況對系統性能的影響下愈發明顯。因此通過減小換熱器分路數提升管內對流換熱表面傳熱系數可有效提升系統在小制冷量工況下的性能。

圖5 氣體旁通蒸發方案與原型機的制冷性能對比Fig.5 Performance comparison of the two systems under cooling mode

制冷模式下，空調器室外換熱器制冷劑入口壓力即為壓縮機排氣壓力，故制冷劑入口壓力越低，壓縮機壓比越小，功耗越低，系統性能越高。圖6所示為制冷模式下，室外換熱器制冷劑壓降及入口壓力的對比。由圖6可知，減小換熱器分路數后，管內制冷劑平均流速增加，換熱器制冷劑側壓降增大；但由于管內擾動增強，對流換熱表面傳熱系數增加，相同換熱量下平均傳熱溫差減小。減小換熱器分路數后，室外換熱器入口壓力相比原型機降低，即此時傳熱系數增加帶來的正面影響大于制冷劑壓降增加帶來的負面影響，故適當減小換熱器分路數可提升空調器制冷性能。實驗結果表明，當制冷量從1.5 kW增至4.5 kW時，相比于原型機，氣體旁通蒸發方案的室外換熱器入口壓力降低了20～76 kPa。

圖6 兩種方案冷凝工況室外換熱器制冷劑壓降及入口壓力對比Fig.6 Comparison of the refrigerant pressure drop and inlet pressure of two systems under condensation condition

2.3 APF標準下系統性能對比

綜上所述，應用氣體旁通蒸發技術可降低室外換熱器蒸發工況下的制冷劑側壓降，并減小傳熱惡化(霧狀流)區域的面積，從而提升系統制熱性能；對于制冷模式，應用氣體旁通蒸發技術可減小室外換熱器分路數，強化其冷凝工況下的傳熱系數，提升系統制冷性能。圖7所示為APF標準考核的5種工況下，氣體旁通蒸發方案與原型機的COP對比。由圖7可知，應用氣體旁通蒸發技術可有效提升系統的制冷/制熱性能。5種工況下，系統的性能對比如表3所示。

圖7 APF標準考核工況下系統性能對比Fig.7 Comparison of system performance under the APF required conditions

表3 系統APF指標對比Tab.3 Comparison of the system APF index

根據GB 21455—2019標準[1]，氣體旁通蒸發方案的APF指標較原型機可提升6.4%。

3 結論

對于房間空調器，針對常規翅片管換熱器制冷劑流路與運行工況之間匹配不良的問題，本文將氣體旁通蒸發技術應用于室外換熱器，在提升系統制熱性能的條件下，有效減小換熱器分路數，可同時提升系統制冷性能。根據GB 21445—2019標準[1]要求的測試工況，本文搭建了相應測試平臺，并對比研究了氣體旁通蒸發系統與常規系統的性能差異。得到如下結論：

1)制熱模式下，當空調器制熱量為2～5 kW時，氣體旁通蒸發系統的COP比原型機提高了2.5%～7.2%，即氣體旁通蒸發技術更適用于大制熱量工況。

2)制冷模式下，當系統制冷量為1.5～4.5 kW時，應用氣體旁通蒸發技術可提升系統COP 8.6%～3.5%，即制冷模式下，氣體旁通蒸發技術更適用于小制冷量工況。

3)根據GB 21445—2019標準[1]，相比于原型機，氣體旁通蒸發系統的全年能源消耗效率APF提升了6.4%；綜上，氣體旁通蒸發是一種提升房間空調器綜合性能的有效技術途徑。