空调器系统模块的多层次优化.pdf

42 2023中国家电科技年会论文集0 引言随着人们生活水平的提高，家用电器在人们日常生活中的作用愈加重要。尤其是空调器，其作为一种能够对建筑或构筑物内环境空气的温度、湿度、流速等参数进行调节和控制的设备，早已成为现代人生活中必不可少的家电。但随着全球气候变暖以及极端天气的出现，国家近几年将工作重点放在实现“双碳”目标，在2050年实现“碳中和”已成为全球发展转型的主流和方向，实现“双碳”目标最基本的是推动经济系统的转型，产业发展转型和能源消费转型。而我国作为当今全球最大的制冷空调设备制造国、消费市场和出口国，也是当今全球最大的制冷剂消费国，制冷剂年消费量超过35万吨，折合CO2当量超过5亿吨，制冷剂消费量超过全球的50%。同时制冷空调设备是我国经济生活中的能源消耗大户1。据相关机构分析测算，目前在用的各类制冷空调设备的年能耗约占全社会电力消费总量的20%以上，中国制冷空调设备年能耗产生的温室气体排放近9亿吨CO2当量。由此可见，制冷空调行业对于国家履行 蒙特利尔议定书 和达成“双碳”目标都具有不可或缺的地位和作用。而且绿色低碳的相关标准也明确指出，对于企业，尤其是制造作者简介：张玥（1996），女，硕士学位。地址：山东省青岛市崂山区松岭路399号。E-mail：。通讯作者：王树涛，E-mail：。空调器系统模块的多层次优化张玥1,2 王树涛1,2 徐春峰1,2 阚光俊1,2 蒋贤国1,2 吴林涛1,21.海信家电集团股份有限公司 山东青岛 266000；2.海信空调有限公司 山东青岛 266000摘 要：随着全球极端天气频繁出现，夏季温度越来越高，冬季温度越来越低，室外温度即将超过人类承受范围，为改变极端天气，我国已经将重点工作放在“双碳”目标，大力倡导低碳环保。而空调器作为可调节空气温度的有效手段，已成为各家各户必不可少的家用电器，以30 K四方向嵌入式空调器为例，对空调器的制冷剂种类、换热器配置、压缩机排量和节流元件四个模块进行多层次优化，使空调器从价格和绿色低碳方面拥有相对优势，并对优化后的空调器进行性能测试，测试结果符合能力以及节能标准。关键词：制冷剂种类；换热器配置；压缩机排量；节流元件Multi level optimization of air conditioning system modulesZHANG Yue1,2 WANG Shutao1,2 XU Chunfeng1,2 KAN Guangjun1,2 JIANG Xianguo1,2 WU Lintao1,21.Hisense Home Appliances Group Co.,Ltd.Qingdao 266000;2.Hisense Air-conditioning Systems Co.,Ltd.Qingdao 266000Abstract:With the frequent occurrence of extreme weather worldwide,summer temperatures are getting higher and winter temperatures are getting lower,and outdoor temperatures are about to exceed human tolerance.In order to change extreme weather,China has focused on the dual carbon goal and vigorously advocated for low-carbon environmental protection.As an effective means of adjusting air temperature,air conditioners have become essential household appliances for every household.This article takes a 30 K four direction embedded air conditioner as an example to conduct multi-level optimization of the refrigerant type,condenser configuration,compressor displacement,and throttling element modules of the air conditioner,so that the air conditioner has relative advantages in terms of price and green low-carbon.Performance related tests are also conducted on the optimized air conditioner,the test results meet the ability and energy-saving standards.Keywords:Refrigerant type;Condenser configuration;Compressor displacement;Throttling element中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.010 432023中国家电科技年会论文集业，产品以及组装成产品的零件需符合绿色低碳环保要求。在几年前，温化南等人2就提出通过优化空调器部件实现节能减排，但是重点在提高性能方面。本文以我司一款30 K四方向嵌入式空调器为例，从空调器的制冷剂种类、换热器配置、压缩机排量和节流元件四个方面进行优化，使该空调器在环保方面具有较大的优势。随着室外环境温度越来越极端，用户对于空调器的需求量明显增加，从用户的角度考虑，用户希望所购买空调器的性价比高，所以本文不仅对空调器进行了绿色环保的优化，还从元件的成本上进行了优化，使空调器性价比得到极大的提升。1 制冷剂优化对于空调器而言，制冷剂是影响空调器性能以及碳排放量最重要的因素。为实现国家的“双碳”目标以及行业内低碳绿色的标准要求，制冷剂使用的总体趋势呈现0 ODP，低GWP。目前市场上空调器制冷剂常用类型有R22、R410A、R32，这三种制冷剂的基本特性如表1所示。表1 空调器常用制冷剂的基本特性指标R22R410AR32分子式CHClF2CH2F2/CHF2CF3CH2F2ODP0.05500GWP17002100675从表1中的基本特性中可以看出，R410A和R32的ODP均为0，相比R22，不会破坏臭氧层，但R410A的GWP值比R32高出2倍之多，环保性远远低于R32。R32具有可燃性，但危险系数并不高，并且R32泄漏时的相对碳排放量远远低于R22和R410A。选择制冷剂，除了需要对比其绿色环保的特性，还需要从其热工性能方面考虑，表2为R410A和的热工性能对比。表2 R410A和R32的热工性能对比制冷剂蒸发压力（MPa）冷凝压力（MPa）压缩比等熵压缩功（kJ/kg）单位制冷量（kJ/kg）EER（W/W）容积制冷量（kJ/m3）排气温度（）R410A1.0183.473.412542574.86177117R320.9583.353.5391694.35447103蒸发温度7.2，吸气温度35，冷凝温度54.4，过冷温度46.1从表2的热工性能方面对比，R32的单位制冷量远远大于R410A的单位制冷量，并且能效也比R410A好，所以综上所述，无论是从绿色环保还是从制冷效果考虑，R22、R410A、R32制冷剂应该首选R32。目前国内很多产品已经将制冷剂从R410A转型为R32，并且曹巍3对比了R32制冷剂和R410A在低环温空气源热泵机组上实验研究，实验表明采用R32替代R410A后，各工况下的机组性能系数得到全面提升，表现出较好的性能优势。对于同一机型，制冷剂种类变化会影响制冷剂的充注量，R32仅为R410A充注量的71%。本文对空调器的优化也是首先从制冷剂的种类和制冷剂的充注量进行优化，以30 K四方向嵌入式空调器为例，制冷剂从R410A向R32转型，且充注量由1500 g减少到1300 g。制冷剂R32与R410A相比，不仅有绿色环保的优势，而且在成本上也有极大的优势，每千克R32的价格要比R410A大约便宜2元，以30 K四方向嵌入式空调器为例，制冷剂更改总共价格便宜5元。2 换热器优化换热器作为空调器的核心部件，其换热效率是影响空调器性能的重要因素，所以对换热器进行优化是非常必要的。绿色低碳标准中规定制造业产品的原料也需符合绿色环保低碳要求。市场上的空调器常用的换热器是翅片冷凝器，由翅片与内螺纹铜管组成，内螺纹铜管所用材料为铜。为推动绿色低碳，本文利用减少原材料使用优化换热器的原则，将原有蒸发器的铜管直径由7 mm减小至5 mm，冷凝器的铜管直径由7.94 mm减小至7 mm，此举不仅可以降低铜的材料成本、制冷剂充注量和泄漏量，还可以增强换热、改善能效和提高安全性4。减少的铜用量见以下公式：（1）（2）（3）其中：G-铜用量，g；L-单根U型管的总长度，m；a-单根U型管所需铜量，g/m；b-U型管总数；LA-管口高，m；LB-端板间距，m；LC-接受钎高度，m；LD-两管口间距，m；d-管径，m；e-端板壁厚，m；S-弧长，m。本文以30 K四方向嵌入式空调器为例，蒸发器的内螺纹铜管由7 mm减小至5 mm，冷凝器的内螺纹铜管由7.94 mm减至7 mm，优44 2023中国家电科技年会论文集化前后的U型管（如图1）所用的铜量如表3和表4所示。从表3和表4中可以看出，一台机型的换热器减少铜量0.57 kg，若将换热器优化推广到其他机型，可减少更多铜材料的使用。将内螺纹铜管由7.94 mm减至7 mm，除了可减少原材料外，也可大幅降低空调器的成本。近几年来，铜等大宗材料价格上涨，并且一直居高不下，给空调器市场带来很大的影响以及冲击，企业生产成本上涨，对于用户而言，空调器的性价比大打折扣。图2为近5年来铜价格走势。图2 近5年来铜的价格走势从图2中可以看出，2023年的铜价格有所降低，但7月份的铜价与2022年7月相比，仍同比增长20%，按目前的铜价计算，1台机器可节省0.57 kg的铜量，在价格上可节省34.2元。3 压缩机优化压缩机作为空调器的心脏，为空调器运行提供充足的动力。若选择不合适的压缩机会造成空调器性能不佳、不必要的能耗浪费以及成本浪费，所以选择合适的压缩机以及对压缩机进行优化也是非常关键的一个环节。压缩机在选择时应该从压缩机排量、排气压力以及制冷剂种类三个方面考虑，其中R32制冷剂压缩机大部分可以兼容R410A制冷剂。压缩机排量大，虽然会使制冷制热效果更好，但是功率也会越大，价格越贵，会造成能源浪费以及成本浪费；排量过小会直接影响制冷制热效果，还会出现噪声问题以及缩短压缩机的使用寿命。本文以30 K四方向嵌入式空调器为例，对其压缩机的排量进行优化，优化前与优化后的压缩机如表5所示。表5 30 K四方向嵌入式空调器压缩机优化前后对比制冷剂种类压缩机型号压缩机排量（cc/rev）功率（W）成本差值（元）优化前R410AKTM240*24205543.25优化后R32KTN210*211870从表5中可以看出，本文将压缩机的排量减少，功率减少9%，价格减少12.5%，既减少了不必要的能源浪费，又大幅度降低了成本，但排量减少必定会影响制冷和制热效果，具体性能测试分析见下文中第5部分。4 节流元件优化节流元件是空调器的核心部件之一，其作用是通过调节其开度来控制流量实现压力变化。空调器中的节流元件分为多种，例如：毛细管、电子膨胀阀、节流阀以及热力膨胀阀。毛细管是利用其管径小的特点对冷凝器出口的高压液体制冷剂进行降压处理，一般使用在较小的制冷设备中。热力膨胀阀是根据蒸发器压力变化和蒸发器出口制冷剂气体过热度的变化而动作，但其反应不灵敏，调节时较慢，且调节范围较小，过热度一般设定为56，所以已经被国内行业所淘汰。目前国内空调器常用的节流元件多为电子膨胀阀和节流阀，电子膨胀阀与节流阀多用于较大的制冷设备系统，但结构不同，成本不同，所使用的场合也不同，节流阀适合用于小流量，低压差的场合，电子膨胀阀多用于高精度控制场合5。从成本来说，节流阀的价格远远低于电子膨胀的价格。本文以30 K四方向嵌入式空调器为例，将电子膨胀阀组件更换为节流阀组件，因为此机型为单冷机型，属于配置较低的机型，所以使用节流阀和电子膨胀阀不会对图1 U型管示意图表3 30 K四方向嵌入式空调器的蒸发器优化前后的铜用量内径（mm）排数弧长（mm）U型管数量端板间距（mm）两管口间距（mm）接受钎高度（mm）管口高（mm）总长（mm）g/m铜管重量（kg）5232.972020422116134413.6134.53.0521067232.971620422116124418.85483.392106表4 30 K四方向嵌入式空调器的冷凝器优化前后的铜用量内径（mm）排数弧长（mm）U型管数量端板间距（mm）两管口间距（mm）接受钎高度（mm）管口高（mm）总长（mm）g/m铜管重量（kg）7232.97308952116121908.89482.758677.94232.97308952116141907.84522.98862表6 节流阀与电子膨胀阀（阀体与线圈）的价格对比表组件名成本差值（元）优化前电子膨胀阀与线圈19优化后节流阀 452023中国家电科技年会论文集空调器的性能产生很大的影响，表6为节流阀与电子膨胀阀（阀体与线圈）的价格对比表。从表6中可以看出，将电子膨胀阀换为节流阀，成本下降44%，性能具体见下文中第5部分。综上，空调器各部分元件进行优化后，空调器落实绿色低碳的要求和原则，并且其总成本降低，避免了不必要的成本浪费，从用户的角度出发，空调器的性价比得到了极大的提升。5 空调器优化后性能分析因本文重点优化了空调器的核心部件换热器、压缩机和节流元件，冷凝器的U型管管径变小，压缩机的排量减少，节流元件由电子膨胀阀组件改为节流阀，使优化后的空调器绿色环保、性价比更高。但核心部件则是影响空调器性能的重要因素，所以需要对各个部件进行优化后，对整机重新进行测试，优化前后的模型如图3所示。图3 空调器元件优化前后模型图以30 K四方向嵌入式单冷空调器为例，对优化后的空调器进行性能测试，且与优化前测试工况保持一致，以室内27/19，室外35/24工况为例，制冷性能测试结果如表7所示。表7 空调器优化后的性能测试数据能力（W）功率（W）EER额定制冷884127253.24SEER（实测值）17.74额定制冷限定值2.97 SEER限定值16.04从表7中可以看出，优化后的空调器能力为8841 W，制冷季节能源消耗效率（SEER）和制冷效率（EER）为17.74和3.24均在测试标准内，由此证明，上述部件优化不会给空调的性能带来影响。6 结论随着全球气候变暖的趋势愈发明显，各国逐渐重视并提出通过减少碳排放量来改善温室效应。目前我国已经将工作转移到“双碳”目标，并且为更好地落实“双碳”目标，本文以30 K四方向嵌入式空调器为例，对空调器的核心部件（制冷剂、换热器、压缩机和节流元件）进行优化，在优化后对整机进行性能测试，结论如下：（1）对制冷剂R22、R410A和R32从绿色环保（GWP、ODP）和热工性能方面进行对比，R32无论是绿色环保还是制冷效果明显优于R22和R410A，并且将R410A更换为R32，充注量会减小，且成本费用下降，性价比高；（2）对空调器核心部件的换热器进行优化，将蒸发器和冷凝器的U型管的直径减小，1台机器可减少铜0.57 kg，若此优化思路推广到其余机型，节省的材料数量会非常可观，并且减少铜的用量还可以消除近几年因大宗材料价格上涨带来的不利影响，使空调器不仅实现绿色低碳，还会提高其经济性；（3）对空调器的压缩机进行优化，按照空调器配置选择合适的压缩机，不会因压缩机排量过大，导致不必要的能耗浪费和成本浪费，本文选择将压缩机的排量减少，功率减少9%，价格减少12.5%；（4）对节流元件进行优化，节流元件的种类多，但各自有相应的使用场所和控制方法，同压缩机，按照空调器的配置为其选择合适的节流元件可以避免能源和成本浪费，本文示例的空调器配置较低，不需要高精度的电子膨胀阀，更换为节流阀，成本下降44%，提高空调器的经济性；（5）因本文均是对空调器的核心部件进行优化，而核心部件会直接影响空调器的性能，所以对优化后的整机进行了性能测试，优化后的空调器能力为8841 W，制冷季节能源消耗效率（SEER）和制冷效率（EER）分别为17.74和3.24，均在测试标准内。本文为空调器实现绿色低碳和提升性价比提供了优化思路，除本文提到的部件外，蒸发器组件、系统管路等都可以进行优化，空调器的优化空间巨大，但优化的目的是在实现空调器降低碳排放的同时保证其经济性。参考文献1 张朝晖,刘璐璐,王若楠,等.“双碳”目标下制冷空调行业技术发展的思考J.制冷与空调,2022,22(01):1-10.2 温化南,李红旗.房间空调器的节能分析与优化设计方法J.家电科技,2006(06):64-68.3 曹巍.基于低环温空气源热泵机组的制冷剂替代实验研究J.日用电器,2022,200(08):48-52.4 吴照国.小管径换热器应用于房间空调器的设计方法D.上海:上海交通大学,2011.5 孙志利,臧润清,季卫川.制冷系统用节流装置特性及应用分析A/中国制冷学会、国内贸易工程设计研究院.第九届全国食品冷藏链大会暨第六届全国冷冻冷藏产业创新发展年会论文集C.中国制冷学会、国内贸易工程设计研究院:广东省科学技术协会科技交流部,2014:8.