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单元式空气调节机节能技术应用现状及发展趋势

发表日期:2019/8/30 10:51:01 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

单元式空气调节机(以下简称“单元机”)是一种向封闭空间、房间或区域直接提供经过处理空气的设备。它主要包括制冷系统以及空气循环和净化装置,还可以包括加热、加湿和通风装置。由于其具有结构紧凑、占地面积小、安装与使用方便的特点,近年来市场规模保持平稳增长,广泛应用于商业、服务业等国民生活的各个领域,是集中式空调主机产品中的重要一员。

据统计,2012年我国单元机年耗电量达364.9亿千瓦时,我国全社会总用电量49 591亿千瓦时,单元机产品年耗电量约占我国全社会总用电量的0.74%,单元机产品的总耗电量巨大,随着产品市场的不断增长,其总耗电量将进一步增长。利用相关节能技术,最大限度地降低单元机的运转能源消耗具有重要意义。笔者从单元机理论循环特性的节能途径分析入手,通过对文献和企业应用进行调研,对单元机相关节能技术应用现状和发展趋势进行归纳总结,给出各节能技术的应用现状和发展趋势,为单元机产品后续的研发提供参考。

1  基于理论循环特性的单元机节能途径

单元机的理论循环为蒸气压缩式制冷循环,可概括为压缩、冷凝、膨胀和蒸发4个过程,如图1所示。从理论循环角度出发,要想提高产品能效水平,在满足用户使用及能效测试工况条件下应尽可能提高蒸发温度、降低冷凝温度,减少压缩机、风机等动力设备的输入功率,采用高效控制方式和最佳的制冷剂充注量等。单元机产品的节能技术应用如图1所示,将其主要归纳为5类:压缩机节能技术、换热器节能技术、节流装置节能技术、制冷剂技术及系统控制节能技术。


2  单元机节能技术应用现状及发展趋势

基于上述单元机理论循环特性的节能途径,笔者对国内单元机10家主流生产企业的节能技术应用情况进行了现场和问卷调研,结合国内外公开发表的单元机节能技术文献,总结归纳单元机典型节能技术应用现状和发展趋势。

2.1  压缩机节能技术

压缩机是单元机的核心部件和主要耗能部件,其能效和品质的高低直接决定单元机的能效和品质。行业上单元机压缩机节能技术的研究主要包括结构优化、变负荷调控、应用高效电机等。

2.1.1  结构优化设计

结构优化主要是指通过压缩机机械结构和传动系统的优化设计和制造工艺改进实现压缩机的高效运行,可以通过压缩机的热力、动力学优化设计,高效润滑以及加工精度提升等手段实现,与企业的设计制造水平直接相关。在转子式压缩机的设计、制造方面,我国已处于国际领先水平;但涡旋式压缩机的设计、制造的核心技术主要掌握在少数国外企业手中,需要在后续研究中重点突破。

2.1.2  变负荷调控

单元机节能的关键在于机组运行的优化,使机组根据使用环境负荷的变化调节其运行状态,实现全年不同负荷条件下的高效运行。对于单元机的变负荷调控,国内外生产企业应用最广泛的节能技术包括压缩机变频调速技术和压缩机并联技术。

1)变频调速技术

变频调速技术是通过改变电源频率改变压缩机转速,产生不同的排气量,从而使制冷/制热量增大或减小,以此满足使用环境负荷变化,使压缩机电机的输出功率随使用环境负荷动态供给,实现单元机的节能运行。压缩机通过变频调速方式使得制冷/制热量和用户负荷在目标温度下达到平衡,然后维持低速运转、不需要停机,能够避免较大的启动电流造成的损失和停机后压差平衡损失,且可以避免启动过程对电网的冲击。对相关企业调研得知,压缩机采用变频调速后,相对于定频机组,单元机的能效水平可以有效提升,但能效水平的提升幅度与企业的控制技术水平、所采取的技术手段等有很大关系,能效水平可以提升5%~30%。

对于压缩机变频调速技术而言,变频电机包括三相异步电机和永磁同步电机。目前行业内单元机压缩机的变频调速主要采用三相异步电机与变频器相结合的方式,通过室内温度信号的反馈控制变频器的频率,实现三相异步电机转速的调节,技术相对成熟,已在行业内广泛推广。采用三相异步电机变频技术的单元机产品结构简单、运行可靠、技术成熟、价格低廉,暂时不会被其他产品完全替代,小型化、模块化应该是其发展方向之一。永磁同步电机变频技术近年来发展迅速,在家用空调领域已经成熟应用,但受制于成本和技术等压力,在单元机产品的应用还较少,需要进一步开展相关技术攻关和突破。

单元机变频调速技术未来的发展方向为高舒适度、高能效、更智能、更方便安装、网络控制、与建筑装修更和谐等,开发核心控制技术、降低变频调速技术成本、开展空调负荷需求响应调节方法研究等将是今后的技术研发重点。

2)压缩机并联技术

压缩机并联技术通过开停部分压缩机调节单元机的冷量输出以及能耗水平,是单元机在部分负荷条件下的主要节能手段之一,相较于单一定频压缩机更加节能。压缩机并联系统主要有重力油平衡式并联系统、差压油平衡式并联系统等低压油槽压缩机并联系统,高位交叉泄油式并联系统、外置油分离器集中供油式并联系统、油气平衡式并联系统等高压油槽压缩机并联系统。图2所示为一种2台压缩机并联的典型结构示意图。该项节能技术由于成本低、技术成熟,在行业内广泛应用。但与变频调速技术相比,其调节能力、精度和响应速度等还具有一定的局限性。随着变频调速技术的发展和成本的降低,该项技术未来会被变频调速技术所替代。


2.1.3  高效电机

单元机应用最广泛的电机为感应电机,其结构及工艺简单、技术成熟、成本低、寿命长,但噪声较高、效率低,无法满足高能效产品的应用。高效电机的应用,主要包括三相变频感应电机和永磁同步电机。对于普通的感应电机,国内的设计技术与国外基本相当,但制造技术及装备自动化方面还有很大的差距,产品的稳定性有待提高。对于高效变频电机,无论采用三相异步电机或是永磁同步电机,都需要控制器与电机匹配达到最佳的输出参数。电机本体的设计国内与国外的技术相当,但控制的核心技术无论是硬件(如芯片)还是软件(如算法)主要被国外企业所掌握,国内仅有少数大型企业掌握了该项技术,未来需要重点攻关。

在未来发展方面,感应电机由于具有技术成熟、价格低等特点,预计短时间内不会被其他产品完全替代,小型化、模块化应该是其发展方向之一。随着技术的不断发展,变频电机尤其是永磁电机的市场份额会不断扩大。

2.2  高效换热技术

高效换热技术是以提高单元机换热器的传热效率为目标,常用的高效换热技术包括强化传热技术、小管径换热器和微通道换热器技术、高效除霜技术等。

2.2.1  换热器强化传热技术

在实际应用中,强化传热技术是实现换热节能的主要途径之一。目前,单元机的换热器强化传热主要包括管内侧和管外侧强化传热。管内侧强化传热技术主要采用内螺纹管、椭圆管等强化传热管,提高管内传热面积和传热系数。管外侧强化传热技术主要通过改变翅片的片型和几何结构,加强流体流动过程的湍动程度,从而达到强化传热的目的。上述换热器的强化传热技术的应用贯穿于单元机的发展,多年来开展了大量的研究。未来强化传热技术将不断发展,开发出传热效率更高、阻力更低的传热管,采用更加先进的管外强化翅片结构和布置方式等。

2.2.2  小管径换热器技术

小管径换热器技术是基于小管径(管外径≤7 mm)内螺纹铜管的一种节能高效换热器技术,其核心是在传统铜管铝翅片换热器中采用小管径高效内螺纹铜管替代原有较大管径(管外径≥9.52 mm)铜管,并对翅片和流路进行优化设计,从而提高换热效率。小管径换热器可以有效降低换热器的成本、降低系统制冷剂充注量和提高能效。目前,Φ7 mm铜管换热器在房间空调器中已经大规模成熟应用,且加工工艺成熟,在单元机中也有一定的应用。采用Φ5 mm铜管换热器可以进一步降低换热器的成本、减少系统制冷剂充注量,在房间空调器中已有一定的应用,但机组可靠性需要进一步提升;在大冷量单元机产品中,Φ5 mm铜管换热器的应用很少。随着国内替代制冷剂的不断应用,对于系统制冷剂充注量有着更加严格的要求,将会有效推动Φ5 mm铜管换热器的应用。未来小管径铜管换热器的主要研究内容包括加工工艺优化、制冷剂与管径优化匹配以及产品可靠性的提升等。

2.2.3  微通道换热器技术

微通道换热器通常是指水力当量直径小于1 mm的换热器。微通道换热器采用全铝结构制成, 通常由具有多个平行小孔的扁管、铝带开窗折叠成型的翅片以及集流管组成, 其结构如图3所示。


与铜管铝翅片换热器相比,微通道换热器翅片与扁管间采用钎焊技术,消除由换热管到翅片间的接触热阻,提高了导热性能;微通道换热器由于应用了扁管,其产生的热边界层有益于强化空气侧的传热;微通道换热器空气侧的气流组织更好,减小了迎风阻力和由此而产生的噪声,可有效降低风机功率;微通道换热器中多孔扁管的使用,使得制冷剂被分成若干个平行通道,由于水力直径明显减小,换热系数得到了较大的提高;此外,制冷剂被分布到若干个通道中,其质量流量和速度只是适当的增加,不会带来过多的内部压力损失。由此可知,微通道换热器的传热性能相对于铜管铝翅片换热器有着显著的提高。相关研究表明,采用微通道换热器的空调相较于翅片管式换热器,可以有效减小产品体积、减少制冷剂充注量并提高系统能效水平。

与常规增加传热面积、采用表面结构强化流动传热不同,微通道换热器不依靠增加材料消耗提高换热器的传热效率。其特有的微尺度效应使得微通道换热器具有翅片侧空气流动阻力小、换热性能好以及制冷剂充注量少等显著优势。微通道换热器用作非热泵空调设备的冷凝器比较简单,国外已进入批量使用阶段,应用于热泵型产品时,在除霜方面存在一定的难度。在我国,微通道换热器在家用空调器中有一定的应用,但在大型单元机中的应用较少。随着常规换热器能效提升空间逐渐缩小,微通道换热器将成为攻克技术瓶颈、提升单元机能效的重要突破点,未来的研究内容和关键技术将体现在除霜控制技术、生产工艺改进、制冷/制热工况切换、制冷剂均匀分配技术等方面。

2.2.4  高效除霜技术

空气源热泵型单元机在冬季运行时,受环境空气温湿度的影响,室外换热器表面会结霜,不断积聚的霜层使得室外空气与制冷剂之间的传热热阻逐渐变大,并且霜层会阻碍换热器翅片间空气的流动,阻碍盘管间的空气流动,削弱换热性能,这会使得系统蒸发温度下降,压缩机吸气压力下降,进而导致压缩机运行能耗增加,系统性能系数降低,严重时甚至会停机。为保障空气源热泵型单元机的冬季运行效率,提高产品的舒适性与稳定性,需要采用适当的方法抑制换热器表面结霜,或进行周期性除霜。采用高效除霜技术,可以有效提升单元机在结霜期间的能效水平。

目前,行业上普遍采用的除霜技术包括电加热除霜、逆循环除霜和热气旁通除霜等,近年来发展出相变储热除霜、高压电场除霜和超声波除霜等技术。总体来说,传统的电加热除霜、逆循环除霜和热气旁通除霜方式需要通过额外消耗一定的能源或牺牲一定的热量实现,其经济性有待提高;相变储热除霜系统能效水平高于逆循环除霜系统和热气旁通除霜系统,但现存的蓄热器结构和蓄热材质等问题导致蓄热器体积较大且蓄热量较少,因此无法得到推广;高压电场除霜及超声波除霜的可靠性和经济性还需要进一步提高。因此,高效除霜技术将是空气源热泵型单元机主要技术研发方向,通过对结霜过程、除霜起始点的精准判断,做到精准除霜和高效除霜,实现以最小的能耗投入完成除霜过程。

2.3  节流装置节能技术

节流装置主要用于调节制冷剂流量、控制吸气过热度及蒸发液位,节流流量的精确调节对制冷装置节能降耗起着非常重要的作用。目前,单元机常用的节流装置有毛细管、热力膨胀阀及电子膨胀阀。毛细管只能对流量作微小的调节,适用于负荷较稳定的系统,在负荷变化大时,无法有效及时地改变制冷剂流量。热力膨胀阀的感温包有明显的延迟特性,难以配合压缩机排量对流量变化作出迅速而有效的反应,最终导致系统调节的振荡,机器运转不稳定,甚至损坏压缩机。目前,行业上单元机节流装置节能技术主要通过电子膨胀阀实现。

电子膨胀阀用于单元机,可以实现制冷剂流量的自动调节, 从而使系统始终保持在最佳的工况下运行, 达到快速制冷、温度精确控制和节能等目的。采用电子膨胀阀可以实现变频调速单元机制冷剂流量的最适化,使单元机在最佳的工况下运行,尤其可以实现机组制冷中间部分负荷性能的优化,提高综合能效水平;可以提高机组低温应用能力和除霜效率,利用电子膨胀阀的开度调节可以有效提升除霜后单元机能力的上升速率,以提高机组的低温运行能效,在除霜的不同阶段采用不同的压缩机频率及膨胀阀开度值,可大幅提高单元机融霜性能,从而提高单元机的能效水平;此外,可以通过调节电子膨胀阀的开度抑制低压过低和压缩机排气温度过高情况的发生,提升机组的可靠性。

单元机的节流装置采用电子膨胀阀时,需要与系统控制技术相结合,企业技术水平的不同使得该项技术在节能方面的应用效果也不尽相同。控制技术水平的提升是节流装置节能技术节能潜力最大化的前提。因此,随着控制技术的不断进步,节流装置节能技术将在提高系统效率、变工况运行环境的负荷精确调节以及改善使用环境舒适性的运行调节控制方面持续开展研究。

2.4  制冷剂技术

2.4.1  制冷剂定量充注技术

制冷剂充注量会直接对单元机的制冷量、消耗功率及能效产生影响。制冷剂的种类特性,与单元机的管路布置、结构设计等多方面因素发生关联。因此,制冷剂定量充注对于单元机的能效水平的整体提高具有重要意义。该项技术适用于所有单元机,对于每一型号的单元机需要有合理的充注量设计范围及试验验证,并在生产线上进行改进优化,通过智能化控制,实现对单元机制冷剂的定量充注。目前该项技术被广泛应用。

2.4.2  制冷剂替代技术

全球变暖、臭氧层破坏是当今人类社会共同面临的主要环境问题,全球携手合作应对气候变化已成为各国的共识,制冷空调产品用制冷剂的替代工作就是此行动之一。单元机作为工商制冷行业HCFCs淘汰管理计划的主要产品,也受制冷剂淘汰管理计划的制约,需要对主要使用的R22制冷剂进行淘汰替换,R32制冷剂将是单元机的主要替代物。在技术层面,涉及替代制冷剂产品的可靠性、能效提升和减量充注技术,包括可燃性制冷剂安全防护技术、替代制冷剂的变工况运行特性研究、流动传热特性研究、润滑油相容性研究等将是推动新型替代制冷剂推广应用需要解决的关键技术,采用替代制冷剂的节能技术研究,将是今后相当长一段时间内单元机行业研究的重点。

在应用替代制冷剂的大背景下,根据替代制冷剂的特性开展相关的技术研究内容和产品开发将会对单元机整体节能水平产生深远影响。

2.5  系统控制节能技术

单元机的控制技术主要目标为提高机组能效、改善舒适性以及保证机组的安全可靠性运行几个方面。随着智能控制技术的不断发展,近年来单元机在控制方面又增加了智能化功能的控制问题。在高效节能和舒适性控制方面,要求空调器在较宽的工况范围内都具有较高的能效,能够根据使用环境的负荷实时调整机组的运行能力,使得单元机的运行逻辑能够与动态变化的负荷进行快速精确的匹配和调整,单元机始终运行在最节能的状态下,产品全年运行都处于高效状态,并有效提升客户的舒适性。在安全防护方面,通过机组控制逻辑实现恶劣运行工况和意外情况的自动防护,确保机组能够安全运行。目前各企业均提出相应的控制方案,所采取的技术路线各有不同,是企业的核心技术,与企业的自身设计水平和对于客户需求的了解程度有很大关系,整体控制技术的水平参差不齐。

虽然我国已是全球制冷空调设备的制造大国,但在产品的系统控制技术方面与国外厂家还有一定的差距,控制技术及其相应的控制元件还主要依赖进口,特别是在变频调速控制技术方面。国内仅有少数大型企业掌握了相关核心技术,是我国单元机节能发展的瓶颈。对用户需求和使用特点的研究,确保控制逻辑的研发适应客户的使用习惯,也是今后需要重点开展和突破的工作。此外,空调产品智能化的趋势越来越明显,智能化将契合云技术、大数据对产品的控制技术提出新的需求,单元机的模糊控制系统、智能化、大数据化技术是今后主要发展趋势。

3  总结

通过对单元机节能技术的企业应用现状和文献的调研分析及总结,笔者对单元机的节能技术应用现状和发展趋势进行了归纳,主要内容如下:

1)压缩机节能技术:通过压缩机的结构优化、变负荷调控、应用高效电机等措施实现压缩机节能。采用环保替代工质的压缩机能效提升、压缩机的高效变频调速技术以及大冷量机组的无油化技术将是未来压缩机节能技术的主要发展方向。

2)高效换热技术:采用高效强化换热技术,如翅片管结构优化、强化换热管的应用一直伴随着单元机产品节能技术的发展,已经在行业内成熟应用。小管径换热管、微通道换热器在风冷式单元机产品的应用可以减少制冷剂充注量、降低成本、提高能效,也是单元机产品节能的主要方向之一。未来需要在传热特性研究、加工工艺优化、热泵除霜技术以及成本降低等方面开展相应的技术攻关和突破。风冷式单元机的换热器结霜也是未来需要重点解决的关键问题。

3)节流装置节能技术:目前行业普遍采用电子膨胀阀实现制冷剂流量的精确调节,具有精度高、动作快速准确、节能效果明显等优点,并能够与其他智能控制方法相结合,在单元机产品中广泛成熟应用。该项节能技术未来会随着控制技术的不断发展而发展,以适应机组对于节能、舒适性的更高要求。

4)制冷剂替代技术:根据替代制冷剂的特性开展相关的技术研究内容和产品开发将会对单元机整体节能水平产生深远影响,现阶段及未来单元机产品主要采用R32,HFOs和HCs等替代制冷剂,随着制冷剂淘汰管理计划的不断升级,单元机可能采用的制冷剂要向着更低GWP值的制冷剂发展。

5)系统控制节能技术:目前各企业均提出相应的控制方案,整体控制技术水平参差不齐,技术成熟度还有待提高。随着技术的不断进步,模糊控制系统、智能化、大数据化技术是未来系统控制技术的发展趋势。


本文选自《制冷与空调》2019年6月刊,作者:张秀平  吴俊峰  庞旭东  孟少飞  赵盼盼  程立权;未经许可,不得转载





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