基于氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)的變頻房間空調(diào)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(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049；2 廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311)

房間空調(diào)器是建筑系統(tǒng)中的能耗大戶，關(guān)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(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)要求同時考核房間空調(diào)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(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)的實施給房間空調(diào)器的設(shè)計優(yōu)化帶來了新的考驗[2-3]。

翅片管換熱器作為房間空調(diào)器的重要組成部分，其綜合性能直接影響整機系統(tǒng)的制冷/制熱量及能效[4-6]。APF標(biāo)準(zhǔn)要求同時考核系統(tǒng)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(nèi)側(cè)為冷凝/蒸發(fā)兩種模式切換。但研究表明，制冷劑在冷凝/蒸發(fā)兩種過程中的管內(nèi)換熱及壓降特性不同，這給APF標(biāo)準(zhǔn)下的換熱器流路設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。對于翅片管換熱器，最佳分路數(shù)是管內(nèi)側(cè)壓降與管內(nèi)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相互均衡的結(jié)果。具體而言，管內(nèi)制冷劑側(cè)壓降為摩擦壓降、加速壓降和重力壓降之和；當(dāng)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(nèi)作減速運動，加速壓降為負，因此，冷凝過程制冷劑側(cè)壓降較小，通常僅為5～40 kPa，即制冷劑側(cè)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(shù)以增強管內(nèi)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，提升換熱器綜合性能[7-8]。與冷凝過程相反，當(dāng)室外換熱器作蒸發(fā)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(nèi)蒸發(fā)過程的進行制冷劑作加速運動，加速壓降為正，即蒸發(fā)器制冷劑側(cè)壓降較大，通?？蛇_30～150 kPa，壓降過大會使系統(tǒng)功耗增加，性能下降。因此，為降低蒸發(fā)過程制冷劑側(cè)壓降，通常需要增大換熱器分路數(shù)以減小制冷劑管內(nèi)流速[9]。綜上所述，空調(diào)器室外換熱器在冷凝模式下的最佳分路數(shù)小于蒸發(fā)模式下的最佳分路數(shù)，而APF標(biāo)準(zhǔn)下，提升系統(tǒng)性能時需要同時考慮兩種模式，故如何在不增加蒸發(fā)模式制冷劑側(cè)壓降的前提下減小換熱器分路數(shù)是一個亟待解決的問題。研究表明，室外換熱器作蒸發(fā)器時，應(yīng)用氣體旁通技術(shù)可有效降低制冷劑側(cè)壓降，即：應(yīng)用氣體旁通技術(shù)可在相同制冷劑壓降的條件下，減小換熱器分路數(shù)，提升換熱器在APF標(biāo)準(zhǔn)下的綜合性能[10-13]。

通常氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)是指在蒸發(fā)器進口布置氣液分離裝置，將蒸發(fā)產(chǎn)生的氣相制冷劑分離旁通至蒸發(fā)器出口，僅液相制冷劑進入后半段蒸發(fā)器進行換熱，從而減小蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑平均流速，降低制冷劑側(cè)壓降。此外，對于圓管內(nèi)制冷劑蒸發(fā)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(huán)狀流、霧狀流和單氣相流；在泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流區(qū)域，隨制冷劑干度增加，由于制冷劑管內(nèi)平均流速的增加，管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大；而在霧狀流區(qū)域，由于制冷劑干度過大，管內(nèi)表面液膜被破壞，導(dǎo)致傳熱惡化，傳熱系數(shù)急劇下降，這極大影響了蒸發(fā)器的換熱性能；應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可以降低后半段蒸發(fā)器內(nèi)部的制冷劑平均干度，減小蒸發(fā)器傳熱惡化區(qū)域(霧狀流區(qū)域)的面積[14]。

圖1所示為現(xiàn)有三種氣體旁通蒸發(fā)結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，常規(guī)氣體旁通蒸發(fā)系統(tǒng)將氣液分離器布置于節(jié)流閥后，對節(jié)流產(chǎn)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(fā)器進行換熱，同時在氣相支路設(shè)置控制閥以平衡蒸發(fā)器管內(nèi)流動壓降。此外，T型管也用于氣體旁通蒸發(fā)系統(tǒng)，如圖1(b)所示，H.Tuo等[15-17]針對微通道空調(diào)器系統(tǒng)，在蒸發(fā)器前利用T型管進行氣液分離，以提高微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑分布均勻性并降低蒸發(fā)器制冷劑側(cè)壓降，實驗結(jié)果表明在壓縮機頻率不變的情況下，系統(tǒng)制冷量提升了13%～18%，能效提升了4%～7%。然而，當(dāng)冷凝器出口的制冷劑過冷度較大時，制冷劑經(jīng)節(jié)流閥膨脹產(chǎn)生的氣相制冷劑較少，此時在節(jié)流閥后直接旁通氣相制冷劑對系統(tǒng)性能的提升有限，即：圖1(a)和圖1(b)所示結(jié)構(gòu)在大過冷度工況下應(yīng)用時，對系統(tǒng)性能提升效果有限。實際上，在蒸發(fā)器流程內(nèi)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(nèi)正毅等[18]利用圓管內(nèi)蒸發(fā)過程環(huán)狀流區(qū)域的流型特性，在“氣芯”處插入旁通管，在蒸發(fā)器流程內(nèi)部將氣相制冷劑旁通至蒸發(fā)器出口，可使系統(tǒng)制冷量提升2%～9%。但圖1(c)所示氣體旁通蒸發(fā)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)運行穩(wěn)定性要求較高，難以適應(yīng)環(huán)境工況及熱負荷的變化。針對這一問題，F(xiàn)an Chaochao等[19]將一個獨立的氣液分離器布置于翅片管蒸發(fā)器流程內(nèi)部(即本文所述方案)，并構(gòu)建了相應(yīng)氣體旁通蒸發(fā)器的仿真模型，根據(jù)熵產(chǎn)最小化原理得出最佳的氣液分離位置在蒸發(fā)器流程的25%～40%之間；仿真結(jié)果表明，相比于在節(jié)流閥后直接旁通氣體的方案，該方案可降低蒸發(fā)器總熵產(chǎn)4%～15%，有效提升蒸發(fā)器綜合性能。此外，F(xiàn)an Chaochao等[20]將該氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)應(yīng)用于實際空氣源熱泵系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可使系統(tǒng)的制熱COP提升5%以上。除了提升系統(tǒng)性能外，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可降低后半段蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量，故可適當(dāng)減小后半段蒸發(fā)器的分路數(shù)以強化傳熱；如此，在不增加蒸發(fā)器制冷劑壓降的條件下減小了蒸發(fā)器分路數(shù)，當(dāng)空調(diào)器切換到制冷模式時，室外換熱器作冷凝器，此時分路數(shù)減小可以有效提升整機制冷性能。

圖1 三種氣體旁通蒸發(fā)結(jié)構(gòu)Fig.1 Three existing vapor-bypassed evaporation structures

目前鮮有關(guān)于利用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)同時提升系統(tǒng)制熱及制冷性能的研究。本文基于GB 21455—2019標(biāo)準(zhǔn)[1]，實驗研究了氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)對房間空調(diào)器不同負荷下性能的影響規(guī)律，研究了氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)提升房間空調(diào)器APF指標(biāo)的根本原因，研究成果可豐富房間空調(diào)器APF提升的技術(shù)途徑，為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)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(fā)技術(shù)應(yīng)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(fā)流程下，制冷劑先分兩路流經(jīng)6個U型管，后分成5路流經(jīng)20個U型管。氣體旁通蒸發(fā)方案的室外換熱器如圖2(b)所示，蒸發(fā)模式下，與原型機不同，制冷劑分兩路流經(jīng)前半段蒸發(fā)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(xù)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(nèi)制冷劑質(zhì)量流量減小，故將分路數(shù)從原型機的5路調(diào)整為2分3路，以增加管內(nèi)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(fā)技術(shù)的應(yīng)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(fā)方案具有以下優(yōu)勢：

1)制熱模式下，室外換熱器作蒸發(fā)器，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可降低蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑平均干度，進而減小霧狀流傳熱惡化區(qū)域的面積，實現(xiàn)蒸發(fā)器傳熱面積的高效利用；

2)制熱模式下，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可減小制冷劑管內(nèi)平均流速，在合理的分路數(shù)設(shè)計下，可有效降低蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑流動壓降，從而減小由于蒸發(fā)器壓降產(chǎn)生的不可逆損失，提升系統(tǒng)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(jīng)20個U型管，而后合并成兩路流經(jīng)剩余6個U型管；而對于氣體旁通蒸發(fā)方案的室外換熱器，制冷劑分成3路流經(jīng)12個U型管，然后匯合成2路流經(jīng)剩余14個U型管；如前文所述，冷凝模式下，適當(dāng)減小換熱器分路數(shù)可強化傳熱，提升換熱器綜合性能，故氣體旁通蒸發(fā)方案的室外換熱器由于其分路數(shù)更少，管內(nèi)制冷劑流速更高，擾流加劇，換熱更強，綜合性能更優(yōu)。

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

如圖2(b)所示，氣體旁通蒸發(fā)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(nèi)部制冷劑側(cè)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(jīng)換熱便被旁通，以保證系統(tǒng)正常工作。實驗在標(biāo)準(zhǔn)3P焓差實驗室內(nèi)進行，系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)制冷/制熱量的相對測量精度為±1%，系統(tǒng)輸入功率采用功率計測量，量程為0～3.5 kW，精度為±0.5%?？照{(diào)器性能系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)要求考核5個工況下的空調(diào)器性能，各工況的測試條件如表2所示[1]。

表1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Specifications of the system component

表2 環(huán)境工況條件Tab.2 Environmental conditions

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 制熱工況系統(tǒng)性能對比

圖3所示為氣體旁通蒸發(fā)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(fā)技術(shù)對空調(diào)器制熱性能的提升情況，實驗中通過調(diào)整壓縮機運行頻率使氣體旁通蒸發(fā)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(dāng)制熱量為2～5 kW時，氣體旁通蒸發(fā)方案的COP比原型機提高2.5%～7.2%。綜上可知，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可有效提升空氣源熱泵系統(tǒng)的性能，且氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)在高制熱量工況下具有更大的應(yīng)用潛力。為了研究氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)提升空調(diào)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(fā)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(dāng)制熱量從2 kW增至5 kW時，氣體旁通蒸發(fā)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?？梢?，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)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(tǒng)性能。

圖4 兩種方案蒸發(fā)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(tǒng)性能對比

制冷模式下，空調(diào)器室外換熱器作冷凝器，其內(nèi)部制冷劑壓降較小，因此適當(dāng)減小換熱器分路數(shù)可有效提升系統(tǒng)性能。應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可在保證系統(tǒng)制熱性能的前提下，減小室外換熱器分路數(shù)，從而提升系統(tǒng)制冷性能。圖5所示為不同負荷下，氣體旁通蒸發(fā)方案與原型機制冷性能的對比。由圖5可知，當(dāng)空調(diào)器制冷量從1.5 kW增至4.5 kW，氣體旁通蒸發(fā)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(diào)器制冷量越小，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)對空調(diào)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(shù)較多，管內(nèi)制冷劑流速過低，導(dǎo)致管內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)過低，嚴(yán)重影響系統(tǒng)COP，此問題在小制冷量工況對系統(tǒng)性能的影響下愈發(fā)明顯。因此通過減小換熱器分路數(shù)提升管內(nèi)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可有效提升系統(tǒng)在小制冷量工況下的性能。

圖5 氣體旁通蒸發(fā)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(diào)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(tǒng)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(shù)后，管內(nèi)制冷劑平均流速增加，換熱器制冷劑側(cè)壓降增大；但由于管內(nèi)擾動增強，對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加，相同換熱量下平均傳熱溫差減小。減小換熱器分路數(shù)后，室外換熱器入口壓力相比原型機降低，即此時傳熱系數(shù)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(dāng)減小換熱器分路數(shù)可提升空調(diào)器制冷性能。實驗結(jié)果表明，當(dāng)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)下系統(tǒng)性能對比

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

圖7 APF標(biāo)準(zhǔn)考核工況下系統(tǒng)性能對比Fig.7 Comparison of system performance under the APF required conditions

表3 系統(tǒng)APF指標(biāo)對比Tab.3 Comparison of the system APF index

根據(jù)GB 21455—2019標(biāo)準(zhǔn)[1]，氣體旁通蒸發(fā)方案的APF指標(biāo)較原型機可提升6.4%。

3 結(jié)論

對于房間空調(diào)器，針對常規(guī)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(fā)技術(shù)應(yīng)用于室外換熱器，在提升系統(tǒng)制熱性能的條件下，有效減小換熱器分路數(shù)，可同時提升系統(tǒng)制冷性能。根據(jù)GB 21445—2019標(biāo)準(zhǔn)[1]要求的測試工況，本文搭建了相應(yīng)測試平臺，并對比研究了氣體旁通蒸發(fā)系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的性能差異。得到如下結(jié)論：

1)制熱模式下，當(dāng)空調(diào)器制熱量為2～5 kW時，氣體旁通蒸發(fā)系統(tǒng)的COP比原型機提高了2.5%～7.2%，即氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)更適用于大制熱量工況。

2)制冷模式下，當(dāng)系統(tǒng)制冷量為1.5～4.5 kW時，應(yīng)用氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)可提升系統(tǒng)COP 8.6%～3.5%，即制冷模式下，氣體旁通蒸發(fā)技術(shù)更適用于小制冷量工況。

3)根據(jù)GB 21445—2019標(biāo)準(zhǔn)[1]，相比于原型機，氣體旁通蒸發(fā)系統(tǒng)的全年能源消耗效率APF提升了6.4%；綜上，氣體旁通蒸發(fā)是一種提升房間空調(diào)器綜合性能的有效技術(shù)途徑。