单元式空气调节机节能技术应用现状及发展趋势

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。

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。

图2  两台压缩机并联典型结构示意图

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。