单元式空气调节机节能技术应用现状及发展趋势

图3  微通道换热器结构示意图

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。

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