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与空调匹配

2020-07-27
压缩机是制冷系统中技术含量最高、难度最大、生产过程最复杂的关键部件,是制冷系统的心脏,压缩机品质的好坏直接影响着制冷系统的好坏。反过来,制冷系统设计与匹配的好坏则决定着压缩机的工作状态。

  六大方向可提升能效

空调器的耗能部件主要有:压缩机、室内风机、室外风机、控制系统、风向电机、待机能耗等。其中除了待机能耗尚不在国际标准的规范范围中外,压缩机是空调器的主要耗能元件,约占总能耗的88%%以上。因此,压缩机效率的提高将直接带来空调器效率的提高。
理论上讲,任何能够减小压缩机损失的措施均能够提高压缩机的效率。问题的关键在于所采取的措施是否是针对压缩机的主要损失。更大的困难是,不同类型的压缩机、不同制造商的压缩机主要损失也不同。因此,要提高压缩机的效率就必须对具体的压缩机有深刻的了解和认识,这意味着大量的基础技术工作,也是国内压缩机企业的薄弱环节。
这里仅从一般意义上对提高压缩机效率的措施进行分析。第一,改进电机效率,电机效率的提高意味着压缩机电效率的提高和压缩机总体效率的提高;第二,减小摩擦功耗,减小摩擦功耗意味着机械效率的提高;第三,改进气阀,气阀运动规律的正确与否、弹簧力与气流推力的合理匹配、结构参数的优化、流动阻力的降低、因气阀造成的余隙容积的控制等任何方面的改进均可提高压缩机的效率;第四,降低吸、排气压力损失和压力脉动;第五,提高温度系数;第六,提高容积系数;第七,减小泄漏,即提高泄漏系数。

  变工况性能最重要

毫无疑义,提高压缩机的能效将直接带来空调器的节能。由于压缩机为主要耗能部件,所以这将是最有效的节能手段。而且压缩机的能效提高主要依靠技术改进而不是大幅度增加材料的消耗,这也是技术经济性最好的节能手段。
不过,需要注意的是,压缩机的能效为了衡量、比较的方便,是统一在一个特定的运行工况下测定的。压缩机制造商为了获得较高的能效评价,开发设计高效压缩机也是针对这个特定的工况进行的。但空调器在性能测试时,压缩机的运行工况往往不是其设计工况,而且这个运行工况还因不同的空调器设计而变化。更进一步,空调器在实际运行时的工况也不是空调器的测试工况,更不是压缩机的设计工况,它将随使用环境即环境温度和用户设定的室内温度而变化。
这样压缩机实际运行时的能效与其设计工况下的能效相比就出现了两个层次上的变数:空调器的具体设计(取决于空调器制造商)以及使用环境。那么单纯追求压缩机在设计工况下的高效率就失去了节能的意义。
由此提出了压缩机变工况性能的概念:压缩机的能效应当在较宽广的范围内保持较高,这样在空调器中实际运行时才能够获得良好的节能效果。

  空调整机决定压缩机工况

从空调器设计的角度看,高效压缩机可以提高空调器的效率。但反过来空调器能效的提高并不完全依赖于压缩机。换句话说,可以用较低效的压缩机开发出较高效的空调器,用高效压缩机也会制造出低效空调器。一切取决于在空调器按国家标准规定的测试工况测试时压缩机的实际运行工况。
目前一些空调器厂家采用高效压缩机、较小的换热器制造低能效空调器以降低成本就是这个道理。这时由于较大的换热温差导致压缩机的排气压力较高、吸气压力较低,从而使压缩机压力比较大,制冷能力较低、效率也较低。开发高效空调器需要加大换热器。
因此,从空调器的设计角度看,要提高空调器的效率包含两个方面:一方面是在国家标准规定的、固定的测试工况下设计空调器时使空调器具有较高的效率,其中包含着充分发挥压缩机的制冷能力和高效率的含义;另一方面则是空调器变工况运行的概念:空调器应当在较宽广的范围内保持较高的能效,这样在空调器实际运行时才能够获得良好的节能效果。

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  COP值

从理论上讲,将一定量的气体从确定的吸气压力压缩到确定的排气压力,所消耗的理论功是一定的,这就是压缩机所需的最小功率,是压缩机性能改进的目标,压缩机的能耗越接近这一最小值,其效率就越高。
但实际上,由于压缩过程的各种损失不可避免,压缩机的实际能耗必然要大于理论上的最小值。从而需要引入COP的概念来衡量压缩机效率的高低。它是压缩机的制冷量与压缩机的输入功率(从电机段输入,包含电机的效率)之比。即:COP=压缩机的制冷量/压缩机电机的输入功率。

  压缩机能耗

COP越大、压缩机效率越高。影响压缩机COP的因素就是各种实际损失。这些实际上不可避免的能耗损失包括以下几个方面:
  1.由于流动阻力的存在,实际的吸气压力要低于名义吸气压力、实际的排气压力要高于名义排气压力。这些流动阻力包括气体通过吸、排气消音器的压力降;通过吸、排气管道的压力降;通过气阀的压力降;通过吸、排气腔的压力降;通过壳体内部和内置电动机的压力降等。
  2.由于机械结构方面的原因,压缩机的工作容积往往不能够达到零,而是一个最小值(称为余隙容积)。在排气结束时,余隙容积中难免残留一部分高温高压气体。吸气过程开始后,外界气体并不能立刻进入工作容积,而是其内的高压高温残留气体首先进行膨胀,占据了一部分工作容积,减小了有效吸气容积、造成容积效率下降。在实际循环中则多出了一个膨胀过程3秒-4秒。
  3.吸气预热的影响。压缩机吸入的气体在流经各种金属壁面时,由于这些壁面的温度往往高于气体温度,气体被加热、温度上升。另外,气体进入气缸后与经膨胀后的高温气体混合,也使吸入气体的温度上升。这种吸气预热的作用使得吸入气体的温度高于吸气温度、体积膨胀。尽管压缩机吸入的气体体积不变,但由于吸热膨胀,吸入气体的质量下降,使压缩机质量流量降低。
  4.由于压缩机内部流动阻力、机械摩擦和热交换的存在,压缩过程不再是等熵过程而成为多变过程。
  5.由于吸、排气腔和吸、排气管路中存在气体压力脉动,吸、排气过程不再是平直的直线而成为波动的曲线。
  6.在压缩机工作循环中自始至终存在着高压气体向低压区的泄漏。经压缩后的高压气体再泄漏至低压区无疑会降低压缩机的效率。
  7.与理论循环不同,压缩机实际循环中始终存在着机械摩擦损失。
8.电机的损失,主要包括铁损、铜损、漏磁等。

  言论

  谁为高效买单
  陈飞

  按照北京工业大学李红旗教授的技术分析,在空调器高效问题上,空调整机厂家起着尤为关键的作用。一个很明显的事实是,空调整机厂家所采用的压缩机品牌或者种类无非就那几种,但综观空调产品市场能效水平却截然不同,这里面空调整机厂家的技术水平便具有决定性的作用。正如李红旗所说:“一切取决于在空调器按国家标准规定的测试工况测试时压缩机的实际运行工况。”
  从这个道理上来讲,空调整机厂家是应该为如今空调产品市场表现的低能效水平负责的。目前市场上1级和2级能效的空调器竟不足10%%,对比冰箱市场1级和2级能效的产品高达90%%以上,空调器的能效现状令人担忧。在过去的几年里,空调整机厂家做得最多的是跟市场诉说:“实现空调器的高能效,技术不是问题,最大的问题是成本!”不得不承认这句话的正确性。但空调器能效迟迟上不来的最终根结也在这句话,即成本问题!
  技术专家告诉我们,实现空调器的节能并不只有提高压缩机COP值的办法,改变空调的换热器效率其实更加有用。采用后一种方法要做的第一件事情可能就是增加两器面积,这样带来的将是成本的直接增加。实际上,为了规避成本的大幅增加,从2004年空调实行能效标准之后,空调整机厂家实现高效最普遍采用的方法是,将压力转给压缩机厂家,同时自己采用较小的换热器。在采访中,压缩机厂家为此深感无奈和疲惫,可是随着空调整机企业愈益集中带来的压缩机行业竞争的加剧,压缩机厂家仍在默默接受。
  面对2009年空调器的能效标准升级,压缩机厂家现在说得最多的一句话是:“在如今的基础上再要拔高压缩机能效,空调整机厂家想不增加成本那是不可能的,压缩机厂家已无法独立承担成本的增加!”
  空调器高效究竟应该谁来买单?或许是到了由空调整机厂家负责的时候了。冰箱的高效也不只是单靠压缩机来实现,它也需要增加发泡剂、改变散热器结构等各种增加成本的手段。冰箱整机厂家可以做到,空调整机厂家同样可以做到。从市场的销售情况来看,高效空调也并非没有销路,一些厂家将高效与健康技术结合起来不仅取得了市场认同,而且还因此树立了良好的高端品牌形象。消费者其实是愿意为高效买单的。空调整机厂家应开始转变思路,一为标准,二为消费者。

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