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　　單元式空氣調節(jié)機（以下簡稱“單元機”）是一種向封閉空間、房間或區(qū)域直接提供經(jīng)過處理空氣的設備。它主要包括制冷系統(tǒng)以及空氣循環(huán)和凈化裝置，還可以包括加熱、加濕和通風裝置。由于其具有結構緊湊、占地面積小、安裝與使用方便的特點，近年來市場規(guī)模保持平穩(wěn)增長，廣泛應用于商業(yè)、服務業(yè)等國民生活的各個領域，是集中式空調主機產(chǎn)品中的重要一員。

　　據(jù)統(tǒng)計，2012年我國單元機年耗電量達364.9億千瓦時，我國全社會總用電量49 591億千瓦時，單元機產(chǎn)品年耗電量約占我國全社會總用電量的0.74%，單元機產(chǎn)品的總耗電量巨大，隨著產(chǎn)品市場的不斷增長，其總耗電量將進一步增長。利用相關節(jié)能技術，*大限度地降低單元機的運轉能源消耗具有重要意義。筆者從單元機理論循環(huán)特性的節(jié)能途徑分析入手，通過對文獻和企業(yè)應用進行調研，對單元機相關節(jié)能技術應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行歸納總結，給出各節(jié)能技術的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為單元機產(chǎn)品后續(xù)的研發(fā)提供參考。

　　1 基于理論循環(huán)特性的單元機節(jié)能途徑

　　單元機的理論循環(huán)為蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，可概括為壓縮、冷凝、膨脹和蒸發(fā)4個過程，如圖1所示。從理論循環(huán)角度出發(fā)，要想提高產(chǎn)品能效水平，在滿足用戶使用及能效測試工況條件下應盡可能提高蒸發(fā)溫度、降低冷凝溫度，減少壓縮機、風機等動力設備的輸入功率，采用高效控制方式和*佳的制冷劑充注量等。單元機產(chǎn)品的節(jié)能技術應用如圖1所示，將其主要歸納為5類：壓縮機節(jié)能技術、換熱器節(jié)能技術、節(jié)流裝置節(jié)能技術、制冷劑技術及系統(tǒng)控制節(jié)能技術。

　　圖1 基于理論循環(huán)特性的單元機節(jié)能技術樹圖

　　2 單元機節(jié)能技術應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　基于上述單元機理論循環(huán)特性的節(jié)能途徑，筆者對國內單元機10家主流生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能技術應用情況進行了現(xiàn)場和問卷調研，結合國內外公開發(fā)表的單元機節(jié)能技術文獻，總結歸納單元機典型節(jié)能技術應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

　　2.1 壓縮機節(jié)能技術

　　壓縮機是單元機的核心部件和主要耗能部件，其能效和品質的高低直接決定單元機的能效和品質。行業(yè)上單元機壓縮機節(jié)能技術的研究主要包括結構優(yōu)化、變負荷調控、應用高效電機等。

　　2.1.1 結構優(yōu)化設計

　　結構優(yōu)化主要是指通過壓縮機機械結構和傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計和制造工藝改進實現(xiàn)壓縮機的高效運行，可以通過壓縮機的熱力、動力學優(yōu)化設計，高效潤滑以及加工精度提升等手段實現(xiàn)，與企業(yè)的設計制造水平直接相關。在轉子式壓縮機的設計、制造方面，我國已處于國際**水平；但渦旋式壓縮機的設計、制造的核心技術主要掌握在少數(shù)國外企業(yè)手中，需要在后續(xù)研究中重點突破。

　　2.1.2 變負荷調控

　　單元機節(jié)能的關鍵在于機組運行的優(yōu)化，使機組根據(jù)使用環(huán)境負荷的變化調節(jié)其運行狀態(tài)，實現(xiàn)全年不同負荷條件下的高效運行。對于單元機的變負荷調控，國內外生產(chǎn)企業(yè)應用*廣泛的節(jié)能技術包括壓縮機變頻調速技術和壓縮機并聯(lián)技術。

　　1）變頻調速技術

　　變頻調速技術是通過改變電源頻率改變壓縮機轉速，產(chǎn)生不同的排氣量，從而使制冷/制熱量增大或減小，以此滿足使用環(huán)境負荷變化，使壓縮機電機的輸出功率隨使用環(huán)境負荷動態(tài)供給，實現(xiàn)單元機的節(jié)能運行。壓縮機通過變頻調速方式使得制冷/制熱量和用戶負荷在目標溫度下達到平衡，然后維持低速運轉、不需要停機，能夠避免較大的啟動電流造成的損失和停機后壓差平衡損失，且可以避免啟動過程對電網(wǎng)的沖擊。對相關企業(yè)調研得知，壓縮機采用變頻調速后，相對于定頻機組，單元機的能效水平可以有效提升，但能效水平的提升幅度與企業(yè)的控制技術水平、所采取的技術手段等有很大關系，能效水平可以提升5%~30%。

　　對于壓縮機變頻調速技術而言，變頻電機包括三相異步電機和永磁同步電機。目前行業(yè)內單元機壓縮機的變頻調速主要采用三相異步電機與變頻器相結合的方式，通過室內溫度信號的反饋控制變頻器的頻率，實現(xiàn)三相異步電機轉速的調節(jié)，技術相對成熟，已在行業(yè)內廣泛推廣。采用三相異步電機變頻技術的單元機產(chǎn)品結構簡單、運行可靠、技術成熟、價格低廉，暫時不會被其他產(chǎn)品完全替代，小型化、模塊化應該是其發(fā)展方向之一。永磁同步電機變頻技術近年來發(fā)展迅速，在家用空調領域已經(jīng)成熟應用，但受制于成本和技術等壓力，在單元機產(chǎn)品的應用還較少，需要進一步開展相關技術攻關和突破。

　　單元機變頻調速技術未來的發(fā)展方向為高舒適度、高能效、更智能、更方便安裝、網(wǎng)絡控制、與建筑裝修更和諧等，開發(fā)核心控制技術、降低變頻調速技術成本、開展空調負荷需求響應調節(jié)方法研究等將是今后的技術研發(fā)重點。

　　2）壓縮機并聯(lián)技術

　　壓縮機并聯(lián)技術通過開停部分壓縮機調節(jié)單元機的冷量輸出以及能耗水平，是單元機在部分負荷條件下的主要節(jié)能手段之一，相較于單一定頻壓縮機更加節(jié)能。壓縮機并聯(lián)系統(tǒng)主要有重力油平衡式并聯(lián)系統(tǒng)、差壓油平衡式并聯(lián)系統(tǒng)等低壓油槽壓縮機并聯(lián)系統(tǒng)，高位交叉泄油式并聯(lián)系統(tǒng)、外置油分離器集中供油式并聯(lián)系統(tǒng)、油氣平衡式并聯(lián)系統(tǒng)等高壓油槽壓縮機并聯(lián)系統(tǒng)。圖2所示為一種2臺壓縮機并聯(lián)的典型結構示意圖。該項節(jié)能技術由于成本低、技術成熟，在行業(yè)內廣泛應用。但與變頻調速技術相比，其調節(jié)能力、精度和響應速度等還具有一定的局限性。隨著變頻調速技術的發(fā)展和成本的降低，該項技術未來會被變頻調速技術所替代。

　　圖2 兩臺壓縮機并聯(lián)典型結構示意圖

　　2.1.3 高效電機

　　單元機應用*廣泛的電機為感應電機，其結構及工藝簡單、技術成熟、成本低、壽命長，但噪聲較高、效率低，無法滿足高能效產(chǎn)品的應用。高效電機的應用，主要包括三相變頻感應電機和永磁同步電機。對于普通的感應電機，國內的設計技術與國外基本相當，但制造技術及裝備自動化方面還有很大的差距，產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待提高。對于高效變頻電機，無論采用三相異步電機或是永磁同步電機，都需要控制器與電機匹配達到*佳的輸出參數(shù)。電機本體的設計國內與國外的技術相當，但控制的核心技術無論是硬件（如芯片）還是軟件（如算法）主要被國外企業(yè)所掌握，國內僅有少數(shù)大型企業(yè)掌握了該項技術，未來需要重點攻關。

　　在未來發(fā)展方面，感應電機由于具有技術成熟、價格低等特點，預計短時間內不會被其他產(chǎn)品完全替代，小型化、模塊化應該是其發(fā)展方向之一。隨著技術的不斷發(fā)展，變頻電機尤其是永磁電機的市場份額會不斷擴大。

　　2.2 高效換熱技術

　　高效換熱技術是以提高單元機換熱器的傳熱效率為目標，常用的高效換熱技術包括強化傳熱技術、小管徑換熱器和微通道換熱器技術、高效除霜技術等。

　　2.2.1 換熱器強化傳熱技術

　　在實際應用中，強化傳熱技術是實現(xiàn)換熱節(jié)能的主要途徑之一。目前，單元機的換熱器強化傳熱主要包括管內側和管外側強化傳熱。管內側強化傳熱技術主要采用內螺紋管、橢圓管等強化傳熱管，提高管內傳熱面積和傳熱系數(shù)。管外側強化傳熱技術主要通過改變翅片的片型和幾何結構，加強流體流動過程的湍動程度，從而達到強化傳熱的目的。上述換熱器的強化傳熱技術的應用貫穿于單元機的發(fā)展，多年來開展了大量的研究。未來強化傳熱技術將不斷發(fā)展，開發(fā)出傳熱效率更高、阻力更低的傳熱管，采用更加**的管外強化翅片結構和布置方式等。

　　2.2.2 小管徑換熱器技術

　　小管徑換熱器技術是基于小管徑（管外徑≤7 mm）內螺紋銅管的一種節(jié)能高效換熱器技術，其核心是在傳統(tǒng)銅管鋁翅片換熱器中采用小管徑高效內螺紋銅管替代原有較大管徑（管外徑≥9.52 mm）銅管，并對翅片和流路進行優(yōu)化設計，從而提高換熱效率。小管徑換熱器可以有效降低換熱器的成本、降低系統(tǒng)制冷劑充注量和提高能效。目前，Φ7 mm銅管換熱器在房間空調器中已經(jīng)大規(guī)模成熟應用，且加工工藝成熟，在單元機中也有一定的應用。采用Φ5 mm銅管換熱器可以進一步降低換熱器的成本、減少系統(tǒng)制冷劑充注量，在房間空調器中已有一定的應用，但機組可靠性需要進一步提升；在大冷量單元機產(chǎn)品中，Φ5 mm銅管換熱器的應用很少。隨著國內替代制冷劑的不斷應用，對于系統(tǒng)制冷劑充注量有著更加嚴格的要求，將會有效推動Φ5 mm銅管換熱器的應用。未來小管徑銅管換熱器的主要研究內容包括加工工藝優(yōu)化、制冷劑與管徑優(yōu)化匹配以及產(chǎn)品可靠性的提升等。

　　2.2.3 微通道換熱器技術

　　微通道換熱器通常是指水力當量直徑小于1 mm的換熱器。微通道換熱器采用全鋁結構制成, 通常由具有多個平行小孔的扁管、鋁帶開窗折疊成型的翅片以及集流管組成, 其結構如圖3所示。

　　圖3 微通道換熱器結構示意圖

　　與銅管鋁翅片換熱器相比，微通道換熱器翅片與扁管間采用釬焊技術，消除由換熱管到翅片間的接觸熱阻，提高了導熱性能；微通道換熱器由于應用了扁管，其產(chǎn)生的熱邊界層有益于強化空氣側的傳熱；微通道換熱器空氣側的氣流組織更好，減小了迎風阻力和由此而產(chǎn)生的噪聲，可有效降低風機功率；微通道換熱器中多孔扁管的使用，使得制冷劑被分成若干個平行通道，由于水力直徑明顯減小，換熱系數(shù)得到了較大的提高；此外，制冷劑被分布到若干個通道中，其質量流量和速度只是適當?shù)脑黾樱粫磉^多的內部壓力損失。由此可知，微通道換熱器的傳熱性能相對于銅管鋁翅片換熱器有著顯著的提高。相關研究表明，采用微通道換熱器的空調相較于翅片管式換熱器，可以有效減小產(chǎn)品體積、減少制冷劑充注量并提高系統(tǒng)能效水平。

　　與常規(guī)增加傳熱面積、采用表面結構強化流動傳熱不同，微通道換熱器不依靠增加材料消耗提高換熱器的傳熱效率。其特有的微尺度效應使得微通道換熱器具有翅片側空氣流動阻力小、換熱性能好以及制冷劑充注量少等顯著優(yōu)勢。微通道換熱器用作非熱泵空調設備的冷凝器比較簡單，國外已進入批量使用階段，應用于熱泵型產(chǎn)品時，在除霜方面存在一定的難度。在我國，微通道換熱器在家用空調器中有一定的應用，但在大型單元機中的應用較少。隨著常規(guī)換熱器能效提升空間逐漸縮小，微通道換熱器將成為攻克技術瓶頸、提升單元機能效的重要突破點，未來的研究內容和關鍵技術將體現(xiàn)在除霜控制技術、生產(chǎn)工藝改進、制冷/制熱工況切換、制冷劑均勻分配技術等方面。

　　2.2.4 高效除霜技術

　　空氣源熱泵型單元機在冬季運行時，受環(huán)境空氣溫濕度的影響，室外換熱器表面會結霜，不斷積聚的霜層使得室外空氣與制冷劑之間的傳熱熱阻逐漸變大，并且霜層會阻礙換熱器翅片間空氣的流動，阻礙盤管間的空氣流動，削弱換熱性能，這會使得系統(tǒng)蒸發(fā)溫度下降，壓縮機吸氣壓力下降，進而導致壓縮機運行能耗增加，系統(tǒng)性能系數(shù)降低，嚴重時甚至會停機。為保障空氣源熱泵型單元機的冬季運行效率，提高產(chǎn)品的舒適性與穩(wěn)定性，需要采用適當?shù)姆椒ㄒ种茡Q熱器表面結霜，或進行周期性除霜。采用高效除霜技術，可以有效提升單元機在結霜期間的能效水平。

　　目前，行業(yè)上普遍采用的除霜技術包括電加熱除霜、逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜等，近年來發(fā)展出相變儲熱除霜、高壓電場除霜和超聲波除霜等技術?？傮w來說，傳統(tǒng)的電加熱除霜、逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜方式需要通過額外消耗一定的能源或犧牲一定的熱量實現(xiàn)，其經(jīng)濟性有待提高；相變儲熱除霜系統(tǒng)能效水平高于逆循環(huán)除霜系統(tǒng)和熱氣旁通除霜系統(tǒng)，但現(xiàn)存的蓄熱器結構和蓄熱材質等問題導致蓄熱器體積較大且蓄熱量較少，因此無法得到推廣；高壓電場除霜及超聲波除霜的可靠性和經(jīng)濟性還需要進一步提高。因此，高效除霜技術將是空氣源熱泵型單元機主要技術研發(fā)方向，通過對結霜過程、除霜起始點的**判斷，做到**除霜和高效除霜，實現(xiàn)以*小的能耗投入完成除霜過程。

　　2.3 節(jié)流裝置節(jié)能技術

　　節(jié)流裝置主要用于調節(jié)制冷劑流量、控制吸氣過熱度及蒸發(fā)液位，節(jié)流流量的**調節(jié)對制冷裝置節(jié)能降耗起著非常重要的作用。目前，單元機常用的節(jié)流裝置有毛細管、熱力膨脹閥及電子膨脹閥。毛細管只能對流量作微小的調節(jié)，適用于負荷較穩(wěn)定的系統(tǒng)，在負荷變化大時，無法有效及時地改變制冷劑流量。熱力膨脹閥的感溫包有明顯的延遲特性，難以配合壓縮機排量對流量變化作出迅速而有效的反應，*終導致系統(tǒng)調節(jié)的振蕩，機器運轉不穩(wěn)定，甚至損壞壓縮機。目前，行業(yè)上單元機節(jié)流裝置節(jié)能技術主要通過電子膨脹閥實現(xiàn)。

　　電子膨脹閥用于單元機,可以實現(xiàn)制冷劑流量的自動調節(jié), 從而使系統(tǒng)始終保持在*佳的工況下運行, 達到快速制冷、溫度**控制和節(jié)能等目的。采用電子膨脹閥可以實現(xiàn)變頻調速單元機制冷劑流量的*適化，使單元機在*佳的工況下運行，尤其可以實現(xiàn)機組制冷中間部分負荷性能的優(yōu)化，提高綜合能效水平；可以提高機組低溫應用能力和除霜效率，利用電子膨脹閥的開度調節(jié)可以有效提升除霜后單元機能力的上升速率，以提高機組的低溫運行能效，在除霜的不同階段采用不同的壓縮機頻率及膨脹閥開度值，可大幅提高單元機融霜性能，從而提高單元機的能效水平；此外，可以通過調節(jié)電子膨脹閥的開度抑制低壓過低和壓縮機排氣溫度過高情況的發(fā)生，提升機組的可靠性。

　　單元機的節(jié)流裝置采用電子膨脹閥時，需要與系統(tǒng)控制技術相結合，企業(yè)技術水平的不同使得該項技術在節(jié)能方面的應用效果也不盡相同?？刂萍夹g水平的提升是節(jié)流裝置節(jié)能技術節(jié)能潛力*大化的前提。因此，隨著控制技術的不斷進步，節(jié)流裝置節(jié)能技術將在提高系統(tǒng)效率、變工況運行環(huán)境的負荷**調節(jié)以及改善使用環(huán)境舒適性的運行調節(jié)控制方面持續(xù)開展研究。

　　2.4 制冷劑技術

　　2.4.1 制冷劑定量充注技術

　　制冷劑充注量會直接對單元機的制冷量、消耗功率及能效產(chǎn)生影響。制冷劑的種類特性，與單元機的管路布置、結構設計等多方面因素發(fā)生關聯(lián)。因此，制冷劑定量充注對于單元機的能效水平的整體提高具有重要意義。該項技術適用于所有單元機，對于每一型號的單元機需要有合理的充注量設計范圍及試驗驗證，并在生產(chǎn)線上進行改進優(yōu)化，通過智能化控制，實現(xiàn)對單元機制冷劑的定量充注。目前該項技術被廣泛應用。

　　2.4.2 制冷劑替代技術

　　**變暖、臭氧層破壞是當今人類社會共同面臨的主要環(huán)境問題，**攜手合作應對氣候變化已成為各國的共識，制冷空調產(chǎn)品用制冷劑的替代工作就是此行動之一。單元機作為工商制冷行業(yè)HCFCs淘汰管理計劃的主要產(chǎn)品，也受制冷劑淘汰管理計劃的制約，需要對主要使用的R22制冷劑進行淘汰替換，R32制冷劑將是單元機的主要替代物。在技術層面，涉及替代制冷劑產(chǎn)品的可靠性、能效提升和減量充注技術，包括可燃性制冷劑安全防護技術、替代制冷劑的變工況運行特性研究、流動傳熱特性研究、潤滑油相容性研究等將是推動新型替代制冷劑推廣應用需要解決的關鍵技術，采用替代制冷劑的節(jié)能技術研究，將是今后相當長一段時間內單元機行業(yè)研究的重點。

　　在應用替代制冷劑的大背景下，根據(jù)替代制冷劑的特性開展相關的技術研究內容和產(chǎn)品開發(fā)將會對單元機整體節(jié)能水平產(chǎn)生深遠影響。

　　2.5 系統(tǒng)控制節(jié)能技術

　　單元機的控制技術主要目標為提高機組能效、改善舒適性以及保證機組的安全可靠性運行幾個方面。隨著智能控制技術的不斷發(fā)展，近年來單元機在控制方面又增加了智能化功能的控制問題。在高效節(jié)能和舒適性控制方面，要求空調器在較寬的工況范圍內都具有較高的能效，能夠根據(jù)使用環(huán)境的負荷實時調整機組的運行能力，使得單元機的運行邏輯能夠與動態(tài)變化的負荷進行快速**的匹配和調整，單元機始終運行在*節(jié)能的狀態(tài)下，產(chǎn)品全年運行都處于高效狀態(tài)，并有效提升客戶的舒適性。在安全防護方面，通過機組控制邏輯實現(xiàn)惡劣運行工況和意外情況的自動防護，確保機組能夠安全運行。目前各企業(yè)均提出相應的控制方案，所采取的技術路線各有不同，是企業(yè)的核心技術，與企業(yè)的自身設計水平和對于客戶需求的了解程度有很大關系，整體控制技術的水平參差不齊。

　　雖然我國已是**制冷空調設備的制造大國，但在產(chǎn)品的系統(tǒng)控制技術方面與國外廠家還有一定的差距，控制技術及其相應的控制元件還主要依賴進口，特別是在變頻調速控制技術方面。國內僅有少數(shù)大型企業(yè)掌握了相關核心技術，是我國單元機節(jié)能發(fā)展的瓶頸。對用戶需求和使用特點的研究，確?？刂七壿嫷难邪l(fā)適應客戶的使用習慣，也是今后需要重點開展和突破的工作。此外，空調產(chǎn)品智能化的趨勢越來越明顯，智能化將契合云技術、大數(shù)據(jù)對產(chǎn)品的控制技術提出新的需求，單元機的模糊控制系統(tǒng)、智能化、大數(shù)據(jù)化技術是今后主要發(fā)展趨勢。

　　3 總結

　　通過對單元機節(jié)能技術的企業(yè)應用現(xiàn)狀和文獻的調研分析及總結，筆者對單元機的節(jié)能技術應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了歸納，主要內容如下：

　　1）壓縮機節(jié)能技術：通過壓縮機的結構優(yōu)化、變負荷調控、應用高效電機等措施實現(xiàn)壓縮機節(jié)能。采用環(huán)保替代工質的壓縮機能效提升、壓縮機的高效變頻調速技術以及大冷量機組的無油化技術將是未來壓縮機節(jié)能技術的主要發(fā)展方向。

　　2）高效換熱技術：采用高效強化換熱技術，如翅片管結構優(yōu)化、強化換熱管的應用一直伴隨著單元機產(chǎn)品節(jié)能技術的發(fā)展，已經(jīng)在行業(yè)內成熟應用。小管徑換熱管、微通道換熱器在風冷式單元機產(chǎn)品的應用可以減少制冷劑充注量、降低成本、提高能效，也是單元機產(chǎn)品節(jié)能的主要方向之一。未來需要在傳熱特性研究、加工工藝優(yōu)化、熱泵除霜技術以及成本降低等方面開展相應的技術攻關和突破。風冷式單元機的換熱器結霜也是未來需要重點解決的關鍵問題。

　　3）節(jié)流裝置節(jié)能技術：目前行業(yè)普遍采用電子膨脹閥實現(xiàn)制冷劑流量的**調節(jié)，具有精度高、動作快速準確、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，并能夠與其他智能控制方法相結合，在單元機產(chǎn)品中廣泛成熟應用。該項節(jié)能技術未來會隨著控制技術的不斷發(fā)展而發(fā)展，以適應機組對于節(jié)能、舒適性的更高要求。

　　4）制冷劑替代技術：根據(jù)替代制冷劑的特性開展相關的技術研究內容和產(chǎn)品開發(fā)將會對單元機整體節(jié)能水平產(chǎn)生深遠影響，現(xiàn)階段及未來單元機產(chǎn)品主要采用R32，HFOs和HCs等替代制冷劑，隨著制冷劑淘汰管理計劃的不斷升級，單元機可能采用的制冷劑要向著更低GWP值的制冷劑發(fā)展。

　　5）系統(tǒng)控制節(jié)能技術：目前各企業(yè)均提出相應的控制方案，整體控制技術水平參差不齊，技術成熟度還有待提高。隨著技術的不斷進步，模糊控制系統(tǒng)、智能化、大數(shù)據(jù)化技術是未來系統(tǒng)控制技術的發(fā)展趨勢。

　　本文選自《制冷與空調》2019年6月刊77-83頁

　　作者：張秀平 吳俊峰 龐旭東 孟少飛 趙盼盼 程立權

　　未經(jīng)許可，不得轉載

　　《制冷與空調》雜志撰稿要求

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