【技术】基于新能效等级标准的房间空调器的换热器设计
2020年7月开始实施的房间空调器新能效标准 GB 21455—2019《房间 空气调节器能效限定值及能效等级》统一了定频房间空调器和变频房间空调器的评价方法，并将变频空调器能效等级限定值提高到4.0，要求空调器的性能进一步的提升。 换热器是空调中非常重要的部件，其性能是否优异直接影响到空调的整体效能。目前换热器性能的提升方向主要有高效传热的制冷剂、小管径铜管和高效低阻的流路。
R32 制冷剂与传统 R410A 及 R22 相比，在降低能耗及提高性能方面具有优势。采用 R32 的制冷 系统，经过合理设计可以有效提高饱和温降，从而获得更高的传热系数，有利于提高系统的经济性。
换热器的发展方向是紧凑式换热器。空调的室外换热器通常采用更小管径的铜管来提升空调器的换热性能。房间空调器采用更小管径的换热器，可使结构更紧凑、成本更低、传热效率更高以及显著降低制冷剂充注量。
采用小管径铜管后，使制冷剂侧压降剧增，空气侧阻力变大，可能导致房间空调器的性能降低和能效下降。分布式流路具有高效低阻的特性，有利于提升空调器整机能效。采用分布式流路能够提升房间空调器的换热，有效提高系统的APF。本文综合运用以上方法，提出一种满足新能效等级标准房间空调器换热器的设计方法。
满足新能效等级标准的房间空调器换热器设计的技术思路（图1）包括3个步骤：
1）R32 制冷剂的传热性能分析，分析制冷剂的热物性以及在换热器中的流量特性；
2）小管径铜管对R32制冷剂传热压降的影响分析，分析换热和压降的影响，找到合适的分路数目；
3）分布式流路设计，在满足换热、压降要求的基础上，设计性能最优的流路方案，达到满足新能效标准的要求。
制冷剂是系统中循环工作的物质。在房间空调 器中，主要应用的制冷剂是 R32、R410A 和 R22。3 种制冷剂在 10 ℃的热物性参数如表 1 所示。
R32 是 R410A 的组分之一，R32 的相对分子质 量为 R410A 的 71%，其充注量大体也相当于 R410A 的 71%。R32 的汽化潜热是R410A 制冷剂的 1.43 倍，是 R22 制冷剂的 1.52 倍，表明 R32 具有强大 的热量携带传递能力。蒸发器内制冷剂的进口干度一般为 0.2 左右， 出口干度一般为 1。换热器内制冷剂的流量由进出 口的焓值决定，如式(1)所示。
进口焓值通过 NIST 物性查取进口10 ℃、干度 0.2 对应的焓值决定，出口焓值通过 NIST物性查取 出口 10 ℃、干度 1 对应的焓值决定。表 2 所示为 制冷剂在换热器内的质量流量。R32 的汽化潜热高，导致在换热器中的质量流量较低。在不同换热量的房间空调器中，R22 的质 量流量最高，其次是R410A，R32 的质量流量最低。R32 的质量流量比 R410A 的流量约低 30.6%。
3.1 换热器性能理论分析
通过计算换热器的理论 UA，分析换热器的换热能力，UA 越大表明换热器的理论换热性能越好。
原室外机使用 7 mm 铜管平翅片换热器，5 mm 铜管波纹翅片换热器。换热器的管内外表面传热系 数均设置为常数，来体现管径变化对UA 的影响。换热器的参数如表 3 所示。
经计算，原 7 mm 铜管换热器的UA 为 694 W/K， 采用 5 mm 铜管换热器替代 7 mm 铜管换热器后， 换热器的 UA 从 694 W/K 提升到 721 W/K，提升了 3.8%。换热器的理论计算如表 4 所示。
3.2 R32 在 5 mm 铜管内的阻力特性
R32 在 5 mm 铜管内的沸腾流动阻力特性计算 采用胡海涛开发的压降关联式；R32 在 5mm 铜 管内的冷凝相变阻力特性计算采用黄翔超开发 的压降关联式。为了保证新设计的换热器的压降不超过原换热器，R32的5 mm铜管换热器分路数目n1比R410A 的7 mm铜管换热器分路数目n2至少增加2个流路， 如表 5 和表 6 所示，Dp 为 R410A 的压降。
3.3 R32 在 5 mm 铜管内的换热特性
计算结果表明，R32 的 5 mm 铜管换热器的沸 腾流动传热系数 h1 比 R410A 制冷剂的 7mm 铜管 换热器的传热系数 h2 提高 20%~30%，R32 的 5 mm 铜管换热器的冷凝相变传热系数比 R410A 的7 mm 铜管换热器的传热系数提高 35%~50%，如表7 和表 8 所示。此时，R32的 5 mm 铜管换热器的压降小于R410A 的 7 mm 铜管换热器的压降。
4.1 分布式流路设计方法
换热器流路设计方法采用换热器仿真模型。仿真过程中保持蒸发器出口压力、出口过热度和进 口焓不变，进口制冷剂质量流量和进口压力可变，换热量最大的流路即为蒸发器的最佳流路。冷凝器的仿真方法是保持进口温度、进口压力和出口过冷度不变，进口制冷剂质量流量可变，换热量最大的流路即为冷凝器的最佳流路。
蒸发器的流路数目主要影响换热器的管内传 热系数和管内压降。当流路数目过小时，每个流路 的质流密度很大，管内表面传热系数很高；但是每个流路的管内制冷剂压降和温度滑移很大，使蒸发器的传热温差很小，如图 2 所示。当流路数目过大时，每个流路的质流密度很小，管内表面传热系数很低；但是每个流路的管内制冷剂压降和温度滑移很小，使得蒸发器的传热温差很大。因此，流路数目过大和流路数目过小均不利于换热器的换热。存在一个合适的流路数目，使换热器的换热量最大。
冷凝器的流路数目主要影响换热器的管内表 面传热系数，对管内压降的影响较小。图 3 所示为温度滑移对冷凝器的影响。
因为冷凝器内的压力很大，制冷剂压降导致的 温度滑移很小。因此冷凝器的最佳流路数目比蒸发器的流路数目要小。
4.2 分布式流路设计结果
采用换热器仿真软件模拟的流路方案包括原始7 mm铜管换热器的D7流路和分布式流路，如图4 所示。
仿真结果表明，分布式 6-3-2 流路换热器在各 个额定制冷工况、额定制热工况和低温制热工况下的换热量均分别比原 7 mm 铜管室外换热器的换热 量提高了 7.1%、8.3%和 3.8%，如图 5 所示。
使用 R32 制冷剂 5 mm 分布式流路的室外换热器后，空调系统性能通过仿真模型进行预测，预测结果如表 9 所示。计算结果表明，采用R32 制冷剂5 mm 铜管分 布式流路的室外换热器后，空调系统APF 提升6.3%。新设计的空调器APF能达到 4.02，可以满足新能效标准。
本文提出一种满足新能效等级标准的房间空 调器换热器的设计方法，采用R32 制冷剂及 5 mm 铜管并进行分布式流路优化来提高房间空调器的 APF 值。通过仿真计算及实验研究表明，针对一款典型的3.5 kW 的房间空调器，采用 R32 制冷剂及分布式流路的5 mm 铜管换热器后，空调器APF能达到 4.02，可以满足新能效标准。