带气液分离的变频空调系统研究

doi: 10.12052/gdutxb.200130

带气液分离的变频空调系统研究

夏宽，陈健勇，徐嘉铖，李绪雄，郭长旭，陈颖，罗向龙

（广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006）

摘要: 在相变过程中实施气液分离可实现强化传热。本文将气液分离应用于变频空调系统中, 通过匹配实验获得了系统最佳充注量和毛细管长度, 在标准工况下系统制冷能效(Energy Efficiency Ratio, EER)为2.57, 制热模式下系统能效(Coefficient of Performance, COP)为3.68, 并研究了不同制冷、制热工况下的系统性能。为反映系统实际运行性能, 进一步比较了不同城市实际运行全年能源消耗效率(Annual Performance Factor, APF)。结果表明: APF值在腾冲市最高，为3.67, 在沈阳市最低, 为2.81。系统在不同城市运行, 性能差异显著, 国标不能真实反映系统的实际运行性能。

关键词: 气液分离；变频空调；试验；全年能源消耗效率(APF)

中图分类号: TB657.2 文献标志码: A 文章编号: 1007–7162(2021)03–0086–05

A Research on Inverter Air Conditioning System

with Liquid-Vapor Separation

Xia Kuan, Chen Jian-yong, Xu Jia-cheng, Li Xu-xiong, Guo Chang-xu, Chen Ying, Luo Xiang-long (School of Material and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China) Abstract: The implementation of liquid-vapor separation in the phase change process can achieve heat transfer enhancement. Liquid-vapor separation was applied to inverter air conditioning system. The optimal refrigerant charge amount and capillary length of the system were obtained through matching experiments. At the standard operating condition, the obtained EER and COP are 2.57 and 3.68, respectively. The system performance is also examined under different cooling and heating conditions. The annual performance factor (APF) of actual operation in different cities was compared to reflect the actual operating performance of the system. The results showed that the highest APF value was in Tengchong, at 3.67, and the lowest in Shenyang, at 2.81. It shows that the performance of the system varies significantly in different cities. Moreover, the performance at the standard operating condition largely differentiates that at the actual conditions.

Key words: liquid-vapor separation; inverter air conditioner; test; APF (annual performance factor)

分液冷凝是一种管内强化冷凝传热方法[1]，通过气液分离器将冷凝过程中的气体和液体分离，并排出

冷凝液，高干度气体进入下一管程继续冷凝，维持高传热系数；同时由于不断排出冷凝液，减少了进入下一流程的制冷剂流量，有效降低了气液两相的流动阻力。Zhong等[2]通过实验研究，发现当进口制冷剂流速高于590 kg·m–2·s–1时，分液冷凝器的传热系数比普通冷凝器高，压降比普通冷凝器低30.5%~52.6%。朱康达等[3]计算了7种不同结构分液板式冷凝器，发现分液效率越高，换热性能越好。华楠[4]发现在相同工况和结构尺寸条件下，分液冷凝器的传热系数比普通冷凝器可提高34.6%，总压降可降低74.4%，证实了分液冷凝对冷凝器性能的改善。

学者们对采用分液冷凝器的空调系统性能进行了深入研究。Chen等[5]用分液冷凝器替换空调系统原冷凝器，试验结果表明：系统能效相当时，分液冷凝器的换热面积仅为原冷凝器的63.1%，制冷剂充注量仅为原系统的80.3%。Li等[6]发现使用等面积分液冷凝器的空调系统性能系数比原系统高6.6%。Chen等[7]将等面积分液换热器替换原热泵空调系统中的室外

第 38 卷第 3 期广东工业大学学报Vol. 38 No. 3 2021 年 5 月Journal of Guangdong University of Technology May 2021

收稿日期：2020-10-09

基金项目：广州市科技计划项目(2016B020243010)

作者简介：夏宽(1994–)，男，硕士研究生，主要方向为空调系统仿真与实验测试

通信作者：陈健勇(1983–)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为制冷系统和强化传热，E-mail：*****************.cn

换热器，试验发现，制冷模式下系统能效(Energy Efficiency Ratio ，EER)提升了9.8%，制热模式下系统能效(Coefficient of Performance ，COP)提升了7.4%。目前研究集中于定频空调系统中，尚无分液换热器在变频热泵空调系统中的研究。针对变频空调系统在不同地区的全年能源消耗效率(Annual Perform-ance Factor ，APF)计算，则能反映出系统实际运行性能的地域差异。

本文针对带分液换热器的变频热泵空调系统，首先进行了系统匹配研究，确定了最佳毛细管长度和制冷剂充注量；然后依据国标GB 21455—2013[8]在不同的制冷、制热工况下对系统进行试验测试；最后对变频空调的APF 进行了计算，并对比了在我国5个气候区域中不同城市实际运行效果[9]。

1 试验介绍

1.1 试验样机

本文采用的管翅式分液换热器，具体参数如表1所示，结构如图1所示，管程分布为8-6-5-3-2。分液换热器由平行流换热单元和左右联箱组成，联箱内设置分液隔板与盲板，将换热单元分成不同的管程。在制冷模式下，室外换热器作为冷凝器，制冷剂气体从右上入口进入平行流换热器的第一流程(向左移

动)并部分冷凝，由于左联箱的第二管程入口处设置有分液隔板，气体和液体在此进行气液分离，液体沿小孔流入下一联箱，剩余的气体则进入第二管程(向

右移动)继续冷凝。第三管程流动情况类似。第四管程入口处设置有盲板，第三管程流出的制冷剂与从第一管程分离的液体在此混合，继续向右流动并冷凝。最后所有制冷剂在最下方汇聚于两根蛇形管中，实现完全冷凝或过冷。在制热模式下，室外分液换热器作为蒸发器，从节流阀出来的两相制冷剂从底端入口流入，经过一段蛇形管后进入分液联箱，在分液隔板处受重力和压差等影响，管程内的制冷剂流量和干度将重新分配，对蒸发器的换热性能产生影响。

1.2 试验平台介绍

焓差实验平台和测试设备如图2所示，变频空调系统由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器和过滤器等其他附件组成。蒸发器和分液换热器分别置于室内、室外环境室中，并由隔热层包裹的铜管连接。测量不确定度如表2[10-11]所示。

室内侧

室外侧

蒸发器进口冷凝器出口

冷凝器出口蒸发器进口

冷凝器进口蒸发器出口

蒸发器出口冷凝器进口

P P P T T

T P P T

T T

T 1

1112

101. 室内换热器，2. 压缩机，3. 室外换热器，4. 毛细管，5. 四通换向阀，6. 风机，7. 整流器，8. 喷嘴，9.

排风机，10. 空气采样器，11. 循环风机，12. 加湿器，13.电加热器，14. 空气冷却器

P 位压差传感器，铂电阻，压力传感器，热电偶，制冷模式，制热模式

P T T 压缩机进口

压缩机出口

图 2 试验平台原理图

Fig.2 Schematic diagram of test platform

表 2 测量精度和不确定度

Table 2 Measurement accuracy and uncertainty

测量参数

测量设备不确定度空气侧温度/℃铂电阻±0.1℃制冷剂侧温度/℃

热电偶±0.5℃压力/MPa 压力传感器±0.5%制冷、制热量/W

数据采集±2.15%耗功/W

电功率表

±0.5%

1.3 试验方法

按照国家标准GB/T 7725—2004[12]，在制冷模式的额定工况下，室内干球、湿球温度分别为27，19 ℃，室外的干球、湿球温度分别35，24 ℃；在制热模式的额定工况下，室内干球、湿球温度分别为20，15 ℃，室外的干球、湿球温度分别为7，6 ℃。

所使用分液变频空调系统制冷剂充注量和毛细管长度需要进行匹配，以达到最佳的系统性能。在制冷模式下运行时，制冷剂充注量以50 g 的增量变化；毛细管长度每次增加50 mm ，得出制冷模式下最佳

表 1 换热器结构参数

Table 1 Heat exchanger structure parameters

参数数值参数数值总管数/根24齿顶角/(°)35管外径/mm 7翅片高度/mm 505管壁厚/mm 0.24翅片宽度/mm 18.3内螺纹高度/mm 0.18翅片厚度/mm 0.1螺旋角/(°)

翅片间距/mm

1.42

490 m m 联箱联箱翅片

分液隔板盲板

第一管程

第二管程

第三管程第四管程

制热入口

制热出口制冷出口制冷入口分液隔板

盲板

分液换热器（制冷剂流路：8-6-5-3-2）

图 1 分液换热器结构示意图

Fig.1 Schematic of liquid separation heat exchanger structure

第 3 期夏宽，等：带气液分离的变频空调系统研究87

EER。然后对制热性能进行匹配，由于充注量已经确定，只需改变毛细管长度，每次改变50 mm，找出最佳制热能效COP。完成匹配后，再调整变频压缩机频率，使其制冷量与制热量分别为额定工况下的1/2，得到系统中间制冷、中间制热的性能。

1.4 数据处理

制冷模式下系统的EER和制热模式下系统的COP计算公式为

式中Q e、Q h、W分别表示制冷量(W)、制热量(W)、系统耗功(W)；EER和COP的不确定度为±3.9%[9]。

根据国标GB 21455—2013[8]，转速可控型热泵空调采用全年能源消耗效率指标(APF)来考核系统能效，

由式(3)计算。本文基于国标GB 21455—2013中对APF计算的规定，同时考虑各地区空调制冷、制热季节运行时间，编写了季节能效比计算软件，如图3所示，可用来计算变频空调在不同地区运行的季节能效比。

其中CSTL、HSTL分别表示制冷、制热季节总负荷，CSTE、HSTE分别表示制冷、制热季节耗电量。

图 3 变频空调器季节能效比计算软件

Fig.3 Annual performance factor calculation software

为验证上述APF软件计算的准确性，本文采用朱玉鑫等[13]的9组实验数据和张海云等[14]的1组实验数据作为输入，并与文中的结果比较，结果一致。如表3所示。

2 结果与讨论

2.1 系统匹配

在制冷额定工况下，系统制冷剂充注量和毛细管长度的匹配如图4所示。图4(a)表示对于特定的毛细管

长度，随制冷剂充注量的增加，制冷量先增加后降低。这是由于充注量过低时，系统制冷剂流量不足，流量随充注量的增加而增加；当制冷剂充注过多时，制冷剂会积聚在换热器中，导致有效换热面积减少，从而引起制冷量下降。图4(b)表示耗功随着制冷剂充注量增加而增加，这由于制冷剂流量增加所致。而EER是由制冷量和耗功共同作用的结果，如图4(c)所示，当毛细管长度为800 mm、充注量为800 g时，系统具有最大制冷能效(EER)，为2.57。

基于制冷模式下所确定的制冷剂充注量800 g，对制热模式下的毛细管长度进行匹配。如表4所示，随着毛细管长度的增加，制热量表现出先增加后减少再增加的趋势。系统耗功和COP的变化与制热量呈现出相同规律，且最大值和最小值都分别出现在毛细管长度为700，800 mm处。

2.2 不同工况的系统性能

系统的不同工况性能对比如表5所示。在制冷工况时，系统额定频率为60 Hz，当系统频率调整为26 Hz 时制冷量约为额定制冷量的一半，此时为中间制冷，制冷量减少48.6%，耗功减少58.9%。由于耗功减少幅度更大，EER反而增加了24.9%。类似的在制热工况时，压缩机频率减少52.7%时，制热量减少50%，耗功

表 3 APF计算结果比较

Table 3 Comparison of APF calculation results

编号模式

Q e/Q h W APF

额定中间额定中间文献本文1

制冷2 6001 300487185

5.68[13] 5.682

制热3 4001 700705305

制冷2 6001 200616235

4.23[13] 4.234

制热3 4001 7001 000400

制冷3 5001 7001 040385

3.63[13] 3.628

制热4 4502 2001 410540

制冷3 5001 700804265

5.01[13] 5.013

制热4 5002 2001 080420

制冷3 4911 715864310

4.29[13] 4.290

制热4 3722 2491 221551

制冷5 0002 5001 520486

3.87[13] 3.871

制热6 4003 2002 100660

制冷5 0002 5001 570605

3.49[13] 3.493

制热6 1003 1501 900760

制冷5 0003 4501 500590

4.0[13] 4.004

制热6 7003 3002 100840

制冷5 0002 5001 520486

3.87[13] 3.871

制热6 4003 2002 100660

制冷5 0002 5001 570605

3.49[14] 3.493

制热6 1003 1501 900760

88广东工业大学学报第 38 卷

减少55.4%，由于耗功减少幅度更大，COP 反而增加了11.96%。这是因为压缩机运行频率的增加虽

然能提升制冷、制热量，但同时压缩机自身耗功也会大幅增加，最终系统能效比受制冷量/制热量、耗功变化的综合影响。

表 5 变工况性能对比

Table 5 Performance comparison under variable conditions

模式工况压缩机频率/Hz 制冷量(制热量)/W 耗功/W EER/COP 制冷

额定602 8791 121.91 2.57中间261 480460.56 3.21制热

额定552 974809.12 3.68中间

1 486

360.74

4.12

2.3 不同地域的系统APF 对比

本文根据中国建筑气候分区[15]，在5个不同气候区域中分别选取2个代表性城市，由《中国建筑环境分析专用气象数据集》[16-17]分别获得5个气候区域中10个典型城市的全年逐时气候数据。

参照《GB 17758—2010 单元式空气调节机》[18]，制冷季节内，取外部环境≥24 ℃为开机制冷时间；制热季节内，取外部环境温度≤16 ℃为开机制热时间，统计得到10个城市及全国的变频空调器制冷、制热运行时间曲线，分别如图5(a)、(b)所示。

(a) 制热运行时间图

(b) 制冷运行时间图

−5

51015室外温度/℃

2426283032343638室外温度/℃北京大连长春沈阳武汉上海腾冲昆明广州南宁全国

北京大连长春沈阳武汉上海腾冲昆明广州南宁全国

图 5 运行时间曲线图Fig.5 Running time graph

通过计算，得到了空调系统在10个城市运行的APF ，如图6所示。由图可知，在严寒地区的沈阳有最低值2.81，在温和地区的腾冲有最大值3.67。10个城市的平均APF 值为3.29，与国标计算的APF 相差3.8%，可以看出采用国标规定的运行时间计算出的APF 可以较准确地反映系统在全国运行的平均性能。但国标得出的APF 值3.17与腾冲的APF(3.67)和沈阳的

表 4 分液变频空调系统制热匹配规律

Table 4 Heating matching law of liquid-split inverter air conditioning

system

毛细管长度/mm

制热量/W 耗功/W COP 6002 824796 3.556502 911796 3.667002 974809 3.687502 936801 3.668002 792781 3.588502 867798 3.59900

2 952

814

3.62

(b) 耗功随充注量变化规律

750

800850900950800 mm 850 mm 900 mm 950 mm 1 000 mm

800 mm 850 mm 900 mm 950 mm 1 000 mm

制冷剂充注量/g

750

800850900950制冷剂充注量/g

750

800850900950制冷剂充注量/g

图 4 分液变频空调系统制冷匹配规律

Fig.4 Refrigeration matching law of air-conditioning system

第 3 期

夏宽，等：带气液分离的变频空调系统研究

APF 值(2.81)分别相差15.8%、12.6%，所以采用不同地域运行时间单独计算APF 是很有必要的。

图 6 各地按照实际运行的APF 对比

Fig.6 Comparison of APF of actual operation in various regions

3 结论

通过对分液变频热泵空调系统的制冷、制热系统性能进行的试验研究，可以得出如下结论：

(1) 系统最佳的充注量为800 g ，最佳毛细管长度在制冷模式和制热模式下分别为800 mm 和700 mm ；

(2) 在额定工况下，系统制冷能效与制热能效分别为2.57和3.68；在中间制冷、制热模式下，它们分别是3.21和4.12；

(3) 地域气候差异对系统全年能效比的影响不可忽视，在腾冲的APF 值最高，为3.67。参考文献：

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[18]（责任编辑：赵少飞）

90广东工业大学学报第 38 卷

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