新冷媒高能效分体机设计案例.docx

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新冷媒高能效分体机设计案例

目前，出口欧盟的空调器必须是新冷媒的，而且欧盟对空调器实行了新的能源标签制度，而美的2003年以前出口的新冷媒空调器的能效比只能达到欧盟能源标签的E级，比国内部分同行低，因此，研究高能效比的新冷媒空调器十分必要。

（现在在美的出口的R407C冷媒的空调器已可达欧洲B级能效，R410A的已经可达A级能效。

）

房间空气调节器（欧洲版）的能效要求

Air-Cooledairconditioner

Coolingmode

Energyefficiencyclass

Splitandmulti-splitappliances

3.20

3.20≥EER>3.00

3.00≥EER>2.80

2.80≥EER>2.60

2.60≥EER>2.40

2.40≥EER>2.20

2.20≥EER

Air-Cooledairconditioner

Heatingmode

Energyefficiencyclass

Splitandmulti-splitappliances

3.60

3.60≥COP>3.40

3.40≥COP>3.20

3.20≥COP>2.80

2.80≥COP>2.60

2.60≥COP>2.40

2.40≥COP

美的内控要求

参数分类

额定制冷量能力比

额定制热量能力比

制冷额定功率功率比

制热额定功率功率比

EER（COP）

百分比

试制样机

94%

108%

94%

小批试产

93%

110%

92%4）

批量生产

92%

110%

90%

按美的内控要求，B级EER在2.82~3.008，COP在3.196~3.384。

本案例以美的主销的R407C冷媒1匹分体机为样板，研究在现有成本状况下所能提高能效比的方法，以及以增加最小的成本换取最高的能效比的匹配模式，可以通过改进两器、调整风量等手段实现，为开发低成本的高能效新冷媒分体机提供样机和解决方案。

1）拿出在现有成本状况下能效比是否还能继续提高的结论和通过不增加成本改进匹配来提高能效比的方法；

2）研究出以最小的成本换取最高的能效比的模式，得出成本与能效比的最佳关系曲线，以及能效比与能力、噪声及成本的最佳关系；

3）样机能效比由目前的E级提高到B级。

0、能效的理论分析

先来讨论理论上提高能效的方法。

逆卡诺循环的制冷系数EER0=T1/（T2-T1），其中T1为低温热源温度（K），T2为高温热源温度（K），逆卡诺循环的制冷系数只与高温热源与低温热源的温度有关，T2降低与T1升高都会提高制冷系数，而T1升高对其影响更为显著，这个从数学角度来看很容易理解。

不可逆卡诺循环的制冷系数EER1=T0/（Tk-T0），其中制冷剂放热时的温度为Tk，制冷剂吸热时的温度为T0。

如右图，空调器实际运行时Tk>T2，T0

循环效率（热力完善度）是表示实际循环的完善性接近可逆卡诺循环的程度，定义为：

η=EER1/EER0

在两个热源温度（T1，T2）不变的情况下，提高η或EER1的方法有：

1）降低Tk温度

2）升高T0温度

3）同时降低Tk温度和升高T0温度

下图是热力完善度曲线,可以直观的看到蒸发温度、冷凝温度与热力完善度之间的关系。

上图中，高温热源：

35℃，低温热源：

27℃

以上是提高制冷系统的能效的理论基础，加大冷凝器，加大室外风量都是使Tk下降，加大蒸发器，加大室内机风量都是使T0上升，实际上加大风理还要考虑电机功率的增加。

一、项目开展过程

首先查阅了一些有关R407C冷媒方面的技术论文，了解R407C与R22的性

能对比。

以下两个表是R407C的一些特性。

从上两表可以看出，系统不变的时候R407C在能力及EER/COP方面是稍逊色于R22的。

有关R407C方面更详细的资料请看附件《新冷媒高能效分体机设计案例的附件----R407CvsR22》，这里不再赘述。

R407C是一种非共沸的制冷剂，温度滑移7.1K，由于这个特点，其在蒸发和冷凝时的沿管程温度曲线与R22不同，如下两图所示：

由上两图，R407C冷凝时采用逆流换热比较合理。

参看最后一页的“冷凝器流路图”。

了解不同压缩机的性能。

本研究项目所用的压缩机性能参数见下表。

厂家

型号

标称制冷量

输入功率

COP%

美芝

PG160X1C-4DZ3

2810/2850

890

316

PG165X1C-4DZ3

2920/2980

920/960

317

PG170X1C-4DZ3

3020/3060

960/995

315

PG180X1C-4DZ3

3165/3205

1000/1030

315

松下

4PS180

3065/3090

1045/1090

293

4PS164

2780/2805

920/945

302

4PS156

2640/2660

860/870

307

对原样机的分析。

其主要性能参数见下表。

原样机噪声测试（在噪音室测试结果）

项目\风速

高风

中风

低风

送风

38.8

36.5

34.3

制热

37．7

35．6

34．1

制冷

39．8

37．1

34．9

室外机-制热

55．9

室外机-制冷

55．1

对原内机样机进行不同转速的风量、噪声测试，数据如下表：

（在噪音分析室测试结果）

转速（RPM）

1300

1250

1200

1150

1100

950

风量（m3/h）

554．7

529．3

506．3

483．9

456．8

362．8

噪声dB（A）

44．5

43．1

41．9

40．7

39．1

34．3

（其中原机高风转速为1100RPM）

以上是对高能效及R407C冷媒的理论了解，掌握以上知识对后继的工作有很大帮助。

了解原样机的性能可以更有效的展开后面的工作。

一般来说，要求高能效的话，内机及内机风量要适当的大（提高T0），但风量大带来噪声高，外机冷凝器也要比普通型能效的要大（降低Tk）。

由于选定了CE-KFR-26G/I1N2Y内机，蒸发器已经定了，兼顾噪声，风量能提高的余地很有限，应该把主要的方向定在室外机，降低室外压缩机的消耗功率和风机的消耗功率，高效的压缩机在这里显得比较重要。

在压缩机选择上面，由于美芝的压缩机系列比较全，先选美芝的压缩机进行前阶段的样机制作及匹配，先匹配制冷工况为主。

美芝压缩机匹配实验主要参数及其结果

No.

压缩机

PG180

PG165

PG160

PG180

PG170

PG180

PG170

工况

制冷

能力

2636

2481

2522

2548

2594

2434

2437

2478

2625

2840

2891

功率

1036

980

986

920

922

927

890

933

969

972

COP

2.545

2.531

2.558

2.771

2.812

2.626

2.630

2．784

2．814

2．931

2．975

内机转速

1100

1150

1100

1150

1200

冷凝器

单排9.53

2排9.53

1.5排9.53

2排9.53

毛细管

1.5*800

1.5*500

1.7*1100

1.5*500

冷媒量

840

1220

1000

1300

1200

1250

备注

原机

内机逆排

成本

0．0

+78.68

+36.75

+78.68

松下压缩机匹配实验主要参数及其结果

No.

压缩机

4PS164

4PS180

4PS164

4PS156

工况

制冷

能力

2742

2871

2549

2526

2555

2648

2680

2563

2502

2527

功率

904

1033

958

889

891

902

905

873

928

914

COP

3.033

2.781

2.661

2.843

2.868

2．936

2．961

2．936

2．696

2.769

内机转速

1150

1200

1150

1100

冷凝器

2排9.53

单排9.53

2排7.0

2排7．0

2排9.53

1排9.53

1排7.0

毛细管

1.5*500

1.5*700

1.5*600

1.5*500

1.7*1100

1.5*500

1.5*700

冷媒量

1250

850

1000

1250

840

700

备注

冷凝器分3路

冷凝器分4路

冷凝器分3路

成本

+78.68

0.0

+39.42

+78.68

0.0

-19.66

从上面数据看来，用松下的压缩机能效较高，同一个冷凝器不同流路对性能的影响较大。

下一步工作主要是用松下的压缩机4PS164、4PS156及两排7.0冷凝器做到EER>3.0。

从室外机看来，除了压缩机耗电外，还有一个外风机电机，可以从外风机电机入手，优化电机。

风机电机性能测试结果，见下图曲线：

（电机为YDK25-6C，电容2.5uF）

6、外风机变电压整机性能测试

改变外风机的输入电压值来改变风机的功率，测试结果如下表：

（内机转速1150RPM）

电压

230

220

210

200

190

180

170

160

150

140

外机风量

1848

1829

1802

1769

1728

1670

1597

1489

1359

1200

压缩机+内风机+电控功率

780

781

783

787

794

801

811

外风机功率

69.5

64.5

60.5

52.4

42.5

整机能力

2593

2597

2600

2593

2594

2597

2602

2611

2607

2559

整机功率

865

860

854

849.5

845.5

843.5

843

846.4

849

853.5

EER

2.998

3.020

3.044

3.052

3.068

3.079

3.087

3.085

3.071

2.998

备注

4PS156压缩机，2排7.0冷凝器，分4路，R407C：

1000g，毛细管1.5*500

内机转速1100RPM时的性能

电压

180

170

160

外机风量

1670

1597

1489

压缩机+内风机+电控功率

779

781

786

外风机功率

60．3

56．5

整机能力

2540

2562

2560

整机功率

839.3

837.5

838

COP

3．0263

3．0591

3．0549

备注

4PS156压缩机，2排7.0冷凝器，分4路，R407C：

1000g，毛细管1.5*500

由上可得出在外风机电压为160—170V左右时，制冷EER有最高值。

制热时的性能

电压

170

160

外机风量

1597

1489

内机转速

1150

1100

压缩机+内风机+电控功率

850

846

832

840

外风机功率

59．5

整机能力

2892

2884

2865

2817

整机功率

909．5

902

888

896

COP

3．1798

3．1973

3．2264

3．1440

毛细管

1.5*500+1000

1．5*500+800

出风温度

36.61/20.61

36.56/20.60

36.45/20.57

37.22/20.80

备注

4PS156压缩机，2排7.0冷凝器，分4路，R407C：

1000g，

由上可得，在室外机电机输入电压为160-170V时有较高的EER及COP。

要求外协送样新电机样品时，实际测试值为：

230V2.5uF，809RPM，57.4W，大体上符合要求，后来以此参数来确认电机YDK24-6F，用于新冷媒R407C欧洲B级能效的7000BTU/h和9000BTU/h的空调器室外机上。

7、用新外机电机时的整机性能

制冷

制热

压缩机

4PS164

内机转速

1100

1200

整机功率

886

955

905

892

889

整机能力

2675

2995

2922

2889

2896

EER/COP

3.018

3．135

3．230

3.238

3.259

出风干球

14．23

36．73

36．30

36．14

35．92

毛细管

1.5*500

1.5*1200

1.5*900

1.5*700

1.5*600

电机电容

2．5uF

制热

压缩机

4PS156

内机转速

1200

整机功率

844

849

833

848

整机能力

2753

2798

2754

2817

EER/COP

3.260

3.295

3.307

3.323

出风干球

35．25

35．49

35．22

35．56

毛细管

1.5*600

1.5*900

1.5*1200

电机电容

2．5uF

2.0uF

测试得在新电机在230V2.0uF时的转速为736RPM，功率为48W，由前面变电压测试制冷时的实验结果知，在150V703RPM时电机功率为49W，EER=3.071.所以电机在230V2.0uF时，COP有较高值3.323，而EER=3.071。

二、实验结果及成本分析总结

1、高能效的空调要一台高效的压缩机，从实验数据来看，松下的压缩机能效比美芝的较高。

2、从成本与冷媒充注量方面考虑，用两排φ7.0的冷凝器比两排φ9.53的冷凝器好，充注量少对EER及COP均有好处。

3、对高能效的空调外机的冷凝器一般较大，开发时应该选择一个最佳的外风机转速，从外风机转速-功率-噪声-能力-EER/COP关系实验看来，原来的电机并不是最佳的，用两排φ7.0的冷凝器，730-800RPM的外机转速是较为高效的转速区域，电机消耗功率可以比原来来的下降30W左右，而能力几乎没有变化，此时送风噪声也可以下降7dB（A）左右，但整机的噪声没有下降这么多是因为压缩机的噪声没有下降，压缩机的噪声与风机的噪声叠加后才是整机的噪声。

这样整机性能有较大的提高。

4、利用相同转速时制热的噪声较制冷的低这个特性，可以把制热的转速提高，但有一个问题是出风温度较低（36℃左右），但可以把制热中风定到一个较为合理的转速，使出风温度达到38-39℃左右。

5、日本的高效机外机风量较小，内机蒸发器及风量较大，测试点的EER/COP较高。

日本松下原装样机的实测值见附表。

6、用两排φ7.0的冷凝器1.4mm片距比原来冷凝器成本要增加39.42元。

冷凝器流路见附图。

三、讨论与改进

1、试用新电机配2.0uF电容，加长毛细管COP还有可能增加，出风温度也可能升高。

2、在把原来的单排9.53冷凝器改为单排7.0冷凝器，用松下4PS156压缩机，冷凝器成本约下降19元，在没有增加室内机转速的情况下EER可以从原来的2.545升到2.765，如果利用新外机电机降低外机电机的功率，外机送风噪声下降的同时可以使EER上升到2.83，达到C级能效，比原来的E级提高两个级别。

四、结论

匹配高能效的空调器，首先要选用高效的压缩机，选用高效的外机电机，选用合适大小的冷凝器。

外机风机的转速（对应外机风量或电机功率）与系统的能效比是一个开口向下的近似抛物线状的关系，要通过实验才能得出其最佳点，在最佳结合点能效比才有极大值，并且噪声性能也有可能大幅度优化。

附表：

日本松下原装样机的测试数据

能力W

功率W

EER/COP

出风干球℃

内机风量m3/h

外机风量m3/h

制冷

2200

460

4.784

17.55

699

1552

制热

3341

660

5.036

33.15

739

1426

附图：

冷凝器流路图

附　录　A

（规范性附录）

附录名称

附录条文

附加说明：

本设计案例由技术研发中心技术管理室标准化管理归口。

本设计案例主要起草人：

李金波

2004-5-5

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