賴旭東 王美霞 麥明輝 劉丹華

海信家電集團(tuán)股份有限公司 廣東佛山 528300

0 引言

家用房間空調(diào)器按其結(jié)構(gòu)可劃分為分體式和整體式。在我國，分體式家用空調(diào)因其噪聲低，制冷效果及舒適性表現(xiàn)出色而受到消費者的青睞。但整體式房間空調(diào)器具有體積小、安裝方便及成本低的特點，也發(fā)揮著重要作用。在歐美國家及我國香港地區(qū)，由于分體式家用空調(diào)昂貴的人工安裝費用，使得整體式房間空調(diào)器擁有較高的市場占有率[1]。移動空調(diào)作為典型的整體式家用房間空調(diào)器，有整機噪聲大、能效差等缺點，且其冷凝水排除能力問題也是限制移動空調(diào)發(fā)展的公認(rèn)技術(shù)難題之一。

在移動空調(diào)運行過程中，蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水通過中間接水盤流到底盤集水槽內(nèi)，無法直接排到室外。如果任憑集水槽內(nèi)冷凝水不斷累積，移動空調(diào)很快就會滿水停機。為此，有研究者通過設(shè)計冷凝水噴淋系統(tǒng)、水箱系統(tǒng)及打水系統(tǒng)等方式優(yōu)化移動空調(diào)冷凝水的排除[2,3,4]能力。其中采用打水輪的打水系統(tǒng)具有成本低、效果優(yōu)且體積小的特點，是目前移動空調(diào)的主流方案。該系統(tǒng)通過打水電機帶動打水輪，將集水槽內(nèi)冷凝水揚起并打在冷凝器翅片上進(jìn)行蒸發(fā)吸熱。冷凝水蒸發(fā)進(jìn)入氣流后通過風(fēng)管排出到室外。關(guān)于提高打水系統(tǒng)的打水效果，目前有大量基于不同角度的研究，如打水輪位置、轉(zhuǎn)速、打水輪大小、數(shù)量及形狀[5,6,7]方面的探究。然而，雖然打水系統(tǒng)優(yōu)化能夠提升打水性能，優(yōu)化冷凝水排除能力，但從本質(zhì)上看，冷凝水需要通過接觸冷凝器U彎和翅片才能進(jìn)行蒸發(fā)換熱，因此冷凝器設(shè)計優(yōu)化和打水系統(tǒng)優(yōu)化是相輔相成的。目前，通過優(yōu)化冷凝器設(shè)計來協(xié)同打水系統(tǒng)的研究較少。

本研究圍繞冷凝器流程設(shè)計特點，對比分析移動空調(diào)打水和不打水時的各參數(shù)（冷凝水生成及蒸發(fā)、冷凝器沿程溫度分布、制冷量和EER），以指導(dǎo)冷凝器流程優(yōu)化方向，從而提升冷凝水利用率。進(jìn)而以A樣機冷凝器為實驗對象，研究其流程優(yōu)化前后各參數(shù)的變化；同時，增加B樣機冷凝器三種流程的對比實驗，研究冷凝器空氣對流換熱和冷凝水蒸發(fā)換熱之間的協(xié)同規(guī)律，以實現(xiàn)移動空調(diào)整機性能和冷凝水排除能力之間的平衡。

1 實驗測試及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

本文所涉及的實驗測試均在我司標(biāo)準(zhǔn)焓差室中進(jìn)行，該實驗室能夠精確控制和測量室內(nèi)溫濕度及風(fēng)量等參數(shù)，滿足GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》國標(biāo)測試要求。冷凝水量通過精度為0.001 kg的電子秤進(jìn)行稱量。

選取兩款主流能力段的單冷定速移動空調(diào)為研究對象，具體規(guī)格參數(shù)如表1所示。兩款移動空調(diào)在高濕工況下，冷凝水的排除能力較差，易導(dǎo)致滿水停機。因此，A、B樣機具有較好的研究代表性。

表1 兩款樣機規(guī)格參數(shù)表

1.2 實驗方法

1.2.1 額定制冷測試方法

A、B兩款樣機的制冷名義工況如表2所示，進(jìn)行制冷名義工況測試時，安裝方式如圖1所示，其中圖1 a)為“ANSI ASHRAE 128-2001”中規(guī)定的安裝方式，圖1 b)為“DEPARTMENT OF ENERGY 10 CFR Part 430”中規(guī)定的安裝方式。

表2 制冷名義工況參數(shù)表

圖1 額定制冷測試安裝方式示意圖

1.2.2 連續(xù)運行測試方法

連續(xù)運行測試是考察移動空調(diào)冷凝水排除能力的一項重要測試。為獲得更加全面的測試數(shù)據(jù)，兩款樣機連續(xù)運行均采用圖1 b)所示的安裝方式。連續(xù)運行測試工況如表3所示。

表3 連續(xù)運行測試工況參數(shù)表

在連續(xù)運行測試過程中，打開樣機底部排水閥，通過排水管將未蒸發(fā)的冷凝水匯集到集水桶中。當(dāng)冷凝水的產(chǎn)生速度和消耗速度達(dá)到動態(tài)平衡后，冷凝水持續(xù)穩(wěn)定流出，此時開始計時和稱重。為減小實驗誤差，每個相對濕度工況均取2小時穩(wěn)定運行的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 打水對A樣機各參數(shù)的影響分析

2.1.1 冷凝水量實驗與理論分析

為研究A樣機打水和不打水條件下冷凝水量的變化情況，測試不同連續(xù)運行工況下樣機的系統(tǒng)除濕量、冷凝水收集量及冷凝器出風(fēng)溫濕度。其數(shù)值如表4和表5所示。

表4 不打水條件下A樣機連續(xù)運行參數(shù)表

表5 打水條件下A樣機連續(xù)運行參數(shù)表

其中，系統(tǒng)除濕量通過蒸發(fā)器進(jìn)口和出口空氣的干/濕球溫度及空氣流量等參數(shù)計算得出（焓差室實時監(jiān)控計算），冷凝水收集量是指移動空調(diào)穩(wěn)定運行過程中冷凝水從底盤排水口穩(wěn)定流出速率。

如表4所示，樣機不打水時各連續(xù)運行工況下冷凝水收集量均略小于系統(tǒng)除濕量，比值分別為99.18%、99.80%、99.66%和98.51%，表明蒸發(fā)器產(chǎn)生的98.51%～99.80%冷凝水（即系統(tǒng)除濕量）從底盤排水口流出（即冷凝水收集量）。而0.20%～1.49%冷凝水量的減少原因為蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷凝水有一小部分會流經(jīng)冷凝器翅片，部分吸熱蒸發(fā)后隨經(jīng)過冷凝器的空氣排出。符合冷凝水量質(zhì)量平衡原則，實驗數(shù)據(jù)可靠。

如表5所示，各連續(xù)運行工況下，樣機打水時冷凝水收集量分別為系統(tǒng)除濕量的6.43%、16.80%、22.12%和25.31%，表明打水輪打水使得74.69%～93.57%的冷凝水用于冷凝器的蒸發(fā)散熱，這與冷凝器出風(fēng)相對濕度大幅提升表現(xiàn)一致。

如表5所示，雖然打水過程消耗了大部分冷凝水，但仍有6.43%～25.31%的冷凝水未被蒸發(fā)。這表明，當(dāng)?shù)妆P排水口關(guān)閉時，隨著移動空調(diào)運行時間延長，冷凝水將在底盤內(nèi)不斷累積，從而導(dǎo)致滿水停機。為保證移動空調(diào)不滿水，理論上需將剩余6.43%～25.31%冷凝水繼續(xù)用于冷凝器散熱，進(jìn)而隨空氣排出。因此采用絕熱加濕理論，論證不輸入額外熱源時冷凝水能夠被完全蒸發(fā)的可行性。計算公式如下所示：

其中，tg1、tg2分別為絕熱加濕前后的干球溫度（℃），ts1、ts2分別為絕熱加濕前后的濕球溫度（℃），T為溫度函數(shù)關(guān)系式符號；h1、h2分別為絕熱加濕前后的濕空氣焓值（kJ），E為焓值函數(shù)關(guān)系式符號；w1、w2分別為絕熱加濕前后的空氣含濕量（kg），H為含濕量函數(shù)關(guān)系式符號；ma、Va為絕熱加濕空氣質(zhì)量流量（kg/h）和體積流量（m3/h），ρ為空氣密度（kg/m3），p為當(dāng)?shù)卮髿鈮海╧Pa）。根據(jù)濕空氣性質(zhì)，當(dāng)大氣壓p一定時，任意兩個獨立物性參數(shù)確定，該濕空氣的狀態(tài)即可確定[8,9]，因此可通過計算或焓濕圖確定其他物性參數(shù)，具體計算及查圖過程此處不再詳細(xì)介紹。

絕熱加濕計算結(jié)果如表6所示。

表6 絕熱加濕計算參數(shù)表

由表6可知，冷凝器出口空氣經(jīng)過絕熱加濕后，其相對濕度只達(dá)到52.6%～68.52%，相比100%相對濕度仍存在較大余量，因此，該移動空調(diào)冷凝水排除能力存在繼續(xù)提升空間。

2.1.2 冷凝器沿程溫度分布分析

為研究移動空調(diào)運行過程中冷凝器各區(qū)域溫度分布，測試A樣機在不同連續(xù)運行工況下冷凝器沿程各點溫度分布。冷凝器流程及布點位置如圖2所示，沿程各點溫度分別如圖3和圖4所示。

圖2 A樣機冷凝器原流程及布點位置示意圖

圖3 打水時冷凝器沿程溫度分布

圖4 不打水時冷凝器沿程溫度分布

如圖3所示，打水時冷凝器沿程各點溫度在不同濕度工況條件下變化趨勢基本一致，冷凝器進(jìn)口（位點9）溫度均約73℃，由于進(jìn)口處換熱溫差較大，位于上/下方支流的前幾個U彎表面溫度便迅速下降到50℃以下。位點10到位點20之間的U彎表面溫度均沿流程方向逐漸降低，與空氣及冷凝水換熱穩(wěn)定。特別注意的是，從位點21開始，后續(xù)各點溫度均下降至27℃附近，與環(huán)境溫度基本一致，表明從位點21開始，冷凝器沿程各U彎均喪失與空氣換熱的能力，顯然無法蒸發(fā)冷凝水。同時，上方支流（位點11、13、17、19、20）的溫度明顯高于下方支流（位點10、12、14、16、18），一是因為打水范圍有限且打水效果不均勻，導(dǎo)致下方支流前段接觸到的冷凝水明顯多于上方支流，從而冷凝水散熱效果不對等；二是因為相比下方支流，上方支流增加半排U彎和翅片，空氣流動阻力增大，從而對流換熱效果不對等。

如圖4所示，不打水時，冷凝器沿程溫度變化趨勢與打水時相似，但整體溫度明顯高于打水時的溫度。此外，位點21之后的U彎依然高于環(huán)境溫度，具有較好的換熱效果。

綜上所述，A樣機冷凝器流程存在換熱不充分的缺陷，在高濕工況下，冷凝器后部多個U彎已喪失換熱功能，利用率較低。此外，在冷凝器進(jìn)口處，U彎表面溫度較高時，上方支流卻無法與冷凝水充分接觸，較大溫差的換熱潛能無法發(fā)揮。因此，該樣機冷凝器流程存在較大優(yōu)化空間。

2.1.3 制冷量與能效分析

冷凝水排除能力是衡量移動空調(diào)免排水能力的重要指標(biāo)，但其優(yōu)化需要同時兼顧制冷量和能效（EER）的良好表現(xiàn)。因此對比各工況下樣機A打水、不打水的制冷量和EER的變化，以及冷凝器出風(fēng)溫度的變化，結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖可知，打水時整機制冷量和冷凝器出風(fēng)溫度均有所降低。基于理論分析，打水過程可增強冷凝器換熱，降低冷凝溫度，有利于提升制冷量，但實際打水過程中，冷凝水分布在冷凝器上增加風(fēng)阻，阻礙了冷凝器與空氣之間的換熱。此外，由圖7和圖8可知，打水時制冷劑流經(jīng)前幾個U彎后蒸發(fā)器溫度迅速上升，而不打水時蒸發(fā)器溫度因沿程阻力而下降，表明打水時整機制冷劑流量更小。因此，打水過程增強了冷凝器與冷凝水之間的換熱，但降低了冷凝器與空氣之間的換熱，且流經(jīng)冷凝器的制冷劑流量降低，最終導(dǎo)致冷凝器總換熱量降低，整機制冷量降低，與打水時冷凝器出風(fēng)溫度低于不打水時的實驗結(jié)果相符。

圖5 各工況下樣機A制冷量和EER的變化

圖6 冷凝器出風(fēng)溫度

圖7 打水時蒸發(fā)器沿程溫度分布

圖8 不打水時蒸發(fā)器沿程溫度分布

此外，與不打水相比，打水通過強化冷凝器與冷凝水的換熱，使得冷凝器平均溫度降低，進(jìn)而壓縮機工作負(fù)荷降低，且整機功率降低幅度明顯高于制冷量降低幅度，故打水時整機能效EER大幅提升：85%～97%相對濕度工況下分別提升15.13%、14.29%、13.31%、14.39%。

2.2 冷凝器流程優(yōu)化對A樣機各參數(shù)的影響分析

2.2.1 流程優(yōu)化對冷凝水利用率的影響分析

與普通分體式空調(diào)有所不同，移動空調(diào)冷凝器設(shè)計時除了關(guān)注與空氣的對流換熱外，還需考慮打水時與冷凝水的蒸發(fā)換熱。因此，平衡冷凝器與空氣、冷凝水之間的換熱對冷凝器的整體換熱效果至關(guān)重要。如前所述，A樣機冷凝器在溫度較高的上方支流進(jìn)口處無法充分接觸冷凝水，換熱潛能被抑制，由此對冷凝器進(jìn)行優(yōu)化：將進(jìn)口側(cè)半排U彎調(diào)整到出口側(cè)，具體流程如圖9所示。除冷凝器流程更改外，A樣機制冷劑量、壓縮機、蒸發(fā)器和節(jié)流元件等其余配置保持不變。

圖9 A樣機優(yōu)化后流程及布點位置示意圖

冷凝器流程優(yōu)化后，A樣機除濕量及冷凝器出風(fēng)狀態(tài)參數(shù)如表7所示，系統(tǒng)除濕量稍有下降，冷凝水收集量和冷凝器出風(fēng)參數(shù)變化較大。其中，冷凝水收集量相比原流程大幅減少，分別是原流程的0%、10.96%、47.13%和42.40%。因此，流程優(yōu)化后冷凝水生成速率有所降低，但冷凝水利用率得到提升，冷凝水排除效果得到大幅提升，與冷凝器出風(fēng)的相對濕度增大表現(xiàn)一致。

表7 流程優(yōu)化后A樣機系統(tǒng)除濕量及冷凝器出風(fēng)參數(shù)表

如表8所示為A樣機流程優(yōu)化對冷凝水排除能力的影響。原流程只能滿足80%相對濕度6小時不滿水，當(dāng)相對濕度升至95%時，約0.4小時便滿水停機；流程經(jīng)優(yōu)化后，A樣機在90%相對濕度下滿足6小時不滿水，95%時不滿水時間延長至5.5小時。由此表明，流程優(yōu)化后A樣機冷凝水排除能力得以大幅提升。

表8 流程優(yōu)化后A樣機連續(xù)運行結(jié)果參數(shù)表

2.2.2 流程優(yōu)化對冷凝器溫度分布的影響分析

冷凝器流程經(jīng)優(yōu)化后的沿程各點溫度如圖10所示。冷凝器進(jìn)口溫度約73℃，與原流程表現(xiàn)一致，不同的是，沿流程方向之后各點溫度便迅速下降至45℃左右，比原流程低3～4℃。原因在于冷凝器進(jìn)口處上/下方支流均無遮擋，可與冷凝水充分接觸，較大的換熱潛能被激發(fā)，換熱效果提升，同時有利于冷凝水的消耗和排除。此外，與原流程相比，冷凝器出口處部分U彎的整體溫度更高，表明此處換熱效果也得以提升。

圖10 冷凝器優(yōu)化后的沿程溫度分布

2.2.3 流程對制冷量與能效的影響分析

制冷名義工況（表2所示）下兩種流程的性能參數(shù)如表9所示，流程優(yōu)化后A樣機制冷量提升1.31%，從而EER提升2.42%。同時，冷凝器進(jìn)出口溫差明顯增大，冷凝器平均溫度則基本一致，功率略微下降，根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，制冷劑量不變時冷凝器換熱量增加，蒸發(fā)器側(cè)換熱量也相應(yīng)提升，因此制冷量得到提升[10]。

表9 流程優(yōu)化前后A樣機性能參數(shù)表

綜上所述，將冷凝水盡可能打到冷凝器溫度較高的U彎處不僅能大幅提升冷凝水蒸發(fā)換熱的效果，提升冷凝水排除能力，也能提高制冷量和EER。

2.3 冷凝器流程對B樣機各參數(shù)的影響分析

如上文所述，確保冷凝器高溫側(cè)充分與冷凝水接觸，增強蒸發(fā)換熱效果，可進(jìn)一步提升整機的冷凝水排除能力。由此，在各實驗工況下對B樣機的不同冷凝器流程設(shè)計進(jìn)行對比研究。

B樣機冷凝器三種流程（流程1#、流程2#、流程3#）分別如圖11 a)、b)和c)所示。流程1#采用兩進(jìn)一出逆流流程，流程#2采用一進(jìn)一出逆流流程，流程3#采用一進(jìn)一出先順后逆的混合流流程。從氣流換熱角度分析，流程1#與流程2#均采用逆流流程，有利于提高冷凝器與空氣的換熱溫差，提升對流換熱能力；流程3#采用混合流流程，冷凝器與空氣的對流換熱效果不如另外兩種流程。從打水角度分析，流程3#將溫度較高的兩排U彎設(shè)置在打水輪兩側(cè)，打水效果最佳；流程2#由于采用單流程，因此打水輪兩側(cè)的兩排U彎平均溫度高于流程1#的平均溫度，打水效果優(yōu)于流程1#。因此，空氣對流換熱能力：流程1#≈流程2#＞流程3#；冷凝水蒸發(fā)換熱能力：流程1#＜流程2#＜流程3#。

圖11 B樣機冷凝器三種流程示意圖

90%相對濕度（26.7/25.4℃）工況下，樣機B分別采用上述三種流程時，連續(xù)運行滿水時間如表10所示。其中流程1#僅1.5小時即滿水停機，流程2#滿水時間稍有提升，流程3#連續(xù)6小時不滿水，即冷凝水蒸發(fā)換熱能力：流程1#＜流程2#＜流程3#，與前面分析結(jié)果一致。

表10 B樣機三種流程的連續(xù)運行參數(shù)表

制冷名義工況（表2所示）下，B樣機三種流程的性能參數(shù)如表11所示，結(jié)果表明流程2#的性能表現(xiàn)最佳，制冷量比流程1#和3#分別高5.65%和6.75%，EER分別高6.81%和11.61%。由冷凝器進(jìn)/出口溫度可知，流程1#和2#進(jìn)/出口溫差基本一致，但流程2#冷凝器平均溫度比流程1#低3℃左右，因此流程2#制冷量更高；而流程3#雖然進(jìn)/出口溫差更大，但平均溫度也更高，使其制冷量反而低于流程1#和2#。即，總換熱能力：流程3#＜流程1#＜流程2#。

表11 B樣機三種流程的整機性能參數(shù)表

綜上所述，移動空調(diào)冷凝器的換熱包括空氣對流換熱和冷凝水蒸發(fā)換熱。采用逆流流程能夠增強空氣對流換熱效果，但可能會導(dǎo)致冷凝水排除能力被抑制，即連續(xù)運行容易出現(xiàn)滿水停機現(xiàn)象。而混合流流程雖然能夠增強打水效果，提升冷凝水排除能力，但與空氣的平均換熱溫差減小導(dǎo)致對流換熱效果被抑制，制冷量和能效降低。因此，冷凝器設(shè)計應(yīng)當(dāng)綜合考慮空氣對流換熱和冷凝水蒸發(fā)換熱的效果，當(dāng)制冷量和能效滿足要求時，盡量提高冷凝水蒸發(fā)換熱效果，可以提升冷凝水排除能力。

3 結(jié)論

基于四種連續(xù)運行工況，圍繞冷凝器流程設(shè)計特點，重點對比分析移動空調(diào)A樣機分別打水和不打水時的各參數(shù)（冷凝水生成及蒸發(fā)、冷凝器沿程溫度分布、制冷量和EER），以指導(dǎo)冷凝器流程優(yōu)化方向，從而提升冷凝水利用率。進(jìn)而以A樣機冷凝器為實驗對象，研究其流程優(yōu)化前后各參數(shù)的變化。同時，增加B樣機冷凝器三種流程的對比實驗，關(guān)于冷凝器空氣對流換熱和冷凝水蒸發(fā)換熱之間的協(xié)同規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）在85%～97%相對濕度下，A樣機采用打水輪通過冷凝水蒸發(fā)換熱方式能夠消耗74.69%～93.57%冷凝水。而經(jīng)絕熱加濕計算冷凝器出口空氣的相對濕度僅達(dá)52.6%～68.52%，表明該移動空調(diào)存在將所有冷凝水全部蒸發(fā)的潛力。

（2）冷凝器流程優(yōu)化后，A樣機名義制冷量提升1.31%，能效（EER）提升2.42%，冷凝水排除能力得到大幅提升（95%相對濕度連續(xù)運行不滿水時間由0.4小時延長至5.5小時）。因此，確保冷凝器溫度較高表面與冷凝水充分接觸能同時提升冷凝水利用率及名義制冷量和EER。

（3）B樣機冷凝器三種流程的對比實驗表明，逆流流程能夠增強空氣換熱效果，但會導(dǎo)致冷凝水排除能力被抑制；混合流流程能夠增強冷凝水蒸發(fā)換熱效果，但與空氣的平均換熱溫差減小使得空氣對流換熱效果被抑制。因此，冷凝器的設(shè)計應(yīng)當(dāng)綜合考慮氣流換熱和冷凝水蒸發(fā)換熱效果，在制冷量和能效滿足要求時，提高冷凝水蒸發(fā)換熱占比可以提升冷凝水排除能力。