空調換熱器用銅量對空調器性能的影響分析

胡衛榮

摘 要： 從小管徑銅管替代的角度出發，針對目前市場上常見的管徑為Φ9.53 mm、Φ7 mm以及Ф5 mm的銅管空調換熱器進行性能測試和成本對比分析.研究結果表明：采用Φ5 mm銅管換熱器比采用Φ7 mm銅管換熱器的用銅量最高節約了26.74%；采用Φ5 mm銅管換熱器比采用Φ9.53 mm銅管換熱器的用銅量最高節約了46.43%；而在相同實驗條件下，Φ5 mm銅管平均換熱性能比Φ7 mm銅管平均換熱性能和Φ9.53 mm銅管平均換熱性能均有所增加.

關鍵詞： 空調器； 用銅量； 換熱性能； 成本

中圖分類號： TB 657 文獻標志碼： A

Abstract： In the view of replacement of large diameter copper pipes with the small diameter pipes，the performance and cost of three different air conditioners were investigated，in which the common copper tubes with diameters of 9.53 mm，7 mm and 5 mm were used respectively.The results show that the copper consumption of the heat exchanger made with Φ 5 mm pipes is 26.74% lower than that of the heat exchanger made with Φ 7 mm pipes，and 46.43% lower than that of the heat exchanger made with Φ 9.53 mm pipes.Under the same experimental conditions，the heat exchange performance of the Φ 5 mm pipe is better than that of the Φ 7 mm pipe and the Φ 9.53 mm pipe.

Key words： air conditioner； copper consumption； heat exchange performance； cost

隨著經濟的快速發展，空調的市場容量逐年擴大，對空調質量和價格的要求也在逐步提高.制冷空調行業中，銅是空調器的重要原材料之一.雖然中國銅儲量位居世界第七，但產地相對分散，產量低，與世界平均水平相比尚有很大差距.國內企業每年需要的銅原料的4/5來自進口[1].鋁管代替銅管和采用更小管徑的銅管是降低產品成本的兩大手段[2].采用更小管徑的銅管不需要在設備和工藝方面進行較大的改進，是目前企業降低成本的首選方案.換熱器用銅量在空調器性能和價格的競爭中起著舉足輕重的作用，對換熱器中的銅管無論在管型、管徑，還是在壁厚等方面的技術要求都更高.因此，如何使銅管更好地滿足空調行業的需要，獲取低成本、高效率、高質量的換熱器已成為銅管制造業公認的發展趨勢.

本文針對目前市場上常見的換熱管管徑分別為Φ9.53 mm、Φ7 mm以及Φ5 mm的家用空調器進行性能測試分析和用銅量分析，研究換熱器用銅量對家用空調器的制冷量、分液均勻性、壓降特性、換熱特性、制冷能效比（EER）等參數的影響.

1 家用空調器性能測試方法

1.1 焓差法性能測試方法

該方法是根據ASHARE單元式空調設備和熱泵設備的性能實驗方法[3]，確定單元式空調設備及制冷單元式熱泵設備的制冷量和制熱量等性能參數的測試方法.圖1為風洞式空氣焓值法的試驗裝置.被測樣機的室內、外機分別放在測試室的室內側和室外側，空氣測量裝置安裝在室內側并與空調器送風口相接，空氣測量裝置的保溫從空調器送風口開始，直到測點為止，包括連接風管在內.試驗房間內設有空氣再處理機組，使進入機組的空氣保持所需要的干球、濕球溫度.每隔5 s記錄一次數據，總共記錄100組數據.圖2為家用空調器焓差法性能測試實物.

1.2 家用空調器焓差法性能測試工況設定

本文根據美國ARI 210/240—2008標準[4]確定家用空調器焓差法性能測試方案.對于定頻、變頻家用空調器進行高溫、中溫、低溫三個工況的制冷模式測試，制冷模式循環衰減系數C取默認值0.25.測試條件如表1所示.

2 不同換熱管徑家用空調器用銅量以及性能對比分析2.1 不同換熱管徑家用空調器用銅量對比分析

為分析不同管徑家用空調器性能和基本結構的差異，本文選取市場上常見的制冷量基本相同的3臺不同廠家生產的、不同容量、不同類型的家用空調器作為樣機進行拆機測試，樣機基本性能參數及用銅量如表2所示.

由表2可知，對于同一室內機換熱管管徑、不同制冷劑充注下的樣機1與樣機2，當將室外機換熱器管徑由Φ9.53 mm換為Φ7 mm后，制冷劑充注量減少，室外機換熱面積由36.95 m2減少至30.27 m2，室外機用銅量由3.96 kg減少至2.50 kg，室外機單位用銅量換熱面積由9.33 m2·kg-1增加至12.11 m2·kg-1，室內、外機總用銅量由5.88 kg減少至4.30 kg，節約了26.87%的用銅量.

對于同一室外機換熱管管徑、同一制冷劑充注下的樣機2與樣機3，由于室內機換熱管管徑由Φ7 mm換為Φ5 mm后，制冷劑充注量由1.40 kg減少至1.05 kg，室內機換熱面積由13.42 m2減少至12.81 m2，室內機用銅量由1.80 kg減少至0.98 kg，室內機單位用銅量換熱面積由7.46 m2·kg-1增加至13.07 m2·kg-1，室內、外機總用銅量由4.30 kg減少至3.15 kg，節約了26.74%的用銅量.

對于同一額定制冷量，不同制冷劑充注下的樣機1與樣機3，樣機1屬于定頻空調，樣機3屬于變頻空調，換熱管管徑減小后，制冷劑充注量減少，室內機換熱面積由11.59 m2增加至12.81 m2，室內機用銅量由1.92 kg減少至0.98 kg，室內機單位用銅量換熱面積由6.04 m2·kg-1增加至13.07 m2·kg-1，室外機換熱面積由36.95 m2減少至24.21 m2，室外機用銅量由3.96 kg減少至2.17 kg，室外機單位用銅量換熱面積由9.33 m2·kg-1增加至11.06 m2·kg-1，室內、外機總用銅量由5.88 kg減少至3.15 kg，節約了46.43%的用銅量.

因此，當空調器換熱管管徑減小后，制冷劑充注量明顯減少，換熱器用銅量也明顯減少，但為了保證制冷能力（制冷量、制冷能效比等）基本不變，需要增加單位用銅量的換熱面積.

2.2 不同管徑家用空調器性能對比分析

根據表1中的3個工況，對3臺樣機分別進行測試，比較3臺空調器的用銅量對制冷量、分液均勻性、壓降特性、換熱特性、制冷能效比（EER）等參數的影響.

由表3、4、5可知，3種制冷工況下，當采用小管徑換熱管后，管內流速明顯增加，管內湍流度增加，Re、Nu增大，換熱系數增加.

由表3可知，A2制冷工況下，對于同一室外機換熱管管徑、不同室內機換熱管管徑、同一制冷劑充注下的樣機3比樣機2的平均換熱系數增加了79.33%，管內流動阻力增加了25.48%；對于同一室內機換熱管管徑、不同制冷劑充注下的樣機1與樣機2，由于制冷劑由R22換為R410A，平均換熱系數增加了48.39%，管內流動阻力減小了23.65%.

由表4可知，B2制冷工況下，樣機3比樣機2的平均換熱系數增加了91.81%，管內流動阻力增加了5.29%；樣機2與樣機1相比，平均換熱系數增加了43.98%，管內流動阻力減小了4.37%.

由表5可知，F1制冷工況下，樣機3比樣機2的平均換熱系數增加了71.88%，管內流動阻力增加了1.79%；樣機2比樣機1，平均換熱系數增加了44.02%，管內流動阻力增加了10.10%.

所以，將家用空調器換熱管由大管徑換為小管徑后，由于管內流速增加，管內湍流度增強，導致小管內平均換熱系數增加，有利于換熱器兩側的換熱.但是伴隨著換熱管管徑的減小，管內流動阻力增加，壓降增大.

3 結 論

本文針對選取的3臺樣機，先利用焓差實驗室對空調器性能進行測試，測試完畢后，對樣機進行拆機、計算用銅量.主要結論為：

（1） 采用小管徑銅管替代大管徑銅管后，空調器中制冷劑充注量有所減少，換熱器管路中的制冷劑流速明顯增加，管內湍流度增強，換熱性能增強，但是流動阻力增加，系統壓降增大.

（2） 采用Φ5 mm銅管換熱器比采用Φ7 mm銅管換熱器的用銅量可節約26.74%；采用Φ5 mm銅管換熱器比采用Φ9.53 mm銅管換熱器的用銅量可節約46.43%.

參考文獻：

[1] 吳揚，李長生，鄧斌.采用小管徑銅管空冷換熱器的性能成本分析研究[J].制冷技術，2010（2）：19-22.

[2] 冼志健，王開發.小管徑銅管換熱器的性能及成本分析[J].制冷與空調，2013，13（5）：65-66.

[3] AirConditioning，Heating，and Refrigeration Institute.AHRI Standard 1230，2009 Standard for Performance Rating of Variable Refrigerant Flow（VRF） MultiSplit AirConditioning and Heat Pump Equipment[EB/OL].[2012-02-15].http：//www.docin.com/p-342754767.html.

[4] 美國空調、供熱及制冷工業協會.單元式空調和單元式空氣源熱泵空氣調節器性能等級評定[EB/OL].[2014-12-01].http：∥wenku.baidu.com/view/321ff75277232f60ddcca17c.html.

[5] 楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.