空调潜热交换技术及室内换热器冷热分区优化研究可行性报告.doc

空调潜热交换技术及室内换热器冷热分区优化研究项目可行性研究报告 一、项目概述 空调出现已经有100多年的历史了，近些年来随着空调普及以及人们对舒适度要求的不断提高，舒适性问题被人们广泛关注，相关研究越来越多。对人的舒适感产生影响的因素较多，如空气的温湿度状况，空气的品质好坏，照明水平，周围环境的噪音水平及色彩、视觉状况等。与空调相关的舒适性问题目前主要集中在环境热舒适的研究和室内空气品质的研究，这也是对舒适性影响较大的两个因素。 家用空调是一种独立的空气处理装置，目前家用空调的形式越来越多，但其目的是为了满足人们对舒适性的要求。 家用空调同质化的日益严重需要空调企业加深对空调产品理解的细化；随着空调产品的普及，人们在空调使用中发现的对舒适影响大的问题需要在空调的设计之初即加以考虑；人们对舒适性要求的不断提高要求空调产品能真正的满足各时段的需要，而不是简单的提供制冷制热，要求能够合理的提供所需要的冷热。在这种情况下，科龙空调历经十几年的开发与生产，从自身对空调的理解与大量的市场信息反馈相结合，针对家用空调中湿度控制的缺陷提出了对现有空调中除湿模式的优化设计思路。广东科龙空调器有限公司是广东科龙电器股份有限公司的重要组成部分，已有十多年的空调设计生产经验，年产销量达到300多万台，产品在国内享有较高的声誉，特别是在节能空调领域，科龙处于全国领先的地位。公司一向以科技领先作为企业的发展之本，极为重视对技术的发展与投入，为新产品的开发奠定了坚实的基础。二、项目技术可行性分析 2005年是中国空调产业飞速发展的一年，同时也是中国空调产业向集约化转变的一年，随着国家能效标识制度的推出，国家对空调行业的准入门槛提高，对空调行业的引导转向集约化，高效化。空调企业竞争更加激烈，不断寻找新的利润增长点成为各企业是否能保持良性发展的关键。我国的南方地区，冬春季节，湿度较大，但这时空气温度较低，以广州为例，最冷月为1月，月平均气温为12.9-13.5，12月到次年3月的平均气温在13-15，此时相对湿度较大，特别是2、3月份，相对湿度达到90%以上，对人的舒适感以及家具、建筑物寿命影响较大。现有的家用空调器对湿度的控制较为粗糙，无法解决低温高湿情况的空气处理问题。传统的除湿模式是在制冷模式的基础上，将空调器室内机风扇转速降低，一方面通过降低通过换热器的热流量，降低换热器内制冷剂的蒸发温度，从而降低换热器的表面温度，换热器与空气接触的表面温度大大低于需处理空气的露点温度；另一方面通过增长空气与换热器的接触时间，尽可能多地使空气中的水分在和换热器的接触中析出凝结在换热器表面。通过以上两种方式的组合来提高热交换中潜热的比例，达到多除去空气中水分的目的。但由于显热交换在该过程中同时存在，空调在除去水分的同时降低了空气的温度，循环空气的含湿量虽然降低了，但相对湿度降低有限，温湿度同时作用下，使得人体更加不适。传统除湿控制的弊病是在环境温度过低的情况下，原有的除湿模式对空调的最低开启温度条件有限制，空调在除湿模式下无法开启。此时如要降低房间相对湿度，只能以制热模式来提高空气温度，从而降低空气的相对湿度。由于此时室外环境温度相对较高，房间将很快达到设定温度，空调将出现频繁起停，能耗将显著增加，另外，在制热运行中环境温度的提高将增加房间内湿源（如厨房、卫生间）相空气的散湿量，当空调停止运行后，房间湿度将马上增加，对人的舒适感及房间的环境、家具用品影响较大。如何能够既保持舒适的温度又降低多余的湿量？是否可在除湿的过程中保持出风温度不变或略有提高？为了达到以上目的，技术人员进行了以下研究：部分冷凝潜热由室外向室内转移的研究；室内换热器冷热分区及效率研究；噪音处理研究；可靠性及随动调节研究。家用空调除湿控制的优化研究的关键技术1）部分冷凝潜热由室外向室内转移的研究目前的除湿模式实际上是在制冷模式的基础上，将室内机风扇转速降低，一方面降低蒸发温度，一方面增长接触时间，用来提高热交换中潜热的比例，达到多除去空气中水分的目的。该过程中显热潜热交换同时存在，房间空气湿度降低的同时温度有明显的下降，因此相对湿度降低有限，而温湿度同时作用下，人体感觉更加不适。人们需要的是保证除去湿度的同时保持原有的房间温度，或缓慢的提高房间温度，给人们创造一个温暖干爽的环境。一种简单的作法也是目前一些企业所采用的作法是利用现有空调产品的辅助电加热器，一方面开着制冷除湿降温，另一方面开通电加热装置提高空气温度，利用电加热器的发热抵消一部分空气温降。这种情况下有几个问题存在：一、由于电加热的效率小于1，因此此时的能源利用率比较低，二、开制冷的同时使用电加热，冷热抵消，且需耗费压缩机的功耗和电加热的功耗，造成能源浪费，三、由于除湿过程中蒸发器上会有大量水滴，电加热距离蒸发器较近，如水滴滴下会造成安全隐患。针对以上情况，考虑制冷过程中冷凝器测为高温高压，有大量的热量需要散失在室外已达到给制冷剂降温的作用以满足制冷循环。低温除湿时，室内侧需要一定的热量来抵消除湿过程中空气的温降，如将室外的散热在除湿时适量的转移到室内,即可合理利用能源，又可解决除湿中空气温降造成人体不适的弊病。制冷时适当的降低室外的换热量，并将节流部件进行调整，将未完全降温有较高焓值的制冷剂引入室内，在室内进行二次换热，将高温降为低温，同时进行节流，将制冷剂转变为低温低压，利用制冷剂的蒸发进行降温除湿，蒸发器同时兼有冷凝和蒸发作用，先放热后降温除湿。由于在室内侧的冷凝中有一部分热量散出，抵消了一部分蒸发吸热，在除湿的同时保证了空气的合理温度，消除了温降引起的人体不适。由于室内换热器中的散热量和吸热量均由制冷循环本身产生，只是进行了空间位置上的调整，因此并无多余的能量消耗，从能源利用率方面来讲，这种方式更加合理，对能源利用更加充分。（见图）图1 传统流路图2 改变后流路2）室内换热器冷热分区及效率研究由于室内蒸发器在该过程中冷热交换同时存在，减少无效冷热损失至关重要，因此必须做好冷热分区，提高各分区的效率。首先分析一下室内可能存在的冷热损失，由室外引入室内的高温制冷剂在蒸发器中先散出热量，然后经节流后进行吸热，如高温区与低温区紧密接触或前后叠加，将会有一部分热量直接通过换热器的翅片与铜管直接换热，无法有效的和空气进行热交换，将影响到对空气的处理效率。为了减小无效热损失，必须尽可能增大冷热分区间的热阻，因此可考虑将分区设在换热器翅片的切断处，该处由于热桥被切断，热流量将大大减小。按照先热后冷的流动方向，结合室内多折式换热器的特点，可将冷热分区从某一段换热器的折弯处进行分区。由于多折式蒸发器的折弯处翅片切断，有较大的热阻，因此选择折弯处作为冷热分区的分界线可防止无效冷热传递。冷热分区的另一个问题是合理分配冷热区的面积。因为蒸发器同时兼有加热和除湿的作用，并且要求热区产生的温升大于或等于除湿所造成的温降，因此面积比例必须合理。由于冷凝侧已经有部分热量散失在室外，制冷剂的焓值已大大下降，因此散热的面积应适当加大；吸热部分考虑增大除湿量须尽可能的提供较低的壁面温度以增大空气中水分的析出，因此需采用较低的蒸发温度，由于蒸发温度与空气温度差值较大，为了减少整体空气的温降，需适当减少降温除湿用换热器面积。通过实验验证，合理的冷热面积比例约为3：2。由于冷热分区的存在，冷凝水的排除必须顺畅且不能流经热区，避免二次吸热蒸发，因此在设计中采用了热区位于上部，冷区位于中下部的方法，使冷凝水能直接流进接水盘快速排出。（如图）由于在室内换热器上同时实现冷热交换，又要兼顾非除湿运行时的效率，因此开发人员设计了较为合理的分流，不但满足舒适除湿的功能，同时兼顾制冷、制热的运行效率。设计时沿着制冷剂压降方向进行流路设置，在多折式蒸发器的最上部为高温高压的冷媒，在冷媒过冷后利用室内的节流装置将冷媒降压至蒸发状态，同时考虑流阻，风量分配，流路中制冷剂分配的均匀性等对换热器进行了合理的流路分配，提高各段的换热效率。3）噪音处理的研究由于节流部件有一部分位于室内，制冷剂从高压降到低压的过程中，在毛细管的节流作用下，制冷剂高速流动，产生噪音，因此必须对室内的节流部件进行优化设计，以达到最大限制噪音的目的。根据对冷媒流动的分析，噪音的产生主要来自几个方面，一、冷媒由高压段管路突然转入毛细管突缩所产生的突然加速引起的高速流动及震动所产生的噪音，二、冷媒在毛细管中高速流动的噪音，三、毛细管出口处高速流体流动截面突扩引起压力突变形成流动拥塞产生的噪音。针对噪音的形成原因，设计人员根据消除噪音的基本原理，采用增加壁厚降低振动，阻尼减震，采用吸音材料引起声波衰减的方法，对室内侧的节流部件进行了全面处理。在毛细管的两端增加大壁厚德消音器，对毛细管本体采用阻尼材料包裹，并在阻尼外增加吸音材料，实验证明有效地降低了室内节流部件所产生的噪音。4）可靠性及随动调节研究由于现有除湿模式已无法达到实际使用的要求。如气温在15时，由于此时环境温度偏低，当室内温度较低时，在房间壁面，地面等散热量大，温度较低的地方，水分会析出，一方面影响人的舒适，一方面损害建筑物和家居用品。而此时室内控制因环境温度低会限制使用制冷除湿；如采用制热模式，由于室外温度较高，房间负荷较小，房间温度升高速度较快，压缩机会出现频繁起停，一方面造成对其它家用电器的冲击，一方面系统始终运行在不稳定的低效率状态。另外由于靠提高温度来改变相对湿度，没有达到去除多余湿量的作用，由于温度提高反而使得房间的敞口容器或人体散失量加大，空气中的水分增多。当温度下降时，相对湿度会马上回升，在壁面等温度较低的地方水分会率先析出，影响人的舒适，对房间和家具也会造成损害。由于环境温度是经常性变化的，而室内的显热负荷和潜热负荷也紧随变化，因此空调所要提供的加热量和除湿量应随负荷的不同而变化，因此采用变频系统可较好的解决该问题。利用室内盘管温度的变化和房间回风温湿度的变化，调整压缩机的能力输出，从而达到调节室内显热和潜热交换量的作用。另外由于室外风扇的多档调节，可通过调节室外散热的多少来调节输入房间的热量，达到调解冷热比例的作用，从而控制房间的温升和送风温度、相对湿度。由于压缩机频率变化、负荷变化及室外风扇的转速变化，对系统的可靠性产生影响，针对系统中对压缩机等关键零部件可能产生重大影响的状况，系统人员与控制人员进行了认真的研究和实验验证，针对回液、油温、控制模块温升、阀门动作冲击等对压缩机影响较大的关键点进行了实验验证，调整控制系统的参数，保证了系统的可靠性。对现有的空调除湿模式进行优化,提高空调产品的舒适度及应用范围, 利用该技术开发1至2款新机型,为空调公司带来新的利润增长点.三、项目的成熟程度 1、产品的鉴定及产品性能检测情况说明。 2、产品的质量稳定性，以及在价格、性能等方面的用户说明。 3、核心技术知识产权情况。该技术适用于家用房间空调器，可有效提高产品的除湿舒适性，节能、环保，提高了空调的舒适性，增强了空调的应用范围，改善了人们的居住环境。应用该技术的房间空调器达到了除湿不降温的效果，提高了整机的能源利用效率,解决了梅雨季节带给人们的不便。由于硬件上只在室内增加了一个电磁阀和湿度传感器，其余从软件上实现，故该产品成本变化不大，但所实现的功能却意义重大，对空调品质的提升作用重大，大大提高了空调的应用范围和所能提供品质的质量。该项目拟在申报的专利有两项，软件创新未进行公开。 四、市场需求情况及风险分析 1、国内市场的需求规模和产品的发展前景，产品预测在市场的占有率。 2、国际市场的状况及产品未来的发展趋势，在国际市场上的竞争力，产品替代进口或出口的可能性。 3、风险因素分析及对策。目前，就整体而言，国内市场上尚未有类似产品销售，部分厂家采用传统除湿加电加热的方法，浪费能量且不安全。目前国外在日本有类似技术的报道，但全部在日本销售，目前国内尚无类似产品销售。随着人们对舒适度要求的提高，空调功能的增加势在必行，由于科龙已从制冷原理及控制软件方面掌握了该技术的核心部分，因此产品的开发已没有问题，但产品的可靠性和稳定性在用户实际使用时还将经受不同使用条件的考验，有可能需要进一步改进，但就目前的状况来看，小批量的推向市场可以进行。五、投资估算及资金筹措 根据项目开展计划，所需资金约5800万元，已经投入3000万元，用于立项、调研、信息交流以及设备购置等前期准备工作。计划追加经费2800万。六、经济和社会分析 我公司开发的智能除湿空调器具有人性化、智能化、舒适性性强、能耗低等特点，有效的消除原有家用空调除湿模式的弊病，使用范围广，舒适节能，具有很强的市场竞争力，取得了良好的市场反应，获得了良好的经济效益。科龙开发的该系列智能除湿空调器量产后估计年销售2万台。按我公司售价，单台5000元计算，可创造销售额10000万。按单台利润800元计算，可获利润1600万元，将成为新的利润增长点。1经济效益分析我公司开发的智能除湿空调器具有人性化、智能化、舒适性性强、能耗低等特点，有效的消除原有家用空调除湿模式的弊病，使用范围广，舒适节能，具有很强的市场竞争力，取得了良好的市场反应，获得了良好的经济效益。科龙开发的该系列智能除湿空调器量产后估计年销售2万台。按我公司售价，单台5000元计算，可创造销售额10000万。按单台利润800元计算，可获利润1600万元，将成为新的利润增长点。2社会效益分析科龙智能除湿空调器技术研究成功开发，加快了国内房间空调器向精细化，人性化，舒适化方向的发展，为空调企业转换思路向技术挖潜起到了带动作用。七、企业综合实力和产业基础 广东科龙电器股份有限公司是全国520户国家重点企业之一，广东省83户重点发展企业之一，广东省高新技术企业，是中国目前规模最大的制冷家电企业集团，资产总额76亿元，固定资产19亿元。公司现有人员8990人，其中技术人员1850余人。科龙集团通过ISO9001质量体系认证、ISO14001环保体系认证。科龙集团开发了一批具有自主知识产权、高附加值、高技术的名牌产品和专利技术。如自行研制开发的异丁烷无霜电冰箱技术于1999年