梁劍輝

(廣東三洋空調(diào)機有限公司,廣東佛山528000)

1 前言

我國在2005年頒布了空調(diào)產(chǎn)品能效比的標(biāo)準(zhǔn),將普通定速空調(diào)的能效比分為了五個等級:能效比3.4以上屬于1級產(chǎn)品,3.2～3.4的屬于2級,3.0～3.2的屬于3級,2.8～3.0的屬于4級,2.6～2.8的屬于5級,能效比低于5級的產(chǎn)品一律淘汰。

2009年3月,由國家質(zhì)檢總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了新的空調(diào)能效等級標(biāo)準(zhǔn),空調(diào)能效標(biāo)準(zhǔn)入門等級從原來的5級 (能效比2.6),大幅度提高到2級 (能效比3.2)。于2010年6月1日正式實施。新的能效等級也調(diào)整為3個層次,入門級為3.2,2級值為3.4,1級值為3.6,能效值達3.4的空調(diào)才能稱節(jié)能。

由于高能效空調(diào)享有國家的補貼政策,低能效空調(diào)正逐步被擠出市場,高能效產(chǎn)品將成為市場的主旋律。截止到2009年底,國內(nèi)市場累計銷售一二級高效節(jié)能空調(diào)420萬臺,是2008年全年銷售量的3倍,高效節(jié)能空調(diào)市場占有率從推廣前的大約5%上升到50%以上。據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析,2010年,高能效空調(diào)產(chǎn)品將占據(jù)85%的市場份額。

要提高空調(diào)能效比,不少空調(diào)廠家一是采用高能效壓縮機,但高能效壓縮機價格高;二是加大熱交換器面積,但將造成空調(diào)機尺寸加大,導(dǎo)致材料成本上升。怎樣才能開發(fā)出一種既成本低又高效節(jié)能的空調(diào)產(chǎn)品呢?在設(shè)計方面大膽創(chuàng)新是有效的途徑之一。

2 設(shè)計思路

要降低產(chǎn)品成本,重要的是降低產(chǎn)品的材料成本,其次是降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本?；谶@兩點,某品牌 2008年的新產(chǎn)品著重于 “產(chǎn)品最小化”和“材料薄板化”作為降成本的重點,再通過優(yōu)化制冷系統(tǒng),采用高效的熱交換器,性能匹配最佳化來達到高能效比的要求,以創(chuàng)新的設(shè)計開發(fā)出一種既成本低又高效節(jié)能的空調(diào)。

3 產(chǎn)品設(shè)計的內(nèi)容

(1)產(chǎn)品最小化,就是設(shè)計的空調(diào)機尺寸盡量小,這樣就能節(jié)省銅材、鋁箔、板金、樹脂的使用量,從而降低整機的材料成本。通過對比幾家空調(diào)廠家高效節(jié)能的空調(diào) (見表1),可以看出,該品牌2008年全新設(shè)計的產(chǎn)品相比2007年的產(chǎn)品整機尺寸都明顯縮小 (室外機和室內(nèi)機的體積都減小23%),質(zhì)量也減小不少。與其他廠家的空調(diào)相比,整機尺寸和質(zhì)量都最小,在市場上很有競爭優(yōu)勢。

其次,材料薄板化,室外機鈑金和室內(nèi)機樹脂部品的板厚薄材料化,削減材料使用量,從而降低材料成本。

該品牌2008年新產(chǎn)品以上述兩點為中心,分別在性能、構(gòu)造、電氣、生產(chǎn)性四個方面進行全新設(shè)計開發(fā),使成本降到最低,既提高公司的產(chǎn)品競爭力,又滿足消費者的需求。

表1 幾種高效節(jié)能空調(diào)的對比

3.1 構(gòu)造設(shè)計

(1)室內(nèi)機

1)室內(nèi)機樹脂部品板厚薄材料化,由2.5減為2.0mm。設(shè)法削減樹脂使用量,其中出風(fēng)口減40%、面板減30%、底座、格柵減25%、導(dǎo)風(fēng)板減55%。

2)小型化設(shè)計:K96T型 (2007年機型)尺寸為799×295×227,重10kg;K97GBX型 (2008年機型)尺寸為799×250×205,重7.5kg,體積削減23%。

3)部品件數(shù)的削減:將室內(nèi)機的樹脂部品件數(shù)由49件削減為36件,出風(fēng)部垂直導(dǎo)風(fēng)板一體成形、風(fēng)扇電機固定臺與底座一體化。

4)室內(nèi)機其他降成本設(shè)計:①樹脂材料由進口改為國產(chǎn);②過濾網(wǎng)材料由進口改為國產(chǎn);③后掛板面積縮小,削減板金使用量;④取消蒸發(fā)器出口管保護彈簧。

(2)室外機

1)室外機板金薄板化設(shè)計:盡可能削減鈑金部品的厚度,從而降低鈑金的材料成本。底盤板厚由0.8mm減為0.7mm;電機支架由1.2mm減為0.6mm;前面板由0.6mm減為 0.5mm;右側(cè)板由0.5mm減為0.4mm。

2)小型化設(shè)計:C96T型尺寸為 720×548×265,重31kg;C97GBX型尺寸為660×510×240,重27kg,體積削減23%。

3)削減固定螺釘數(shù)量:由43顆削減為31顆。

4)其他降成本設(shè)計:①前面板與左側(cè)板一體化;②左側(cè)塑料抽手與頂板一體化,取消一個抽手;③前出風(fēng)護罩由方形改為圓形,削減樹脂使用量;④右側(cè)抽手護蓋體積縮小,削減樹脂使用量;⑤電控鈑金由平放改為豎放,縮小電控板面積,削減鈑金使用量;⑥縮短管路件長度,銅管壁厚由T0.8變更為T0.7,削減銅管使用量。

3.2 電氣控制設(shè)計對應(yīng)

(1)室內(nèi)機:重點通過新設(shè)計來降低成本。

1)重新評估電氣回路 (刪除一些部品,采用國內(nèi)產(chǎn)品替代進口產(chǎn)品等)。

2)重新評估室溫傳感器的安裝位置 (實際安裝在表示器上),刪除傳感器線和安裝夾。

3)風(fēng)扇電機采用AC電機:07年型采用DC電機,08年型改用AC電機,成本可降低32%;AC電機性能和質(zhì)量都達到該品牌的標(biāo)準(zhǔn)。

4)PCB基板材質(zhì)由塑料基板變更為紙基板,基板成本可降低40%;經(jīng)過嚴(yán)格的測試,紙基板的質(zhì)量與塑料基板無異,能夠廣泛采用。

5)步進電機由進口改為國產(chǎn),降低成本10%。

6)遙控器小型化:縮小遙控器體積及LCD面積縮小16%,成本可降低50%。

7)電控盒內(nèi)部制作化,成本可降低19%。

(2)室外機:重點通過國產(chǎn)化來降低成本。

1)AC電機國產(chǎn)化。

2)采用價格優(yōu)惠的國產(chǎn)部品。

3)端子板端子減少一位 (6位減為5位);供電方式為室外供電。

4)縮短電氣部品連接線長度。

3.3 性能設(shè)計

制冷能效比 (EER)的定義:在額定工況下制冷運行時,制冷量與消耗功率之比。由此要提高能效比,則應(yīng)盡可能提高制冷量和降低消耗功率。從壓焓圖可知,要提高制冷量,方法是降低冷凝壓力,提高蒸發(fā)壓力。要做到這兩點,就要加大冷凝器和蒸發(fā)器面積,但成本也隨之上升;要降低消耗功率,可以采取加大冷凝器面積及選用更高效的壓縮機的方法。這些都是大部分空調(diào)廠家采用的提高能效比的方法,不過成本肯定居高不下。

當(dāng)初開發(fā)這款高效空調(diào)的時候,為了降低成本,室外機和室內(nèi)機的尺寸縮小了,冷凝器和蒸發(fā)器面積也隨之減小。為此,在性能設(shè)計方面著重于消耗功率的降低,具體是確保制冷量不變的前提下,大幅降低功率消耗,從而達到高能效比的要求。

(1)采用小排氣量的壓縮機?？照{(diào)所消耗的功率絕大部分是壓縮機產(chǎn)生的,要降低消耗功率,必須先降低壓縮機的功率。一方面,可以采用更高效的壓縮機,但價格貴;另一方面,采用小排氣量的壓縮機,降低消耗功率。新產(chǎn)品采用了排氣量小一檔的壓縮機 (減小 0.96cc/Rev),制冷量減小170W,功耗降低33W,價格也降低了20元。

(2)優(yōu)化制冷系統(tǒng),重新設(shè)計冷凝器和蒸發(fā)器,提高熱交換器的效率。由于新產(chǎn)品的換熱面積減少了,因此必須通過增大傳熱系數(shù),提高換熱效率,才能確保不降低換熱量。

3.3.1 冷凝器的設(shè)計改進

1)采用高效的內(nèi)螺紋管,管壁厚由0.29mm改為0.27mm,螺紋高度由0.20mm改為0.10mm,壁厚減薄,螺紋高度減少,螺紋減少,螺旋角度最佳化,強化制冷劑側(cè)對流換熱能力,增大熱交換效率,使冷凝壓力 (冷凝溫度)下降,質(zhì)量流量增加,制冷量增大;鋁箔采用0.1mm厚的,減少空氣側(cè)的壓力損失,強化空氣側(cè)的換熱,提高換熱效率;

2)翅片采用裂切片,提高傳熱系數(shù),加大換熱效率;

3)減小翅片片距:由1.4mm改為1.3mm,增大換熱面積,提高換熱效率;

4)制冷劑流路改良:由原來的上進下出改為二進一出,改變制冷劑的狀態(tài),提高傳熱效率 (見圖1)。

從圖1看出,通過對流路的改良,使制冷劑流動狀態(tài)發(fā)生改變,換熱效果更佳,冷凝溫度下降,冷凝器出口溫度降低了1.2℃,過冷度加大,制冷量增大,同時消耗功率降低,EER提高 (見表2)。

雖然冷凝器換熱面積減少了,但通過采用壁厚薄的內(nèi)螺紋管,減少翅片片距,流路的改良等設(shè)計來加大單位長度翅片管面積,增大了傳熱系數(shù),提高了傳熱效率,提高了換熱量。

圖1 冷凝器制冷劑二進一出流路示意圖

3.3.2 蒸發(fā)器的設(shè)計

1)采用高效的內(nèi)螺紋管 (與冷凝器相同規(guī)格),鋁箔采用0.1mm厚的親水鋁箔,強化傳熱,加大換熱效率;

2)翅片采用裂切片,提高傳熱系數(shù),加大換熱效率;

3)翅片形狀改良,增大傳熱系數(shù),提高傳熱效率;

4)減小翅片片距:由1.3mm改為1.1mm,增大換熱面積,提高換熱效率;

5)制冷劑流路改良 (見圖2):入口管采用T型三通分流,使上下兩分路制冷劑分液更均勻,大大提高了蒸發(fā)器的實際使用效率,增大制冷量。

表3 蒸發(fā)器流路的試驗數(shù)據(jù)對比

圖2 蒸發(fā)器制冷劑流路改良

圖3 蒸發(fā)器制冷劑流路改良示意圖

從表3可以看出,蒸發(fā)器A采用一進再通過三通的方式進行上下兩流路的分流,上流路的出口溫度過高 (16.4℃),說明上流路液態(tài)制冷劑較少,氣態(tài)制冷劑較多,上流路液態(tài)制冷劑很快就全部蒸發(fā)完了,上流路的出口溫度很快就達到了過熱區(qū),這樣造成蒸發(fā)器分液的不均勻,大大降低了蒸發(fā)器的實際使用效率,浪費了很多實際蒸發(fā)面積,制冷能力低。蒸發(fā)器B入口采用T型三通進行上下兩流路的分流,先使氣態(tài)制冷劑和液態(tài)制冷劑有個穩(wěn)流的過程,氣態(tài)制冷劑被滯留在入口管前端,絕大部分液態(tài)制冷劑分上下兩流路進入蒸發(fā)器,兩流路的中間溫度和出口溫度均勻,說明蒸發(fā)器分液均勻,大大提高了蒸發(fā)器的效率,制冷能力提高。

通過對冷凝器和蒸發(fā)器的上述設(shè)計,確保制冷量不變,而冷凝器和蒸發(fā)器面積的減小,使材料成本下降,從而降低成本。

3.3.3 制冷系統(tǒng)匹配優(yōu)化

(1)適量地減小充注量。

系統(tǒng)的制冷劑充注量可用下式估算:

式中:

G—系統(tǒng)制冷劑充灌量,kg;

VH—蒸發(fā)器容積,L;

Vk—冷凝器容積,L

根據(jù)設(shè)計計算可知,蒸發(fā)器的總傳熱管長為12.58m,冷凝器的總傳熱管長為20.78m,相應(yīng)的各自容積為VH=0.484L、Vk=0.799L,由此,可估算出該系統(tǒng)的制冷劑充注量為:

通過實驗比較,充注量由670g調(diào)整為650g,壓縮機耗功下降,冷凝溫度降低,EER增加。

(2)縮短毛細(xì)管長度。

根據(jù)表4,初步選定毛細(xì)管內(nèi)徑為1.3mm。

表4 毛細(xì)管與制冷量的匹配關(guān)系

毛細(xì)管長度的確定:

可根據(jù)下面經(jīng)驗公式進行計算:

由設(shè)計計算可知,毛細(xì)管長度為600mm。通過實驗比較,毛細(xì)管由φ 1.3×600調(diào)整為φ 1.3×550,使蒸發(fā)溫度提高,同時冷凝溫度也會隨之降低,壓縮機功率有所下降,制冷量提高,EER增加 (見表5)。

(3)優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計:

室內(nèi)機風(fēng)道通過計算機三維優(yōu)化設(shè)計,改善送風(fēng)性能,提高吸入功率,減少氣流的流阻,實現(xiàn)更暢順?biāo)惋L(fēng),同時采用大直徑高效貫流風(fēng)扇,提高出風(fēng)量 (如圖4)。室外機出風(fēng)口采用了既能確保風(fēng)的流向和強度,壓力損失又很小的導(dǎo)風(fēng)圈,加大送風(fēng)量;采用新型風(fēng)扇葉片,改進葉片形狀,減輕葉片重量,提高了送風(fēng)量,加大冷凝器的熱交換效率,使冷凝壓力下降,質(zhì)量流量增加,制冷量增大。

表5 性能試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)對比

通過以上對制冷系統(tǒng)的優(yōu)化,使消耗功率大幅降低,能效比提高 (較07年產(chǎn)品),超過國家一級能效標(biāo)準(zhǔn) (見表6)。

表6 新舊產(chǎn)品的性能對比

圖4 風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計

4 生產(chǎn)性的設(shè)計改進

4.1 為改善生產(chǎn)性的設(shè)計改進

(1)室內(nèi)機:

1)室內(nèi)機熱交換器平面插入變?yōu)閺纳厦娌迦?

2)室內(nèi)機電機罩與底座一體化,取消蓋安裝、并刪除2個螺釘;

3)垂直導(dǎo)風(fēng)板的一體構(gòu)造;

4)削減樹脂部品點數(shù):由49點削減為36點;

(2)室外機:

1)取消消音棉;

2)削減螺釘:由41顆削減為31顆

4.2 整套工數(shù)比較

整套工數(shù)比較見表7。從表7看出,通過生產(chǎn)性的設(shè)計改進,生產(chǎn)性提高15%,生產(chǎn)效率大大提高,從而降低了生產(chǎn)成本。

5 降低成本統(tǒng)計

通過從性能、構(gòu)造、電氣、生產(chǎn)性四大方面進行降成本的開發(fā)設(shè)計,既確保高能效比的目標(biāo)達成,又使成本大幅降低,如圖5所示:整套空調(diào)共降低成本28.66元美元,大大提高了產(chǎn)品的市場競爭力。

表7 整套工數(shù)比較表

圖5 降低成本金額(美元)示意圖

6 結(jié)論

綜上所述,在開發(fā)低成本的單冷高效EER值房間空調(diào)器,打破 “高效產(chǎn)品必定價格高”的定勢,必須在設(shè)計方面勇于創(chuàng)新:

(1)產(chǎn)品最小化:節(jié)省材料使用量,降低整機的材料成本;

(2)材料薄板化:削減材料使用量,降低材料成本;

(3)制冷系統(tǒng)優(yōu)化:采用小排氣量的壓縮機,降低消耗功率,提高能效比;高效熱交換器的設(shè)計,采用高效的內(nèi)螺紋管和鋁箔,加大熱交換器的換熱效率,制冷劑流路的優(yōu)化,提高制冷量;毛細(xì)管和制冷劑充注量的最優(yōu)化,降低功率;風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計,加大送風(fēng)量,提高換熱效率,降低功率,提高制冷量;上述三方面的設(shè)計既降低成本,又達到高能效比的要求。

(4)生產(chǎn)性改善:提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本。

現(xiàn)在,節(jié)能減排是大勢所趨,企業(yè)推廣節(jié)能產(chǎn)品是應(yīng)盡的責(zé)任,必須利用自身技術(shù)優(yōu)勢,積極研制和生產(chǎn)綠色產(chǎn)品,實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會責(zé)任的雙贏。

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