粘世和 黃致愷 余培煜 撰特稿 /粘世和 黃致愷 余培煜 撰 34...
TRANSCRIPT
-
特稿 /粘世和 黃致愷 余培煜 撰
34 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
R410A變頻空調機性能測試之運轉參數探討
摘 要
由於經濟部能源局對於國內空調機能源效率值的管制基準日漸提高,因此,找出高
效率空調機的設計方法與流程,以及影響性能測試結果的空調機重要操控參數,是提昇
國產空調機商品性能以符合國家能源效率管制基準要求的重要工作。本研究以工研院綠
能所開發之鰭管式熱交換器設計軟體以及壓縮機、風機與空調機測試實驗室技術為基
礎,結合數值分析商業軟體與元件性能資料庫,進行空調機的模擬設計開發,並以模擬
結果建議值為初始預設值,透過實驗測試找出影響空調機性能測試結果的重要操控參
數,包括壓縮機轉速、室外風機轉速、電子式膨脹閥開度、冷媒充填量等,以使空調機
在 CNS 14464 之 T1 條件下,能有最佳的性能測試結果。
關鍵字:R410A 冷媒、空調機、性能測試、最佳操控參數
一、前言
為達成全國性的空調設備節能目
標,經濟部在 95 年 1 月 6 日公佈新修訂的『無風管冷氣機能源效率比基準』,
要求在民國 100 年時,空調設備性能要比現行產品提昇 15%以上,105 年時則比現行產品提昇 25%以上。又於 98 年 8 月 10 日,經濟部公告「無風管冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法」的修
正,要求無風管冷氣機節能標章能源效
率基準提昇為: (1)單體式機組的 COP
要符合民國 100 年與 105 年之國家能效比基準的平均值、(2)分離式機組的 COP則要符合民國 105 年之國家能效比基準等,方能申請節能標章認證。而依據業
界實機測試的結果顯示,目前的國產空
調機商品性能,無法達民國 105 年性能基準者達 93%以上。因此,找出高效率空調機的設計方法與流程,以及影響性
能測試結果的重要操控參數是提昇國產
品性能以符合國家能源效率管制基準要
求的重要研發項目。
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
二、台灣空調機的效率管制與測試方法 而隨著製造工藝技術的進步及環保意識的抬頭,經濟部能源局於民國 95 年修改並提升了能源效率比基準,訂定了
民國 100 年及 105 年無風管空氣調節機效率比值基準,其基準如表 2 所示。
表 1 為台灣於民國 91 年 1 月 1 日起的空氣調節機能源效率比管制基準,空
調機的能源效率值需高於管制基準才能
上市販售。
表 1. 民國 91年法規限定最低能源效率標準
表 2. 無風管空氣調節機能源效率比基準
執行階段 第一階段 第二階段
實施日期 中華民國 100年 1月 1日至 104年
12月 31日止 中華民國 105年 1月 1日起
機種 冷氣能力分類 (kW) 能源效率比(w/w)
2.2 以下 3.15 3.40
高於 2.2 ,4.0 以下 3.20 3.45
高於 4.0 ,7.1 以下 3.00 3.25
單 體 式
高於 7.1 ,10.0 以下 2.95 3.15
4.0 以下 3.45 3.85
高於 4.0 ,7.1 以下 3.20 3.55
氣 冷 式
分 離 式
高於 7.1(2) 3.15 3.40
能源效率比管制基準是依據 CNS
14464 無風管空氣調節機與熱泵之試驗法及性能等級之第 4.1 節的 T1 條件下所
進行試驗的量測值,其測試條件及試驗
規定如表 3 所示:
冷凍空調&熱交換\99.11\第99期 35
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
表 3. CNS 14464 4.1 節 冷氣能力試驗條件
冷氣能力試驗條件 標準試驗條件
參數 T1 T2 T3
室內側進風溫度(℃) 乾球 濕球
27 19
21 15
29 19
室外側進風溫度(℃) 乾球 濕球(1)
35 24
27 19
46 24
冷凝器冷卻水溫度(2)(℃) 入口 出口
30 35
22 27
30 35
試驗頻率 額定頻率(3) 試驗電壓 額定電壓(4)
T1: 溫帶地區之標準冷氣能力分等條件(台灣地區適用) T2: 寒帶地區之標準冷氣能力分等條件 T3: 熱帶地區之標準冷氣能力分等條件
註 (1)當試驗氣冷式冷凝器時,因濕球溫度不影響冷媒之冷凝蒸發,所以不須要濕球溫度條件。 (2)代表該待測設備與冷卻塔一起工作,為其他用途設計之待測設備,應在等級中指定冷卻水入口與出口之溫
度或是水流率和入口之水溫度。 (3)具雙重額定頻率者,應在每一頻率作試驗。 (4)具雙重額定電壓者,試驗電壓應在兩種電壓下分別執行,若標示額定電壓範圍者,取其較低之電壓執行。
三、空調機設計開發流程
為了開發出高效率空調機,本研究
以工研院綠能所開發之鰭管式熱交換器
設計軟體以及壓縮機、風機與空調機測
試實驗室技術為基礎,結合數值分析商
業軟體與元件性能資料庫,規畫出一套
變頻空調機的開發設計流程,以利開發
工程的分工與時程的掌控,以及相關性
能提升方案的反覆驗證。
另外,由於空調機的能源效率管制
基準是依據 CNS 14464 的 T1 試驗條件下的量測值,因此,針對 T1 試驗條件進行空調機的開發設計與性能提升,是國
產空調機通過能效管制基準最捷徑的方
法。為了進行高效率空調機國產品的開
發設計,除了參考 CNS 14464 之 T1 試驗條件之外,本研究採用國產之變頻廻
轉式 R410A 空調壓縮機,並使用工研院開發且利用國產晶片完成的壓縮機驅動
控制器與室內外機控制器及機組,以兼
顧國產空調機的性能與成本競爭力。同
時透過整合電力線及網路通訊監控與
RS232 等技術,以 NI LabView 撰寫控制取值模組,以進行空調機狀態即時監
控與取值分析等研究,以利空調機性能
提升改善方案的研發。空調機系統控制
與測試取值分析之架構如圖 1 所示。圖 2則為整合系統控制與狀態取值分析的中
文化人機介面。
36 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
圖 1. 系統測試控制架構圖
圖 2. 系統控制與即時取值之人機介面
四、壓縮機性能曲線數值化
傳統空調機設計大多使用壓縮機性
能表來取得壓縮機於某特定冷凝溫度及
蒸發溫度下之性能與消耗電功率。但是
壓縮機性能表為較粗糙的曲線圖,若要
進行較細部之運算,或是推算不同過冷
度及過熱度下的性能則會產生較多誤差
性與困難性。因此,本研究針對變頻壓
縮機的性能評估,是以多組壓縮機性能
測試數據為基礎,利用數值分析商業套
裝軟體,將壓縮機性能曲線化成一多項
式方程式,而可依此方程式估算變頻壓
縮機在不同轉速時,不同冷凝溫度與蒸
發溫度的冷氣能力與消耗電功率等基本
參數,以進行不同轉速下之空調機系統
能源效率值的模擬計算。本文以國產
R410A 變頻壓縮機 60Hz 為例,利用商用數值分析軟體將其性能曲線程式化,
以作為後續運算使用。
由圖 3 可以發現,在蒸發溫度 0℃ ~ 12℃ 範圍中,冷凝溫度 45℃~60℃ 均是一相當線性化的曲線,而且蒸發溫度越
冷凍空調&熱交換\99.11\第99期 37
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
高,則冷氣能力越高,冷凝溫度越
低,也可得到冷氣能力越高的相對結
果。因冷凝溫度與冷氣能力線是一高
度線性化的曲線,所以,可以一多項
式曲線來數值化壓縮機性能,並藉此
多項式來直接計算壓縮機在此蒸發溫
度與冷凝溫度範圍內的性能。
圖 4 為壓縮機馬達消耗電功率之性能曲線圖。相同地,圖中可以發現
蒸發溫度及冷凝溫度與消耗電功率的
曲線圖與冷氣能力相似,均為一高度
線性化的曲線。因此,仍可利用數值
分析商用套裝軟體,將壓縮機消耗電
功率的性能曲線數值化,以用來進行
壓縮機在蒸發溫度 0℃ ~ 12℃、冷凝溫度 45℃~60℃之壓縮機消耗電功率的計算。
依上述之方法,將 30~90Hz 範圍內之各轉速壓縮機性能曲線程式
化,並利用此數值模式進行各種轉速
下的冷氣能力與壓縮機消耗電功率的
估算,以進行空調機系統能源效率值
的模擬計算,此方法可適用於變頻壓
縮機在各種不同工況條件下之性能分
析與設計評估。
五、風機性能評估
由於鰭管式熱交換器的熱傳性能
與工作流體流速成正相關,另外,在
風機扇葉不產生失速的情況下,風機
轉速越高,也可得到越高的空氣流速
而增強熱交換能力,因此,本研究以
AMCA/ ANSI 210 的風機測試標準進行所開發之變頻風機的性能測試,量測變
頻風機原型在轉速 1000 rpm 以下之風
量、全壓、靜壓、馬達消耗電功率的變
化數據,以取得較佳的風機控制參數供
空調機的模擬設計使用。圖 5 為變頻風機在 1000rpm 時的性能量測數據。
60Hz -冷氣能力
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00℃
W 45C 50C 55C 60C
圖 3. 國產 R410A變頻壓縮機 60Hz 之冷氣能力性能圖(x
軸-蒸發溫度℃,y軸—冷氣能力 W)
Power
700
750
800
850
900
950
1000
1050
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00℃
W 45C 50C 55C 60C
圖 4. 國產變頻壓縮機 60Hz 之消耗電功率圖
Fan Performance
Filename... Out Side FAN Date:99.07.29Speed 1000rpm
0 10 20 30 40Flw rated Q cmm
800
900
1000
1100
1200
RPM
0
10
20
30Ef
f (Pt
) %
40
60
80
100
120
140
Wat
t
0
2
4
6
8
Pres
sure
Ps
,t m
mA
q
Eff.%-QKw-QPt-QPs-QRPM-Q
圖 5. 本研究開發之變頻風機於 1000rpm下消耗電功率、
效率及機外靜壓之性能曲線圖
38 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
在圖 5 中可以發現,原型風機運轉於 1000 rpm 時,在風量為 35.10 CMM,靜壓為 1.98mmAq (即可承受之風道壓降量 ) 的 狀 態 下 , 可 以 得 到 最 高 效 率28.32%的運轉操作點。而當壓降量提高到 4.92mmAq 以上時,則因馬達無法提供足夠扭力,而將會導致風機馬達啟動
高負荷保護而降低風機轉速。
六、模擬分析
利用軟體進行空調機性能之模擬設
計將可節省重覆製造與測試驗證的次
數、工時及成本,本研究使用工研院開
發之鰭管式熱交換器設計模擬軟體與系
統質能守恆計算式,進行空調機尺寸設
計與能源效率模擬分析,以加速高效率
變頻空調機的開發流程。由於空調機的
設計參數眾多,包括熱交換器的尺寸、
變頻壓縮機轉速、變頻風扇轉速、室內
外側的空氣條件、冷媒側的蒸發溫度、
冷凝溫度、過冷度與過熱度等等,都會
影響空調機的性能。因此,在進行空調
機的設計模擬之前,考量時間成本,會
先依據既有的現實條件,擬出軟體參數
的變化限制條件,限縮設計參數的變動
範圍上下限,以加速軟體的模擬設計時
間,而這些限制條件主要是來自於廠商
可提供的元件性能資料庫,包括熱交換
器模具的尺寸限制、變頻壓縮機及風機
的轉速與性能限制、測試條件與運轉條
件的設定限制等等,是一門必須結合實
際經驗與分析理論的科學。圖 6 為本研究開發之原型機的部分模擬數據,由圖
可知,在熱交換器尺寸及壓縮機轉速固
定下,當冷媒蒸發溫度提高時,蒸發器
入口的冷媒乾度降低,冷媒熱力性能提
升,空調機 COP 值理應增加,但是,若所搭配的蒸發器風機風速未能隨之增加
時,則空調機的冷氣能力不升反降,因
為空氣流速的不足造成熱傳管的熱交換
效果下降,所以空調機的能源效率值
COP 反而下降。因此,並非僅是提高蒸發溫度就能提升空調機的能源效率值,
必須搭配各零組件的優化設計才能達成
高效率空調機的設計目標。所以,兼具
成本競爭力與能源效率的空調機設計,
需經由同時考量製造限制與理論分析的
多次疊代方能完成。
圖 7 為本研究開發之 R410A 一對一分離式變頻空調機原型機。
2700rpm/Tc45
3.47
3.984.17
3.77
3.353.47
3.98
4.39
3.90
3.47
3.98
4.74
4.50
3.47
3.98
4.89
4.444.434.48 4.63
4.594.494.804.62
4.874.764.63
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
0 4 8 9 10 11 12
蒸發溫度(C)
COP(W
/W)
0.8m/s
1.0m/s
1.2m/s
1.4m/s
圖 6. 本研究開發之空調機原型於 2700rpm冷凝溫度 45℃下的性能模擬分析結果
39 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
(a)室外機雛型 (b)室內機雛型
(c)壓縮機雛型 (d)變頻控制器雛型
圖 7. 本研究開發之 2.8kW 一對一 R-410A直流變頻空調機
七、空調機性能測試驗證
當空調機運轉時,壓縮機壓縮氣態
冷媒為高壓高溫冷媒至冷凝器散熱冷凝
成液態冷媒,經電子膨脹閥膨脹降溫
後,成為低溫之液氣共存冷媒進入蒸發
器吸熱蒸發為氣態冷媒,再循環進入壓
縮機。此運作狀態包含許多控制參數,
如壓縮冷媒時之壓縮機轉速參數、冷凝
器散熱時之室外機風機轉速、冷媒膨脹
時之電子膨脹閥開度及蒸發冷卻時之室
內機風機轉速。而找出空調機在性能測
試條件 CNS 14464 的 T1 試驗條件下,能產生最佳能源效率值的運轉操控參
數,將是國產空調機通過能源效率管制
值的重要工作之一,本研究以模擬設計
值額定冷氣能力 2.8kW、COP3.85 為目
標,經由測試實驗方法,找出影響性能
測試結果的重要參數。考量室內機風機
轉速通常為使用者設定值,控制器無法
作劇烈反應控制,因此將壓縮機轉速、
膨脹閥開度及室外機風機轉速作為空調
機性能測試驗證的操控基準,並藉由參
考模擬分析數據,以實測方式找出空調
機性能測試之最佳操控參數。
(i) 室外機風機轉速
室外機風機變頻馬達轉動時,帶動
葉片轉動使空氣被扇葉推動而產生空氣
流動,當馬達轉速增加時,空氣流動的
速度將會加快。然而馬達轉速愈高,卻
導致馬達所消耗的電功率增加越多。雖
然風速增加,增強了室外機鰭管式熱交
換器的熱傳效果,可以降低蒸氣壓縮循
40 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
環的冷凝溫度,而系統高低壓力比的降
低可減少壓縮機的消耗電功,然而,如
果風機馬達增加轉速所導致的耗功增加
幅度大於壓縮機降低冷凝溫度所減少的
消耗電功,此時將造成空調機能源效率
值 COP 的降低,讓節能效果下降,因此找出最佳的室外機風機轉速,是空調機
能維持高效率運轉的重要參數。圖 8 為室外機風機轉速對於空調機冷氣能力與
COP 之性能影響的測試結果。由圖中可以發現,本研究之空調機原型於壓縮機
先固定在模擬結果建議值 3150rpm 及電子膨脹閥開度 330pulse 時,則室外風機轉速於 800 rpm 時有最佳的能源效率值 COP 3.94,但由實測結果可知,模擬結果建議值的壓縮機轉速
3150rpm 明 顯 無 法 滿 足 冷 氣 能 力2.8kW 的設計目標,所以需要再調整壓縮機轉速及電子膨脹閥開度以同時
滿足冷氣能力 2.8kW 及 COP3.85 的設計目標。
(ii)膨脹閥開度
電子膨脹閥為蒸氣壓縮循環中控
制冷媒進行膨脹降溫的電子式針閥裝
置。當電子膨脹閥開度加大時,膨脹
比率減小,空調機冷媒系統的高低壓
力差縮小,此時冷凝溫度降低,蒸發
溫度升高且過熱度降低。反之,當其
開度縮小時,膨脹比率增加,空調機
冷媒側的高低壓力差增大,冷凝溫度
升高、蒸發溫度降低且過熱度增加。
在蒸氣壓縮循環運作中,當冷凝溫度
與蒸發溫度的溫度差值增加時,會導
致壓縮機必須在高壓縮比的狀態中運
作,因而增加單位質量冷媒的壓縮功
消耗,同時造成壓縮機容積效率的降
低。然而,若僅增加蒸發溫度,而不做
其它元件調控,終將導致室內機能力降
低而無法達到設計所需求的能力,故膨
脹閥開度必須運作於一合理狀態使得整
體蒸氣壓縮循環保持最佳效率。圖 9 為壓縮機運轉於 3600 rpm(60Hz) 及 4500 rpm(75 Hz)下,改變電子膨脹閥開度對空調機冷氣能力與 COP 之影響的測試結果,由圖 9 可以發現系統於膨脹閥開度350 pulse 時,均有較佳的冷氣能力及COP 表現。
室外風機轉速
2.63
3.92 3.94 3.91
2.632.64
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
650 700 750 800 850 900 950rpm
kW/kW 冷氣能力 COP
圖 8. 原型機改變室外風機轉速對冷氣能力與 COP的影響
之測試結果
3600/4500 rpm 壓縮機轉速
2.8509 2.8874 2.8580
3.253.31 3.31
3.61 3.67 3.62
2.983.12
3.04
2.50
2.70
2.90
3.10
3.30
3.50
3.70
3.90
320 330 340 350 360 370 380EEV Pulse
kW/kW
3600rpm 冷氣能力 4500rpm 冷氣能力
3600rpm COP 4500rpm COP
圖 9. 原型機於 3600及 4500 rpm下改變膨脹閥開度對冷氣
能力與 COP的影響之測試結果
冷凍空調&熱交換\99.11\第99期 41
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
(iii)壓縮機轉速
當空調機運轉時,變頻壓縮機是最
主要的冷媒循環驅動元件,而素有空調
機心臟的稱號。當變頻壓縮機運轉於高
頻率時,因為壓縮機轉速增加,泵體可
以提供更多的冷媒流量,使得空調機可
以提供更多的冷氣能力供使用者使用。
但是當壓縮機提高轉速時,壓縮機馬達
必須消耗更多的電功率而造成空調機
COP 低下。反之,雖然變頻壓縮機降低轉速可以提高空調機 COP,但是卻因為泵體提供的冷媒流量降低,使得空調機
的冷氣能力也隨之降低。然而並不是一
味的降低壓縮機轉速就可以無限制地提
高空調機 COP,因為壓縮機於低頻運轉時有其機構設計上的困難,包括轉速太
低無法產生足夠的離心力使潤滑油輸送
到運動件區,而使摩擦阻力增大,耗功
增加,或是壓縮機馬達低轉速的效率不
易提升等因素,因而降低壓縮機低頻運
轉的效率,所以壓縮機變頻運轉時,常
會有效率轉折點的產生,視壓縮機產品
於低頻運轉區的效率而定。圖 10 為本研究開發之空調機改變壓縮機轉速對冷氣
能力與 COP 之影響的測試結果,由圖中可見壓縮機轉速越高,冷氣能力越大,
但 COP 相對降低的現象,而且也可以發現當壓縮機轉速低於 1500 rpm 時,系統COP 轉折降低的現象。綜合以上測試實驗的結果,可以得出,在壓縮機轉速
3450rpm、室外風機轉速 800rpm、電子膨脹閥開度 350pulse、冷媒充填量 830g時,空調機於 CNS 14464 T1 條件下的性能量測數據為 2.85kW、COP3.86 可符合性能設計目標值冷氣能力 2.8kW、COP3.85 的要求。
壓縮機轉速及性能
0.83
3.83
1.431.73
2.412.85
2.89
3.31
4.86
4.313.86
3.67
3.12
4.95
0
1
2
3
4
5
6
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
rpm
kW/kW
COP
kW
圖 10. 原型機於 1200 rpm 至 4500 rpm之轉速變化對冷氣能力與 COP的影響之測試結果
八、結語
結合壓縮機消耗電功率的性能曲線
數值化技術與鰭管式熱交換器設計軟
體,可以加速空調機變頻運轉時的性能
評估及模擬設計分析,因而可以降低重
覆製造與重覆測試的成本。同時,可藉
由風機性能測試技術取得風機於各種不
同運轉狀態下之消耗電功率及風量等性
能表現,可以有效縮小模擬分析的誤
差,加速高效率空調機的開發。
42 冷凍空調&熱交換\99.11\第99期
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222
-
特稿
空調機性能測試條件 CNS 14464 之T1 試驗條件下的空調機性能最佳操控參數的擬定,包括壓縮機轉速、膨脹閥開
度、風機轉速及冷媒充填量等的決定,
是國產空調機加速通過能源效率管制值
的重要工作項目。
九、誌謝
本文承蒙經濟部能源局計畫資助,
使本計劃得以順利進行,特此感謝。
十、參考文獻
[1] 能技字第 09304040120 號,氣冷式冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法(96 年 8月 1 日 起 停 止 適 用 ) http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1
[2] 能技字第 09604019660 號,無風管冷氣機節能標章能源效率比基準與標示方法(96 年 8
月 1 日實施,98 年 8 月 10 日起停止適用) http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1
[3] 能技字第 09804018700 號,「無風管冷氣機節能標章能源效率基準與標示方法」 http://www.energylabel.org.tw/applying/efficiency/upt.asp?cid=1
[4] 經濟部標準檢驗局,"空氣調節機 (Air conditioners) " , 編 號 :CNS 3615-B7048(2009)
[5] 經濟部標準檢驗局,"無風管空氣調節機與熱泵之試驗法及性能等級(Non-ducted air conditioners and heat pumps – testing and rating for performance)",編號:CNS 14464-B7291(2003)
[6] 王啟川,"熱交換器設計",2007 pp. 147-190
[7] American National Standards Institute, “Laboratory Methods of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating”, ANSI/ AMCA 210(2007)
冷凍空調&熱交換\99.11\第99期 43
本資料來源為工研院綠能與環境研究所出版之冷凍空調&熱交換雙月刊,若有冷凍空調相關問題歡迎洽詢03-5914222