使用可卸載變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)提高空調(diào)器全年能效

孫釗，盧玥明，常萌萌，張春路

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

熱泵系統(tǒng)的能效標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了從能效比(COP)，到制冷季節(jié)能效比(SEER)和綜合部分負(fù)荷值(IPLV)[1]，再到如今新推出的評估標(biāo)準(zhǔn)全年能源消耗效率(APF)[2]。能效標(biāo)準(zhǔn)變得越來越全面客觀。COP的標(biāo)準(zhǔn)中只針對夏季和冬季的某個標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)計點(diǎn)，IPLV和SEER在COP的基礎(chǔ)上將時間加入考量，但是也沒有能夠涵蓋所有的工況，而APF則將全年的所有工況都涵蓋在里面。APF、SEER、IPLV都考慮了時長的影響，因而提升SEER和IPLV的方法對提升APF也有一定的參考價值。

劉圣春等[3]和趙巍等[4]發(fā)現(xiàn)氣候條件對 SEER有影響，應(yīng)當(dāng)使用區(qū)域SEER作為標(biāo)準(zhǔn)，并發(fā)現(xiàn)不同的溫度帶對SEER和IPLV的影響趨于一致[5]；朱玉鑫等[6]提出變頻空調(diào)器能效存在很大的地域差異，并針對地域差異提出應(yīng)分區(qū)評價的建議；田鎮(zhèn)等[7]基于運(yùn)行時間的制冷量和耗電量分布圖能夠直觀反映當(dāng)?shù)氐臐摿囟?；王曉洪等[8]通過對全年性能的研究，提出一種以循環(huán)效率-機(jī)組負(fù)載率曲線來表征系統(tǒng)運(yùn)行性能的方法；楊昭等[9]分析間歇運(yùn)行特性，提出了提高能效比的方法；范晨等[10]研究了結(jié)霜特性；韓禮斌[11]通過設(shè)計優(yōu)化手段提出 SEER的提升方法，以上文獻(xiàn)對APF的提升方法以及標(biāo)準(zhǔn)的制定有著一定參考。目前，也有文獻(xiàn)對APF的提升提出一些建議。李堂等[12]指出GB 21455-2013中統(tǒng)一使用相同溫度發(fā)生時間不能體現(xiàn)真實的APF，同時APF的提升應(yīng)當(dāng)側(cè)重于制熱季節(jié)耗電量；高揚(yáng)等[13]為了適應(yīng)APF的標(biāo)準(zhǔn)，提出分配器分流性能的評價方法；任濤等[14]、黃曉清等[15]則從換熱器角度，提高換熱效率進(jìn)而提高APF。各個文獻(xiàn)對通過壓縮機(jī)提升APF僅提出需要選型匹配[16]，并未有更好的改進(jìn)方法。

本文則針對各個地區(qū)以及冬夏季節(jié)的負(fù)荷不平衡以及壓縮機(jī)本身在低頻高頻效率較低的問題，在雙缸變頻壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上提出一缸可卸載的方案。通過提高壓縮機(jī)開停區(qū)的壓縮機(jī)效率，實現(xiàn)降低壓縮機(jī)功耗，提高系統(tǒng)APF的目的。

1 全年能源消耗效率APF計算方法

1.1 APF定義

APF是用來評價熱泵系統(tǒng)在全年運(yùn)行情況下的性能，它不僅僅只是考慮冬季和夏季兩個標(biāo)準(zhǔn)工況的能效，而是要兼顧全年各個工況下的能效。APF的計算公式如下[2]：

式中：

CSTL——制冷季節(jié)總負(fù)荷，W?h；

HSTL——制熱季節(jié)總負(fù)荷，W?h；

CSTE——制冷季節(jié)耗電量，W?h；

HSTE——制熱季節(jié)耗電量，W?h。

1.2 計算方法

目前，產(chǎn)品的能效標(biāo)準(zhǔn)由COP轉(zhuǎn)變?yōu)锳PF。與COP不同的是，COP計算只需要考慮特定的兩個工況點(diǎn)，而APF的計算需要考慮到不同地區(qū)全年所有工況下的負(fù)荷。然而全年各工況點(diǎn)按照逐時計算，測試量過大，因而氣象參數(shù)采用BIN法。不同溫度下的負(fù)荷簡化為一條關(guān)于溫度的負(fù)荷線[1]。

參考GB 17758-2010中溫度發(fā)生時間，夏季氣溫集中在22 ℃至40 ℃，冬季氣溫集中在-15 ℃至12 ℃。本文選用南京和北京兩個典型地區(qū)，溫度發(fā)生時間對應(yīng)的負(fù)荷見圖1～圖4。

2 雙缸可卸載壓縮機(jī)

壓縮機(jī)在過低或者過高的轉(zhuǎn)速下效率極低，會導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下。本文提出了一種一缸可卸載的雙缸壓縮機(jī)技術(shù)，使得低轉(zhuǎn)速低效率區(qū)以及開停區(qū)的范圍大大減少。在低轉(zhuǎn)速低效率區(qū)以及開停區(qū)，卸載較大的缸，使得雙缸中較小的部分以高效率運(yùn)行。在冬季氣溫極低，負(fù)荷很大時，可以采用雙缸同開。通過雙缸可卸載技術(shù)可以有效擴(kuò)大壓縮機(jī)高效率的運(yùn)行范圍，以此更大工況范圍下降低壓縮機(jī)功耗，提高全年能源消耗效率。

圖1 南京制冷工況不同溫度下的負(fù)荷

圖2 南京制熱工況不同溫度下的負(fù)荷

圖3 北京制冷工況不同溫度下的負(fù)荷

圖4 北京制熱工況不同溫度下的負(fù)荷

2.1 雙缸可卸載壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)

雙缸可卸載壓縮機(jī)通過在壓縮機(jī)氣缸和氣液分離器之間的管路上設(shè)置單向?qū)ǖ碾姶砰y，切斷被卸載氣缸的低壓氣源。通過控制上氣缸電磁閥和下氣缸電磁閥的通斷實現(xiàn)3種氣缸組合，3檔排氣量的變化。當(dāng)上氣缸電磁閥和下氣缸電磁閥同時導(dǎo)通時，壓縮機(jī)排氣量最大，為上氣缸和下氣缸的排氣量之和；當(dāng)上氣缸電磁閥導(dǎo)通和下氣缸電磁閥關(guān)閉時，壓縮機(jī)排氣量為上氣缸排氣量；當(dāng)上氣缸電磁閥關(guān)閉和下氣缸電磁閥導(dǎo)通時，壓縮機(jī)排氣量為下氣缸排氣量。該壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙缸可卸載壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙缸可卸載壓縮機(jī)運(yùn)行策略

為了使得全年能源消耗效率盡可能得高，需要每一個工況點(diǎn)都能夠取得較低的功耗。采用雙缸可卸載的壓縮機(jī)，有3種模式運(yùn)行這些工況。每個工況點(diǎn)選取這3種模式中功耗較小的值，通過這種方法可以找到3種運(yùn)行模式的交叉點(diǎn)，以此確定可卸載壓縮機(jī)在3種模式下功耗最低時的運(yùn)行模式。

3 案例分析

3.1 案例壓縮機(jī)性能

在本案例中選取了一種效率曲線比較陡的壓縮機(jī)，在中間頻率運(yùn)行時效率較高，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率過大或過小時，效率銳減，效率曲線如圖 6。對該壓縮選擇不同排量作為雙缸可卸載壓縮機(jī)的大小氣缸的排量，本文壓縮機(jī)采用總排量為12.2 cc，大小缸的排量之比為2∶1，即壓縮機(jī)小缸的排量為 4.0 cc，大缸的排量為 8.2 cc。通過GREATLAB仿真，運(yùn)行系統(tǒng)功耗進(jìn)行仿真分析[17]。

圖6 某壓縮機(jī)等熵效率曲線（蒸發(fā)溫度8 ℃，冷凝溫度48 ℃）

3.2 仿真分析

在本案例中，考慮到南北地域的差異選擇南京、北京兩個典型的城市進(jìn)行仿真計算和驗證，南京、北京溫度發(fā)生時間見圖1～圖4。由于采用雙缸可卸載壓縮機(jī)，因此壓縮有3種運(yùn)行方式。在低負(fù)荷時采用小缸單獨(dú)運(yùn)行，在中間負(fù)荷時采用大缸單獨(dú)運(yùn)行，高負(fù)荷時采用雙缸同時運(yùn)行，使得壓縮機(jī)在不同負(fù)荷下都能夠獲得較高的效率。

對使用可卸載壓縮機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，壓縮機(jī)在南京、北京兩個城市，3種模式下的總功耗如圖7～圖10。

為了提高系統(tǒng)的APF，需要系統(tǒng)的功耗盡可能得低。由圖7～圖10可以確定該壓縮機(jī)在南京、北京兩個城市某一工況下的運(yùn)行模式，模式見表1和表2。

圖7 3種模式下南京夏季的運(yùn)行總功耗

圖8 3種模式下南京冬季的運(yùn)行總功耗

圖9 3種模式下北京夏季的運(yùn)行總功耗

圖10 3種模式下南京京夏季的運(yùn)行總功耗

表1 南京運(yùn)行模式

表2 北京運(yùn)行模式

從表1和表2可以發(fā)現(xiàn)某一型號的壓縮機(jī)的運(yùn)行模式在南北方是相同的，不受溫度發(fā)生時長的影響。使用該運(yùn)行模式后，全年功耗有所減少，北京功耗從 1,220 kW 降低為 1,176 kW，南京功耗從858 kW降低到804 kW。設(shè)雙缸不可壓縮機(jī)為A型壓縮機(jī)，雙缸可壓縮壓縮機(jī)為B型壓縮機(jī)。通過計算雙缸可卸載與不可卸載壓縮機(jī)的APF值見表3。

從以上結(jié)果可以看出使用雙缸可卸載技術(shù)的壓縮機(jī)，在不同城市APF均有所提升。其中北京APF的提升幅度較小，而北京由于低溫高負(fù)荷區(qū)時長較長，因而提升幅度較小。同時，由于在低溫時需要采用電加熱來滿足負(fù)荷，因而整體的APF值均較低。

表3 雙缸可卸載與不可卸載壓縮機(jī)的APF值對比

4 結(jié)論

本研究以某型號的壓縮機(jī)為案例分析對象，研究了雙缸可卸載技術(shù)對APF的影響。參照GB21455-2013的計算方法以及GB17758-2010的氣候參數(shù)，給出了南京和北京兩個典型城市的負(fù)荷，并對其APF進(jìn)行了計算。由此得出了以下結(jié)論：與使用雙缸但不可卸載壓縮機(jī)的系統(tǒng)相比，使用了雙缸可卸載壓縮機(jī)的系統(tǒng)，系統(tǒng)變頻運(yùn)行范圍擴(kuò)大，且運(yùn)行的效率較高；系統(tǒng)功耗降低，能效提升。