低溫空氣源熱泵定頻機(jī)組的節(jié)能設(shè)計(jì)

李嘉鵬，李鎮(zhèn)宇，曹祥，邵亮亮，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

自國(guó)務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[1]以來(lái)，各省市紛紛出臺(tái)“煤改電”等相關(guān)政策[2-3]來(lái)改善大氣環(huán)境。低溫空氣源熱泵由于使用靈活、節(jié)能高效以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)異[4]，在北方地區(qū)“煤改電”的政策紅利下得到了快速發(fā)展[5-6]。

如何提升低溫空氣源熱泵的能效一直是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。研究者一方面關(guān)注不同循環(huán)形式[7-8]、不同制冷劑工質(zhì)[9]和不同節(jié)流方式[10]的系統(tǒng)熱力學(xué)研究；另一方面也注重除霜抑霜[11-12]、換熱器空氣流場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]，采用太陽(yáng)能等輔助熱源[14]的實(shí)際系統(tǒng)優(yōu)化研究。但以上研究的目標(biāo)主要是額定工況下，系統(tǒng)制熱量最大以及制熱性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）最高，未對(duì)部分負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.1—2010[15]的要求，低溫空氣源熱泵需以制熱綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（Integrated Part Load Value，IPLVH）作為能效等級(jí)指標(biāo)值。IPLVH的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮部分負(fù)荷，更加貼近機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，有利于挖掘熱泵的節(jié)能潛力[16]。表1[15]所示為機(jī)組在100%、75%、50%和25%負(fù)荷工況點(diǎn)的參數(shù)。根據(jù)式(1)[15]計(jì)算得出IPLVH。

表1 部分負(fù)荷工況點(diǎn)的參數(shù)

由式(1)可知，50%和75%負(fù)荷工況點(diǎn)在IPLVH計(jì)算中所占權(quán)重較大，因此若想取得較高的IPLVH，需提高部分負(fù)荷工況點(diǎn)下機(jī)組的能效水平[17]。壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)可以有效降低部分負(fù)荷工況下系統(tǒng)功耗，提高機(jī)組能效水平；而控制方式改進(jìn)則可以合理利用標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于不能卸載到部分負(fù)荷工況點(diǎn)的制熱COP 計(jì)算公式[15]，在一定程度上也可以提高機(jī)組IPLVH[18]，因此王派等[16]認(rèn)為壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)以及控制方式改進(jìn)是提高機(jī)組IPLVH的重要因素。但對(duì)于定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組，容量調(diào)節(jié)十分有限（多臺(tái)定頻壓縮機(jī)并聯(lián)機(jī)組）甚至不能調(diào)節(jié)（單臺(tái)定頻壓縮機(jī)機(jī)組），僅依靠控制方式改進(jìn)所帶來(lái)的IPLV(H)提升幅度較小，需對(duì)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行精細(xì)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

因此本文以某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組為例，針對(duì)其IPLVH較低的問(wèn)題，提出了多種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，包括采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)、多回路換熱器和多套獨(dú)立風(fēng)系統(tǒng)等；并基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的制冷熱泵系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)方案下機(jī)組IPLVH能效水平。

1 機(jī)組設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)方案（基準(zhǔn)方案）如圖1所示，該方案采用兩臺(tái)定頻補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)，兩片單回路V 型翅片管換熱器，兩臺(tái)定風(fēng)量風(fēng)機(jī)（一套風(fēng)系統(tǒng)）。如此設(shè)計(jì)，生產(chǎn)加工方便、系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，因此受到了廣泛推廣。但在該設(shè)計(jì)方案下，機(jī)組IPLVH往往較低，主要原因是在部分負(fù)荷工況下，風(fēng)機(jī)功耗較大，在關(guān)閉一套熱泵系統(tǒng)后，仍會(huì)有大約一半的風(fēng)量流經(jīng)該關(guān)停的換熱器，風(fēng)量損失較大。

圖1 基準(zhǔn)方案流程

本文提出了3 種改進(jìn)方案：1）兩臺(tái)變風(fēng)量風(fēng)機(jī)，根據(jù)負(fù)荷大小有效調(diào)控風(fēng)量大小，實(shí)現(xiàn)風(fēng)量和負(fù)荷的匹配，有效降低部分負(fù)荷工況點(diǎn)下風(fēng)機(jī)功耗占比；2）雙回路翅片管換熱器（如圖2所示），雙回路翅片管換熱器的兩個(gè)回路分屬兩個(gè)熱泵系統(tǒng)，如此設(shè)置有利于兩個(gè)熱泵系統(tǒng)間相互平衡[19]，更重要的是在部分負(fù)荷工況下盡管只開(kāi)一套熱泵系統(tǒng)，但兩個(gè)換熱器的翅片和兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量都能夠用于換熱，有利于充分利用換熱面積和換熱風(fēng)量，提高機(jī)組能效水平；3）采用兩套獨(dú)立風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如圖3所示），具體是將兩片換熱器從中間拆分為4片換熱器，并在機(jī)組中間隔斷，由之前兩個(gè)風(fēng)機(jī)組成一套風(fēng)系統(tǒng)變?yōu)閮蓚€(gè)風(fēng)機(jī)各構(gòu)成一套風(fēng)系統(tǒng)，兩套風(fēng)系統(tǒng)間相互獨(dú)立，這樣在部分負(fù)荷工況下可只開(kāi)一個(gè)熱泵系統(tǒng)和一個(gè)風(fēng)機(jī)，有效降低機(jī)組功耗，提高系統(tǒng)能效。

圖2 雙回路翅片管換熱器[19]

圖3 兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管流程

上述改進(jìn)措施，可組合衍生出多種機(jī)組設(shè)計(jì)方案。本文將以基準(zhǔn)方案+4 種改進(jìn)方案為例（如圖4所示），基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析這5 種設(shè)計(jì)方案下機(jī)組IPLVH能效水平大小。

圖4 5 種設(shè)計(jì)方案

2 仿真模型與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基準(zhǔn)方案的系統(tǒng)仿真模型是通過(guò)制冷空調(diào)熱泵系統(tǒng)通用仿真平臺(tái)[20]搭建。系統(tǒng)設(shè)計(jì)低溫制熱量100 kW，供水溫度41 ℃，壓縮機(jī)為定頻補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)，V 型翅片管換熱器采用單回路設(shè)計(jì)，制冷工質(zhì)為R410A。對(duì)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

相應(yīng)的樣機(jī)在焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。工況1，即熱源側(cè)空氣干/濕球溫度-12 ℃/-14 ℃，側(cè)送/回水溫度41 ℃/36 ℃；工況2，即熱源側(cè)空氣干/濕球溫度7 ℃/6 ℃，使用側(cè)送/回水溫度45 ℃/40 ℃。通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)仿真模型精度。

表2 基準(zhǔn)方案系統(tǒng)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 仿真結(jié)果分析

在基準(zhǔn)方案系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上搭建了其,4種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型，開(kāi)展了IPLVH仿真計(jì)算，得到如圖5所示的IPLVH及各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)性能系數(shù)仿真結(jié)果。

結(jié)果顯示，4 種改進(jìn)方案的IPLVH均高于基準(zhǔn)方案，并且方案3 的IPLVH最高為2.93?；鶞?zhǔn)方案接近三級(jí)能效水平（2.60）[21]，方案1 和方案2 達(dá)到三級(jí)能效水平，方案3 和方案4 達(dá)到二級(jí)能效水平（2.80）。

由圖5可知，風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)（方案3 和方案4）的IPLVH要高于風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)（基準(zhǔn)方案、方案1 和方案2）。這是因?yàn)樵诓糠重?fù)荷點(diǎn)，風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功耗較高，所以其部分負(fù)荷點(diǎn)制熱COP 要小于風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)。并且負(fù)荷點(diǎn)越低，風(fēng)機(jī)功耗占比越大，風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)的制熱COP就越小于風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)。

圖5 IPLVH 及各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)性能系數(shù)仿真結(jié)果

在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下，兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管（方案2）的IPLVH高于一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管（方案1）；在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下，方案3 優(yōu)于方案4。這是因?yàn)?，在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下，風(fēng)機(jī)功耗占比較大，關(guān)閉一臺(tái)風(fēng)機(jī)（方案2）能夠有效降低風(fēng)機(jī)功耗，提高機(jī)組能效。在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下，風(fēng)機(jī)功耗占比大大減小，雙回路翅片管（方案3）在部分負(fù)荷工況下的換熱面積和換熱風(fēng)量要高于單回路翅片管（方案4），所以機(jī)組能效更高。因此低溫空氣源熱泵定頻機(jī)組在采用定風(fēng)量風(fēng)機(jī)的情況下，推薦使用方案2 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)的情況下，推薦使用方案3 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文以某個(gè)定頻低溫空氣源熱泵機(jī)組為例，針對(duì)其IPLVH較低的問(wèn)題，提出了4 種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并基于經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的制冷熱泵系統(tǒng)仿真模型，對(duì)比分析了不同設(shè)計(jì)方案下機(jī)組的IPLVH能效水平，得到如下結(jié)論：

1）采用風(fēng)機(jī)變風(fēng)量+一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管的系統(tǒng)方案3 的IPLVH最高為2.93，相較于基準(zhǔn)方案（2.57）提高了14%，達(dá)到二級(jí)能效水平，滿足節(jié)能產(chǎn)品要求；

2）對(duì)于當(dāng)前機(jī)組形式，風(fēng)機(jī)變風(fēng)量系統(tǒng)的IPLVH要高于風(fēng)機(jī)定風(fēng)量系統(tǒng)；在風(fēng)機(jī)定風(fēng)量情況下，兩套風(fēng)系統(tǒng)+單回路翅片管要優(yōu)于一套風(fēng)系統(tǒng)+雙回路翅片管；在風(fēng)機(jī)變風(fēng)量情況下，結(jié)果相反。