近年來，隨著人們生活水平的日益提高和空調(diào)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)居住和工作環(huán)境舒適性的要求也在不斷的提高。除了夏季制冷需求以外，尤其隨著地暖這種末端形式的制熱方式逐漸普及，一種可以在冬季利用地板采暖的二合一冷水機(jī)組也越來越受到市場(chǎng)的親睞。不論是冬天自下而上的熱氣,還是夏天自上而下的涼風(fēng),都能在室內(nèi)形成對(duì)流,讓房間的溫度均勻舒適。艾默生公司的心海悅地暖空調(diào)一體冷水機(jī)組，具有制冷、地暖、暖風(fēng)、除濕等多種模式，不光在夏季可以為室內(nèi)風(fēng)盤提供冷水滿足制冷需求，在冬季更是可以為用戶提供最高55至60度熱水，滿足不同末端設(shè)備的需求。關(guān)于冷水機(jī)組的能效值和能效等級(jí)，GB 19577-2015和GB 37480-2019中分別對(duì)一般空氣源熱泵冷水機(jī)組和低環(huán)境溫度的冷水機(jī)組兩類產(chǎn)品進(jìn)行了限定和劃分。本文將根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)，淺析幾種影響空氣源熱泵能效的因素，尤其對(duì)一級(jí)能效等級(jí)的影響。
1 EVI對(duì)系統(tǒng)能效的影響
壓縮機(jī)的噴氣（液）增焓自提出以來，已經(jīng)發(fā)展成制冷行業(yè)里相對(duì)成熟的一項(xiàng)技術(shù)并得到了普遍應(yīng)用。EVI（Enhanced vapor injection）最早在渦旋壓縮機(jī)中大量使用，近年來由于低溫?zé)岜玫目焖侔l(fā)展，轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)也逐漸引入了該技術(shù)。從制冷劑的壓焓圖中可以看到（圖1所示），在制熱模式時(shí)，噴氣增焓是利用一級(jí)節(jié)流中間冷卻的方式，通過經(jīng)濟(jì)器的使用與主回路的制冷劑液體充分換熱而獲得相應(yīng)的過冷度，從而增加了系統(tǒng)的制熱量以彌補(bǔ)普通壓縮機(jī)在寒冷地區(qū)制熱量不足的缺陷。另一方面，通過向壓縮腔噴入低溫蒸氣或“濕蒸氣”，對(duì)壓縮腔的氣體進(jìn)行冷卻，有效的降低了排氣溫度，使得壓縮機(jī)能夠在北方冬天的寒冷季節(jié)可靠的工作1 。
漢默鑫超低溫變頻空氣源熱泵（變頻空調(diào)地暖兩聯(lián)供）
1.1 對(duì)制熱能效的影響
EVI技術(shù)對(duì)制熱的影響已經(jīng)不言而喻，很多空調(diào)廠商和學(xué)者針對(duì)不同的空調(diào)產(chǎn)品都有類似的研究和探索。上海交通大學(xué)的冉小鵬2等人通過數(shù)值仿真并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)空氣源熱泵系統(tǒng)的補(bǔ)氣特性進(jìn)行了深入研究,表明帶EVI的空氣源熱泵存在中最佳相對(duì)補(bǔ)氣量，可使系統(tǒng)運(yùn)行最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的最佳相對(duì)補(bǔ)氣壓力在0.7～0.9之間。
表1是艾默生公司專門在其開發(fā)的12HP心海悅空調(diào)地暖一體式冷水機(jī)組中研討的EVI對(duì)制熱的影響。該系統(tǒng)采用了高效板式換熱器做為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)器。
從上述數(shù)據(jù)中得知，相同制熱量條件下EVI 開啟時(shí)制熱COP更高，COP較EVI關(guān)閉提高約13%~21%，并且隨著環(huán)境溫度降低，EVI開啟和EVI 關(guān)閉的COP差值變大。同時(shí)，EVI開啟時(shí)蒸發(fā)溫度較高，較EVI關(guān)閉時(shí)高約0.7℃~0.9℃；EVI開啟時(shí)冷凝溫度較低，但-2℃制熱工況由于EVI關(guān)閉時(shí)制熱量低很多，此值不適用對(duì)比；EVI開啟時(shí)排氣溫度較OFF時(shí)低約6.3℃~6.5℃。高蒸發(fā)溫度和低冷凝溫度均有利于提高壓縮機(jī)和系統(tǒng)性能，而適當(dāng)降低排氣溫度有利于提高壓縮機(jī)可靠性。需要說明的是，低溫制熱工況中EVI關(guān)閉時(shí)即使壓縮機(jī)運(yùn)行在很大頻率其制熱量仍達(dá)不到EVI開啟時(shí)的制熱量，并且繼續(xù)升高壓縮機(jī)頻率對(duì)制熱量提升貢獻(xiàn)逐步變小，且噪音非常明顯，因此沒有繼續(xù)升高壓縮機(jī)頻率。
1.2 對(duì)制冷能效的影響
噴氣增焓技術(shù)可顯著強(qiáng)化空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫制熱性能，但對(duì)制冷工況下的性能研究稍顯欠缺2?；诖耍瑯釉谠摍C(jī)組上測(cè)試了制冷工況下的性能變化，如表2所示。
制冷模式EVI開啟時(shí)壓縮機(jī)通過降頻消耗功率更小，COP較EVI關(guān)閉提高約10%~18%，并且隨著環(huán)境溫度升高， EVI對(duì)制冷COP貢獻(xiàn)增大。EVI開啟時(shí)蒸發(fā)溫度高約0.3℃~0.7℃，冷凝溫度低約0.3℃~0.5℃，排氣溫度低約2.7℃~4.9℃。
2 換熱器中水流向?qū)ο到y(tǒng)能效的影響
在家用冷水機(jī)組中，不可避免的會(huì)涉及到水與制冷劑的換熱問題。一般來說，考慮到安裝空間，換熱效率和成本等因素，常用的只有套管式換熱器，板式換熱器等幾種主要形式。其中，板式換熱器以其傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，污垢系數(shù)低和拆卸更換方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了空調(diào)行業(yè)的普遍認(rèn)可并得到了廣泛的應(yīng)用。影響板式換熱器換熱性能的因素有很多，許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了專門的研究。張兵4和孫昊5等人研究了冷熱流體的流量的變化和順流逆流對(duì)換熱量和換熱效率的影響，結(jié)果顯示換熱系數(shù)隨著流體流量的增加而增加，其中熱流體的流量變化影響更大。而且逆流的換熱效果高于順流。
但以上研究結(jié)果僅對(duì)板式換熱器自身而言，且研究的對(duì)象工質(zhì)均為純液態(tài)工質(zhì)。對(duì)于這空氣源熱泵系統(tǒng)中的板式換熱器而言，冷媒側(cè)通常伴隨著工質(zhì)的兩到三種狀態(tài)變化（過冷態(tài)，兩相態(tài)和過熱態(tài)），內(nèi)部的流動(dòng)和換熱是極其復(fù)雜和多變的，且會(huì)受到其他系統(tǒng)匹配和優(yōu)化的影響，如制冷劑充注量多少和配套的儲(chǔ)液器容積大小等。在此基礎(chǔ)上，艾默生在其心海悅空調(diào)地暖8HP一體機(jī)組上對(duì)板式換熱器的順流及逆流做了綜合性測(cè)試，研究了其對(duì)性能的影響。
圖2和圖3分別為機(jī)組中板換順流和逆流兩種情況下對(duì)制冷IPLV6（名義制冷量22.0KW）和制熱IPLV7（名義制熱量15.9KW）各個(gè)測(cè)試點(diǎn)COP的影響曲線：
圖中可以看出，同等水流量的情況下，對(duì)制冷來說，流向的影響差異在每個(gè)工況點(diǎn)之間并不明顯。具體差異值逆流比順流平均高約3.9%，最高為5.5%。而對(duì)制熱來說，平均差異值較制冷工況要小，平均約2.1%，最高為3.4%，且負(fù)荷比越小，差異越小。除此之外，測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)，逆流對(duì)于降低制熱工況的冷凝壓力和提高制冷工況的蒸發(fā)壓力都有一定的幫助。如之前所提到的，流向的差異大小受影響的因素還有很多，如機(jī)組結(jié)構(gòu)形式（分體式/一體式）等。
當(dāng)然，盡管逆流有一定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于同一臺(tái)機(jī)組，由于水流方向不可改變，制冷或制熱只可取一種模式作為逆流。對(duì)于這兩種板換安裝方案，該機(jī)組也做出了下列綜合對(duì)比（表3）：
顯而易見，根據(jù)兩個(gè)能效標(biāo)準(zhǔn)，心海悅8HP空調(diào)地暖冷水機(jī)組的性能表現(xiàn)都滿足了一等級(jí)的要求。其中方案一對(duì)制熱模式更有利，IPLV超出一等級(jí)限值3.8%。而方案二的制冷能效表現(xiàn)更好，IPLV超出一等級(jí)限值14.7%。所以，單從能效方面來看，考慮到設(shè)計(jì)余量，方案一是比較合適的選擇。
但在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中，除了需要依據(jù)具體的產(chǎn)品銷售地區(qū)，能效標(biāo)準(zhǔn)來選擇設(shè)計(jì)方案外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成本控制以及可靠性都是需要綜合考慮的因素。
4 結(jié)論
本文結(jié)合艾默生公司的心海悅空調(diào)地暖一體機(jī)產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果，闡述了影響冷水機(jī)組能效的兩個(gè)主要因素：EVI的使用和板式換熱器流向。
1)相同制冷量條件下，EVI可使COP提高約10%~18%，并且隨著環(huán)境溫度升高，EVI對(duì)性能和噪聲優(yōu)化的貢獻(xiàn)增大。
2)相同制熱量條件下，EVI可使COP提高約13%~21%，并且隨著環(huán)境溫度降低，EVI對(duì)性能和噪聲優(yōu)化的貢獻(xiàn)增大。
3)對(duì)一體機(jī)來說，逆流相對(duì)順流對(duì)于制冷模式的能效影響較制熱模式要大約1.8%，且高負(fù)荷比情況下較低負(fù)荷比影響更大。
4)對(duì)于板換流向的選擇，需要參考所依據(jù)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和能效標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)估后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)
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文章來源：原創(chuàng) 黃曉東 等 熱泵在線 2020-10-20
文章原標(biāo)題：熱泵冷熱雙一級(jí)能效產(chǎn)品的開發(fā)
