變頻雙級增焓熱泵技術在空氣源熱泵熱水器上的應用

黃娟，李紹斌

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

變頻雙級增焓熱泵技術在空氣源熱泵熱水器上的應用

黃娟*，李紹斌

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

空氣源熱泵熱水器具有節能環保的優點，是一種非常好的熱水技術。但是由于壓縮機可靠性和制熱量衰減的原因，空氣源熱泵熱水器在低溫區域的應用受到限制。本文主要闡述了變頻雙級增焓熱泵技術及其關鍵技術的應用效果。通過將雙級壓縮增焓和變頻技術有機結合，提出一種適用于寒冷地區的變頻雙級增焓空氣源熱泵熱水器系統。采用該系統的空氣源熱泵熱水器，制熱效率和制熱量得到了提高，可靠性得到增強；在國標名義工況下性能系數（COP）達到5.0以上，并獲得了-25℃環境溫度下制取55℃熱水的良好運行效果。該系統能夠很好地解決空氣源熱泵熱水器在低溫地區的適用性問題。

空氣源熱泵；熱水器；變頻；雙級壓縮；微通道；

0 引言

空氣源熱泵熱水器近年來在各種政策的支持和鼓勵下取得了飛速的發展，特別是2012年節能惠民工程和2013年空氣源熱泵熱水器能效標準的實施，空氣源熱泵熱水器迎來新的發展機遇期。

空氣源熱泵熱水器在我國長江流域及以南地區得到較為廣泛的應用，而在長江以北地區，常規空氣源熱泵熱水器在冬季制熱水效果差，壓縮機甚至無法正常工作[1-2]。為此，研究人員在全工況性能提高，運行范圍的拓展以及低溫制熱性能的提升這幾個方向進行了不斷的努力和探索。

目前提高空氣源熱泵性能和可靠性主要有以下幾種。

1) 變頻和變容技術：通過改變壓縮機的工作容積來提高制熱能力，低溫制熱比普通定速壓縮機有較大提高，但是在高壓比工況下壓縮機容積效率低、系統節流損失大，制熱量隨環境溫度的降低大幅衰退。即使增大系統的蒸發器和冷凝器也存在制熱量隨環境溫度的降低急劇衰退的問題。

2) 準二級壓縮技術：該技術在單級螺桿準二級壓縮低溫熱泵系統[3]，渦旋壓縮機系統設置經濟器構成準雙級壓縮機的空氣源熱泵系統[4-6]得到應用。采用帶噴射口的渦旋、螺桿壓縮機，低溫制熱量比常規機型能夠得到較大提高，但是受限于以上機型的實際應用范圍，無法應用于(1～3)匹的家用熱泵熱水器領域。另外，該技術存在熱力完善度不高、容積效率隨壓比增大而大幅降低的問題，并非解決低溫制熱需求的最佳方案。

為了保證熱水器機效率在大壓縮比下保持較高水平，提高系統的熱力完善度，降低惡劣工況下的排氣溫度，解決低溫制熱水能力差、效率低、可靠性差的行業難題，本文開發了一種寬溫度范圍運行的高效變頻雙級壓縮增焓熱泵技術，并應用于空氣源熱泵熱水器中。

1 系統原理分析

變頻雙級增焓熱泵系統示意圖如圖1所示，該系統采用雙級增焓轉子式變頻壓縮機、增加閃蒸器和一級節流裝置。

圖1 雙級增焓壓縮理論循環示意圖

雙級增焓壓縮系統在壓焓圖上循環過程為1-2-6-7-9-10-4-5-1，其單位制冷量q0=h1-h4；普通單級壓縮系統的循環過程為1-7′-9-5′-1，其單位制冷量q0′=h1-h9，如圖2所示。

采用雙級增焓壓縮循環，存在如下三個優點。

1) 排氣溫度降低：

雙級增焓壓縮系統的補氣冷媒與低壓級排氣冷媒混合，使高壓級吸氣冷媒狀態從2點降低到6點，最終的排氣溫度可由單級壓縮系統的7′點降低到7點，排氣溫度降低ΔT=T7′-T7，排氣溫度的降低幅度可通過調節補氣冷媒的狀態來控制。

2) 單位制冷量增加：

雙級增焓壓縮系統通過閃蒸器閃發作用，使二級節流后的冷媒干度降低，其單位制冷量可以比普通壓縮系統提高Δq0=h9-h4。為了提高Δq0的幅度，需要增大壓縮機容積比，優化閃蒸器和增焓部件的設計，提高閃發量，增加二級節流前冷媒的過冷度，最大限度發揮雙級增焓壓縮系統的制熱能力。

3) 壓縮比減小：

雙級增焓轉子式變頻壓縮機的兩個氣缸分別進行低壓級壓縮和高壓級壓縮，單個氣缸的壓縮比得到大幅降低。通過合理設計雙級增焓各部件，可使機組在高壓比工況下，其運行效率比單級系統得到明顯提高，進一步加強雙級增焓系統制熱能力的優勢[7]。

從系統原理分析可以看出雙級增焓熱泵系統的優勢非常明顯。但是，要實現變頻雙級增焓熱泵技術在空氣能熱水器上的應用，必須要攻克變頻雙級增焓壓縮機技術、高效換熱技術和系統參數控制等關鍵性技術問題。

圖2 雙級增焓變頻熱水器系統原理圖

2 變頻雙級增焓熱泵熱水器關鍵技術

2.1 變頻雙級增焓壓縮機技術

轉子式壓縮機結構簡單，加工方便，在家用空氣源熱泵熱水器中得到了普遍運用。但普通的轉子式壓縮機難以承受大的工作壓力差。業內使用雙級壓縮形式來降低單個氣缸工作壓力，大部分局限于二氧化碳壓縮機。增焓技術在渦旋式、螺桿式壓縮機中有所應用，用來降低排氣溫度，以提高能效。單缸轉子式壓縮機中運用增焓技術，雖在文獻中有所提及，但因其實施的效果不明顯而未被應用。

雙級變頻壓縮機和增焓技術的結合，從其特點上看，是提升壓縮機能效和拓寬運行范圍的有效手段，但此種技術未見應用。格力為實現壓縮機高效化，開發了變頻雙級增焓轉子式壓縮機。所開發的壓縮機采用的關鍵技術包括：

1）獨特的中間腔結構設計，縮短了中間冷媒流通路徑，保證了相對補氣量，提高了壓縮機性能；并且帶消音功能的下法蘭中間腔降低了排氣噪聲，使雙級增焓轉子式變頻壓縮機達到了與單級雙缸壓縮機同等的噪聲水平；

2）最佳容積比設計，通過對高、低壓腔工作容積比對壓縮機性能的影響分析，找出最佳容積比范圍，本設計從根本上提高了雙級增焓轉子式變頻壓縮機的制熱能力和能效；

3）最優的中壓流道設計，此設計增大流道的流通面積，降低流體的流動阻力，提高壓縮機能效。

此外，還對高低壓排氣口面積比、泵體徑向間隙、電機、供油系統以及防液擊、防雜質等進行特殊設計。

1 Hp～3 Hp各系列雙級增焓轉子式變頻壓縮機在壓縮機國標工況下[8]的性能系數(COP)如圖3所示。各系列雙級增焓轉子式變頻壓縮機的能效水平均超過單級變頻壓縮機。通過采用單機雙級壓縮、內置中間腔增焓方式，開發出的雙級增焓轉子式變頻壓縮機（如圖4所示），實現了雙級增焓轉子式變頻壓縮機的寬溫高效化。

圖3 各系列雙級增焓壓縮機能效水平

圖4 變頻雙級增焓轉子式壓縮機

2.2 水箱微通道換熱技術

靜態加熱式空氣源熱泵熱水器水側換熱器主要有兩種方式，即水箱內膽外盤繞換熱器或水箱內置換熱盤管。對于水箱內盤管式換熱器，換熱效率較高但換熱盤管直接和水接觸，存在嚴重的腐蝕和結構問題。對于外繞盤管現主要是采用外繞銅管雖無上述隱患，但存在接觸面積小、換熱熱阻及流程壓降大的問題，限制了家用熱泵熱水器換熱性能的進一步提升。

目前，微通道換熱技術已是較為成熟的技術，波浪形翅片的微通道換熱器已經在電子、汽車空調等行業有了廣泛的應用，具有冷媒接觸截面積大、結構緊湊高效的特點[9-10]。為了提高外盤繞換熱器的換熱性能，同時結合與水箱內膽的配合需求，引進了水箱微通道換熱器，采用扁平微通道管配合集、分流管的結構形式，圖5即為扁平微通道換熱器和微通道水箱圖。

圖5 微通道換熱器與微通道水箱示意圖

由于水箱外盤繞微通道換熱器的冷凝換熱包括冷媒側的凝結換熱、扁管壁面導熱、硅脂導熱、不銹鋼內膽導熱以及水側水的自然對流換熱，換熱機理非常復雜。水箱微通道換熱器的選型和匹配方法主要是根據理論計算并輔以實驗驗證。通過設計多個樣機方案反復迭代試算和實驗驗證，35根扁管、流程為13-9-6-4-3的微通道方案是多個方案中換熱效果最優的，具體結構參數詳見表1。

為驗證上述微通道換熱器的換熱效果，與現有外繞銅盤管換熱器水箱進行了對比實驗，實驗結果表明，微通道換熱器比相同換熱能力的外盤銅盤管換熱器換熱效率提高2.8%，制熱水過程壓力損失減少60%～35%，整機COP提高6.3%。

水箱微通道換熱器的扁平環繞結構，流程按遞減設計形式增大了換熱盤管的有效換熱面積、強化了換熱效果、提高了材料利用率，整機性能大幅提高。

表1 微通道換熱器的結構參數

2.3 能效比自動優化控制技術

靜態加熱式空氣源熱泵熱水器制熱水過程隨著水溫逐漸升高，系統狀態不斷發生改變，屬于非穩態運行過程。對于熱泵系統，環境溫度和水箱水溫的變化均對系統運行狀態產生影響，針對系統狀態改變壓縮機頻率應進行相應調節才能使整機效率維持在較優區域。

通過分析大量的匹配實驗數據發現，熱泵熱水器加熱過程系統的最佳控制狀態均不同，COP隨水溫升高而不斷降低，見圖6；運行條件一定的情況下，在不同壓縮機頻率下運行的整機COP不同，在運行頻率范圍內存在COP最優的頻率區域，即最佳能效比區域，見圖7。

圖6 空氣源熱泵熱水器加熱過程COP隨水溫變化圖

圖7 運行條件一定時不同頻率下整機COP變化規律

為確保機組運行在最佳COP頻率區域，結合上述運行規律，整機采用了能效比自動優化的控制方法，如圖8所示。具體的控制思路如下所述：

1) 機組控制器實時檢測環境溫度Th、水溫Tw、吸氣溫度Ts、蒸發器入管溫度Tg、排氣溫度Td、熱水溫升時間Δt和實時輸入功率P等機組運行參數；

2) 根據上述檢測參數，通過系統換熱數學模型計算冷凝溫度Tc、蒸發溫度Te、過熱度Tsc、過冷度Tsc、耗電量W、制熱量Q以及計算COP0并記憶其對應的頻率值；文中所有的COP，有的是斜體，有的不是斜體，建議都不用斜體。

3) 調節壓縮機對應的頻率運行，圍繞該頻率向下調整壓縮機頻率計算COP1，然后向上調整頻率并計算COP2，再比較COP0、COP1和COP2，獲取三者中最大COP值以及其對應的頻率值；

4) 擇優選擇對應頻率，更新控制器記憶表單中的到最大COPmax值和其對應的頻率f；

5) 再圍繞更新后的頻率調整當前頻率，向上和向下調整頻率，計算COP值并進行比較和更新，可實現COP和頻率的自動更新和優化。

通過采用能效比自動優化控制技術，控制器表單頻率和COP的值不斷地自動更新和優化，實際運行COP逐漸趨近該機組的最優COP。實現了機組在各個工況點的高效運行。

圖8 能效比自動優化實現方法

3 在空氣源熱泵熱水器的應用效果

已推出的應用變頻雙級增焓熱泵技術的空氣源熱泵熱水器舒尊系列產品具有能效比高、制熱能力強的特點，運行范圍拓展到環境溫度低達-25℃并能夠穩定制取55℃熱水。

3.1 全工況能效比提升和運行范圍拓寬

經權威檢測機構檢測應用變頻雙級增焓熱泵技術的舒尊空氣源熱泵熱水器國標[12]名義工況COP達到5.0 W/W以上，具體檢測結果見表2。

表2 格力舒尊系列KFRS-3.5JPd/NaA變頻雙級增焓空氣源熱泵熱水器測試數據

應用變頻雙級增焓熱泵技術的空氣源熱泵熱水器能在-25℃至45℃的寬環境溫度范圍內高效可靠的運行。按熱泵熱水器國標測試，與定頻空氣源熱泵熱水器相比，變頻雙級增焓空氣源熱泵熱水器名義工況20℃制熱水COP為5.38。

圖9 變頻雙級增焓熱水機與普通熱水機性能對比圖

通過上述表2和圖9可以看出：變頻熱水機高出國標限定值（3.4）60%，高出熱水機能效等級標準[11]一級（4.2）能效值1.18 W/W；低溫-15℃制熱工況下制熱水COP可達2.0 W/W，COP超出其他熱水器62%；普通熱泵熱水器無法運行的超低溫-25℃工況，COP仍可保持為1.23 W/W；45℃高溫工況下，COP高出普通空氣能熱水器54%。

通過對比可知，變頻雙級增焓空氣源熱泵熱水器在高溫、低溫環境溫度下能效表現卓越，全工況節能優勢明顯。

3.2 整機可靠性提高

-15℃工況運行，常規空氣源熱泵熱水器的最高壓縮比9以上，而采用變頻雙級增焓系統的最高壓縮比不超過5，壓縮比顯著降低，見圖10。

圖10 環境溫度-15℃單級與雙級熱泵熱水器系統壓縮比

壓縮機排氣過熱度，可以間接控制壓縮機底部油溫過熱度。當油溫過熱度小于5℃時，潤滑油的濃度小于70%，會造成壓縮機磨損。通過控制器嚴格控制系統排氣溫度過熱度，來達到控制壓縮機油溫過熱度高于5℃的目的，保證潤滑油合理的濃度充分潤滑壓縮機轉動部件，見圖11。

圖11 排氣過熱度與壓縮機底部過熱的試驗數據

整機通過長期可靠性和加速壽命試驗（實驗主要包括高低溫運行、過負荷高電壓運行、過負荷低電壓運行、高頻高水溫高環溫運行、高頻高水溫低環溫運行、低頻運行、惡劣工況運行、頻繁啟停、模擬用戶用水等）驗證表明：整機可靠性試驗后性能下降不超過3%，噪聲增大量不超過可靠性試驗前2 dB。水箱微通道換熱器解剖，換熱器外觀測量無變形無間隙變大，測量扁管抗拉強度、屈服強度和延伸率均符合可靠性要求，見圖12。壓縮機解剖，電機漆包線無起泡現象、綁扎繩無熔斷現象，電機未見老化；冷凍油可滿足壓縮機寬范圍使用要求；泵體結構磨損量和各零部件滿足壓縮機壽命要求，見圖13。總而言之，變頻雙級增焓空氣源熱泵熱水器具備良好的可靠性。

圖12 整機長期加速壽命實驗扁管拉力變化圖

圖13 整機長期可靠性實驗后壓縮機解剖零部件圖

4 結論

變頻雙級增焓熱泵技術在空氣源熱泵熱水器產品得以應用的前提是攻克了變頻雙級增焓壓縮機技術、高效微通道換熱技術和系統參數的控制技術難題。我公司在熱水器行業首次應用變頻雙級增焓熱泵技術開發了空氣源熱泵熱水器，取得的成果包括以下幾個方面。

1) 全工況性能提升：國標名義工況測試能效達到5.0 W/W以上，名義工況、超低溫工況以及高溫工況COP較常規空氣能熱水器分別提升60%、62%和54%；

2) 整機可靠性高：超低溫工況運行最高壓縮比不超過5，系統精確控制保證壓縮機回油潤滑良好，整機長期可靠實驗和加速壽命實驗表明性能下降不超過3%，噪聲增大量不超過可靠性試驗前2 dB，整機可靠性高。

3) 運行范圍拓寬：純熱泵運行范圍由-15℃拓展為-25℃，可適應北方地區使用。

應用變頻雙級增焓熱泵技術的空氣源熱泵熱水器性能取得突破，運行范圍拓寬，整機可靠性提高，解決常規空氣源熱泵熱水器在低溫下的制熱水效果差、無法大規模在北方地區應用的問題。

隨著變頻雙級增焓熱泵技術的應用，未來空氣能熱水器的使用地域范圍有望進一步拓展。

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Application of Variable Frequency Two-stage Enthalpy-adding Heat Pumping Technology in Air Source Heat Pump Water Heater

HUANG Juan*, LI Shao-bin
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China)

Air source heat pump water heater (ASHPWH) is proved to be a good water heating technology with energy-saving and environmental protection advantage. Due to the compressor reliability and heating capacity concern, the application of ASHPWH in the relatively low temperature area is restricted. In the present study, the two-stage compression and vapor injection variable frequency heating technology and the application effect of this key technique were described. A variable frequency two-stage enthalpy-adding ASHPWH system was developed by combining two-stage compression enthalpy-adding cycle with variable frequency technology. By using the proposed ASHPWH system, the heating efficiency and heating capacity were improved, and the reliability was increased; the coefficient of performance (COP) can be raised up to 5.0 in the standard rating condition, and the operation effect was very good for producing 55oC hot water at -25oC ambient temperature. The proposed system can effectively solve the suitability problems of the ASHPWH unit in low temperature regions.

Air source heat pump; water heater; Variable frequency; Two-stage compression; Micro-channel

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.203

*黃娟（1985-），女，工程師，研究生。研究方向：主要從事熱泵熱水器的研發和設計工作。聯系地址：珠海市前山金雞西路珠海格力電器股份有限公司，郵編：519070。聯系電話：13411516024。Email：hulideye.85@163.com。