低溫空氣源熱泵定頻機組的節能設計

李嘉鵬，李鎮宇，曹祥，邵亮亮，張春路

（同濟大學機械與能源工程學院 制冷與低溫工程研究所，上海 201804）

0 引言

自國務院發布《大氣污染防治行動計劃》[1]以來，各省市紛紛出臺“煤改電”等相關政策[2-3]來改善大氣環境。低溫空氣源熱泵由于使用靈活、節能高效以及技術經濟性優異[4]，在北方地區“煤改電”的政策紅利下得到了快速發展[5-6]。

如何提升低溫空氣源熱泵的能效一直是本領域的研究熱點。研究者一方面關注不同循環形式[7-8]、不同制冷劑工質[9]和不同節流方式[10]的系統熱力學研究；另一方面也注重除霜抑霜[11-12]、換熱器空氣流場優化設計[13]，采用太陽能等輔助熱源[14]的實際系統優化研究。但以上研究的目標主要是額定工況下，系統制熱量最大以及制熱性能系數（Coefficient of Performance，COP）最高，未對部分負荷工況點進行設計優化。

根據國家標準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荷性能系數（Integrated Part Load Value，IPLVH）作為能效等級指標值。IPLVH的優點在于設計時需充分考慮部分負荷，更加貼近機組實際運行情況，有利于挖掘熱泵的節能潛力[16]。表1[15]所示為機組在100%、75%、50%和25%負荷工況點的參數。根據式(1)[15]計算得出IPLVH。

表1 部分負荷工況點的參數

由式(1)可知，50%和75%負荷工況點在IPLVH計算中所占權重較大，因此若想取得較高的IPLVH，需提高部分負荷工況點下機組的能效水平[17]。壓縮機變容量調節可以有效降低部分負荷工況下系統功耗，提高機組能效水平；而控制方式改進則可以合理利用標準中關于不能卸載到部分負荷工況點的制熱COP 計算公式[15]，在一定程度上也可以提高機組IPLVH[18]，因此王派等[16]認為壓縮機容量調節以及控制方式改進是提高機組IPLVH的重要因素。但對于定頻低溫空氣源熱泵機組，容量調節十分有限（多臺定頻壓縮機并聯機組）甚至不能調節（單臺定頻壓縮機機組），僅依靠控制方式改進所帶來的IPLV(H)提升幅度較小，需對定頻低溫空氣源熱泵機組進行精細化系統設計。

因此本文以某個定頻低溫空氣源熱泵機組為例，針對其IPLVH較低的問題，提出了多種改進設計方案，包括采用變風量風機、多回路換熱器和多套獨立風系統等；并基于經過實驗驗證的制冷熱泵系統仿真模型，對比分析了不同設計方案下機組IPLVH能效水平。

1 機組設計改進方案

某個定頻低溫空氣源熱泵機組的設計方案（基準方案）如圖1所示，該方案采用兩臺定頻補氣增焓壓縮機，兩片單回路V 型翅片管換熱器，兩臺定風量風機（一套風系統）。如此設計，生產加工方便、系統控制簡單，因此受到了廣泛推廣。但在該設計方案下，機組IPLVH往往較低，主要原因是在部分負荷工況下，風機功耗較大，在關閉一套熱泵系統后，仍會有大約一半的風量流經該關停的換熱器，風量損失較大。

圖1 基準方案流程

本文提出了3 種改進方案：1）兩臺變風量風機，根據負荷大小有效調控風量大小，實現風量和負荷的匹配，有效降低部分負荷工況點下風機功耗占比；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回路分屬兩個熱泵系統，如此設置有利于兩個熱泵系統間相互平衡[19]，更重要的是在部分負荷工況下盡管只開一套熱泵系統，但兩個換熱器的翅片和兩臺風機的風量都能夠用于換熱，有利于充分利用換熱面積和換熱風量，提高機組能效水平；3）采用兩套獨立風系統設計（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，并在機組中間隔斷，由之前兩個風機組成一套風系統變為兩個風機各構成一套風系統，兩套風系統間相互獨立，這樣在部分負荷工況下可只開一個熱泵系統和一個風機，有效降低機組功耗，提高系統能效。

圖2 雙回路翅片管換熱器[19]

圖3 兩套風系統+單回路翅片管流程

上述改進措施，可組合衍生出多種機組設計方案。本文將以基準方案+4 種改進方案為例（如圖4所示），基于經過實驗驗證的系統仿真模型，對比分析這5 種設計方案下機組IPLVH能效水平大小。

圖4 5 種設計方案

2 仿真模型與實驗驗證

基準方案的系統仿真模型是通過制冷空調熱泵系統通用仿真平臺[20]搭建。系統設計低溫制熱量100 kW，供水溫度41 ℃，壓縮機為定頻補氣增焓壓縮機，V 型翅片管換熱器采用單回路設計，制冷工質為R410A。對系統仿真模型進行了優化設計，仿真結果見表2。

相應的樣機在焓差法實驗臺開展了實驗測試，實驗結果如表2所示。工況1，即熱源側空氣干/濕球溫度-12 ℃/-14 ℃，側送/回水溫度41 ℃/36 ℃；工況2，即熱源側空氣干/濕球溫度7 ℃/6 ℃，使用側送/回水溫度45 ℃/40 ℃。通過對比仿真結果和實驗結果，驗證了系統仿真模型精度。

表2 基準方案系統仿真結果與實驗結果對比

3 仿真結果分析

在基準方案系統仿真模型的基礎上搭建了其,4種改進設計方案所對應的系統仿真模型，開展了IPLVH仿真計算，得到如圖5所示的IPLVH及各個負荷點性能系數仿真結果。

結果顯示，4 種改進方案的IPLVH均高于基準方案，并且方案3 的IPLVH最高為2.93。基準方案接近三級能效水平（2.60）[21]，方案1 和方案2 達到三級能效水平，方案3 和方案4 達到二級能效水平（2.80）。

由圖5可知，風機變風量系統（方案3 和方案4）的IPLVH要高于風機定風量系統（基準方案、方案1 和方案2）。這是因為在部分負荷點，風機定風量系統的風機功耗較高，所以其部分負荷點制熱COP 要小于風機變風量系統。并且負荷點越低，風機功耗占比越大，風機定風量系統的制熱COP就越小于風機變風量系統。

圖5 IPLVH 及各個負荷點性能系數仿真結果

在風機定風量情況下，兩套風系統+單回路翅片管（方案2）的IPLVH高于一套風系統+雙回路翅片管（方案1）；在風機變風量情況下，方案3 優于方案4。這是因為，在風機定風量情況下，風機功耗占比較大，關閉一臺風機（方案2）能夠有效降低風機功耗，提高機組能效。在風機變風量情況下，風機功耗占比大大減小，雙回路翅片管（方案3）在部分負荷工況下的換熱面積和換熱風量要高于單回路翅片管（方案4），所以機組能效更高。因此低溫空氣源熱泵定頻機組在采用定風量風機的情況下，推薦使用方案2 的系統設計，在采用變風量風機的情況下，推薦使用方案3 的系統設計。

4 結論

本文以某個定頻低溫空氣源熱泵機組為例，針對其IPLVH較低的問題，提出了4 種改進設計方案，并基于經過實驗驗證的制冷熱泵系統仿真模型，對比分析了不同設計方案下機組的IPLVH能效水平，得到如下結論：

1）采用風機變風量+一套風系統+雙回路翅片管的系統方案3 的IPLVH最高為2.93，相較于基準方案（2.57）提高了14%，達到二級能效水平，滿足節能產品要求；

2）對于當前機組形式，風機變風量系統的IPLVH要高于風機定風量系統；在風機定風量情況下，兩套風系統+單回路翅片管要優于一套風系統+雙回路翅片管；在風機變風量情況下，結果相反。