影響多聯機APF的關鍵要素研究

張 恒 高永坤 孟建軍 董 辰

(青島海信日立空調系統有限公司 青島 266555)

隨著人們對空調在建筑中實際使用情況的了解，空調的能效評價在不斷進步和發展，由于EER(energy efficiency ratio)和COP(coefficient of performance)僅能評價產品的單點性能，SEER(seasonal energy efficiency ratio)和IPLV(integrated part-load value)評價產品的季節能效比，所以EER(COP)和SEER(IPLV)不能全面評價產品能效[1]。為更好的反映設備真實性能，國內能效標準已經開始向全年能效系數APF(annual performance factor)切換。

2020年9月，我國在聯合國大會上提出了“2030年碳達峰，2060年碳中和”的戰略目標，“雙碳”背景下，對空調能效提出更高要求，政府和空調行業也將采取更加有力的政策和措施提升產品能效。國家發改委、工信部等多部門聯合印發《綠色高效制冷行動方案》要求三年內空調的能效提升30%，多聯機提升40%；2021年10月國標委發布了GB 21454—2021《多聯式空調(熱泵)機組能效限定值及能效等級》[2]，該標準于2022年11月1日開始實施，對多聯機能效要求有了大幅提高，熱泵型多聯機的具體能效要求如表1所示，其中一級能效要求較高，所以亟需多聯機APF提升技術。

表1 多聯機APF能效標準[2]

現在關于多聯機空調機組APF影響因素的研究較少，肖彪等[3]理論分析了各個工況點對多聯機APF的影響。戚文瑞等[4]對家用空調器的APF算法進行簡化計算，分析各個工況的能效對APF的影響比重。秦存淘等[5]分析了換熱器尺寸、流程、風系統改善對APF的影響。張海峰等[6]分析了壓縮機效率曲線對APF的影響，并提出根據全年綜合能效比進行壓縮機選型及設計優化。王碩淵[7]對比中國APF標準與日本APF標準，發現同一臺空調器的APF值，采用日本標準比采用中國標準計算出的更高。Wu Guoming等[8]提出一種快速求解變頻空調器最大APF的方法，通過對常用變頻空調進行APF最大值求解，提升額定制冷、中間制冷能效和提升額定制熱、中間制熱、低溫制熱能力，APF可提升6.37%。

本文采用制冷系統仿真軟件，建立典型樣機的APF仿真模型，通過實驗測試修正模型；對典型樣機APF的多個要素進行仿真研究，并對關鍵要素進行實驗驗證，最終建立各要素對多聯機APF的影響權重，為多聯機APF提升提供方向和理論基礎。

1 多聯機APF仿真準確性驗證

多聯式空調(熱泵)系統是一種典型的變制冷劑流量直接蒸發式空調(熱泵)系統，具有控制精細、行為節能、安裝方便等特點[9]。多聯機的系統循環如圖1所示，系統相對家用空調更加復雜，影響其APF的要素較多，包括：壓縮機、室內/外換熱器、室內/外送風系統(風量、風機效率、電機效率)、配管(室內/外機組配管、聯機配管等)、機組閥件和增阻部件(四通閥、截止閥等)、氣液分離器、回油系統(壓縮機上油率、回油旁通)、聯機方案和制冷劑充注量等。

圖1 多聯機系統循環

為獲得多聯機的較大APF值，通常采用多次重復實驗的方法，而采用系統仿真技術可以減少實驗次數[10]。在進行單一要素研究時，由于多聯機系統非常復雜，各要素對APF的影響相互耦合，實驗很難測試出某些單一要素對APF的影響，仿真能夠彌補實驗的不足，采用仿真和實驗相結合的方法，相互論證結論的準確性。本文采用制冷系統仿真軟件，根據室內外機和聯機方案，分別建立各系統部件模型參數和循環系統參數，對復雜的系統和管路進行簡化處理，如圖2所示，設置合適的收斂方式，進行仿真計算。按照GB/T18837—2015《多聯式空調(熱泵)機組》[11]的規范進行測試，包括：標準額定制冷(100%負荷)、標準中間制冷(50%負荷)、標準最小制冷(25%負荷)、標準額定制熱(100%負荷)、標準中間制熱(50%負荷)、標準最小制熱(25%負荷)和低溫最大制熱。

圖2 仿真模型示意圖

制冷系統仿真軟件只能對穩態工況進行仿真，但低溫最大制熱工況為非穩態工況，所以針對該工況，采用修正方法。圖3所示為多聯機低溫最大制熱運行時一個完整除霜周期，將除霜周期分為4個階段：啟動階段、穩定階段、衰減階段和除霜階段。

圖3 低溫制熱周期

各階段能力曲線與以下因素相關：壓縮機頻率H、室外風機轉速FO、室外機換熱器傳熱面積AO、室外機換熱器翅片形式ηO、室內機風機轉速FI、室內換熱器傳熱面積AI、室內機換熱器翅片形式ηI、除霜進入條件因素φ、除霜退出條件因素Φ。

1)啟動階段為動態過程，能力與壓縮機、室外風機、室外節流裝置、室內風機、室內節流裝置等控制有關，此外也受AO、ηO、AI和ηI影響，所以啟動階段的能力曲線可表示為Q1=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI)。

2)穩定階段可認為是穩態過程，H、FO、FI維持恒定，能力曲線Q2=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI)。

3)衰減階段為動態過程，由于室外換熱器結霜，蒸發能力下降，機組能力衰減，直至機組進入除霜運轉，所以能力曲線Q3=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI，φ)。

4)除霜階段室外機風機和室內機風機停止，壓縮機進入除霜運轉，化霜過程與H、AO、ηO、AI、ηI和Φ有關，所以能力曲線Q4=f(H，AO，ηO，AI，ηI，Φ)。

對于同一臺機器，控制條件固定，則每個低溫最大制熱的除霜周期相同，即周期能力與最大能力(穩定階段)存在比例關系。統計多組實驗機低溫最大制熱的穩定階段能力和周期能力，仿真低溫最大制熱的穩定階段能力，利用統計的穩定階段能力與周期能力的比例系數修正仿真能力，功率計算與周期能力計算相同。

采用某開發中28 kW室外機和4臺四面嵌入式7.1 kW室內機，聯機方案如圖4所示，制冷劑為R410A，充注量為11.1 kg。按照GB/T18837—2015的規范進行APF測試，實測過程中為保證最大能效，蒸發器出口過熱度控制在0～1 K；不同工況的冷凝器過冷度控制在最優值；低溫最大制熱工況壓縮機滿頻、室外機風機控制在最大頻率。建立系統仿真模型，各部件的模型參數與實際保持一致，充注量固定為11.1 kg，設置蒸發器出口過熱度為0 K，按照能力收斂，對APF的7個工況進行仿真。

圖4 聯機方案

仿真實驗結果對比如表2～表4所示，表5所示為各工況仿真與實驗的能效誤差，25%負荷工況仿真誤差最大，其中標準最小制冷誤差為5.1%，標準最小制熱誤差為-5%，其余工況的誤差均在5%以內。各工況綜合作用后，實測APF為4.59，仿真APF為4.61，仿真誤差為0.5%。

表2 制冷仿真與實驗對比

表3 制熱仿真與實驗對比

表4 低溫制熱仿真與實驗對比

表5 仿真與實驗能效誤差

2 多聯機各要素對APF的影響

室內外機和聯機方案保持不變，仿真和實驗研究風系統、充注量、系統壓損和回油系統對APF的影響；由于實驗難以測試換熱器換熱能力、壓縮機效率等因素對APF的影響，所以采用仿真進行研究。

2.1 室外機風系統

室外機風量提升有助提升于室外側換熱器換熱量，因此，對整機能效有一定提升。但隨著風機頻率上升，功率也會相應增大。不同負荷下，風量和功率對APF的影響程度并不一致，對標準制冷100%、50%、25%負荷和標準制熱100%、50%、25%負荷6個工況進行室外機風系統研究，每一工況選取3個室外機風機頻率進行仿真與實驗對比。低溫制熱工況的能力對APF貢獻較大，即使在高風機頻率下能效下降，由于其能力提升，APF仍會提升，所以該工況采用最大風機頻率測試，不進行不同風機頻率的研究[12]。

制冷工況的仿真和實驗結果對比如圖5～圖8所示：1)圖6中25%負荷實驗和仿真的能效隨室外機風機頻率變化的趨勢不同，因為在風機頻率為35 Hz的實驗測試中，室內機膨脹閥未控制到最優點，蒸發器回液，導致實測能效低于風機頻率為40 Hz的實測能效，虛線為仿真蒸發器回液時的能效，與實測結果的趨勢一致，實線為蒸發器未回液的仿真結果，所以推測25%負荷的風機最優頻率應在35 Hz以下；2)仿真和實測趨勢一致，并且仿真的能效略高于實測值，最大誤差為7.2%；3)制冷工況條件下，理論上每個工況都存在最優風機頻率；4)由于標準制熱100%和50%負荷工況室外為7 ℃/6 ℃，壓縮機頻率高，室外機存在結霜的風險，所以存在不結霜的最小風量，隨著風量增大，能效下降；5)統計不同風機頻率下的APF，如表6所示，通過優化室外機風機的頻率控制，APF性能可提升2.7%。

表6 APF仿真與實驗對比

圖5 標準制冷100%負荷工況室外機風機頻率對能效的影響

圖6 標準制冷50%和25%負荷工況室外機風機頻率對能效的影響

圖7 標準制熱100%負荷工況室外機風機頻率對能效的影響

圖8 標準制熱50%和25%負荷工況室外機風機頻率對能效的影響

根據前文風量對APF的仿真結果，分別計算室外/內機風檔效率提升10%和20%的APF，計算結果如圖9和圖10所示。室外機風檔效率提升10%和20%(包括電機和風扇)，APF分別提升1.08%和1.63%；室內風檔效率提升5%和10%(包括電機和風扇)，APF分別提升0.78%和1.21%。綜上所述，單獨提升風檔效率，APF改善程度有限。

圖9 APF與室外機風機效率曲線

圖10 APF與室內機風機效率曲線

2.2 室內/外換熱器KA值

室內/外換熱器作為系統的四大部件之一，其性能直接影響系統能力和能效[13]。采用KA值表征換熱器性能，其中K為傳熱系數，A為傳熱面積。通過仿真研究室內/外換熱器KA值分別提升5%和10%對整機APF的影響，室外機風量采用前面測試的最優風量。表7所示為室外換熱器不同KA值的制冷和制熱能效，KA值提升5%，7個工況能效提升均在1%以內；KA值提升10%，能效提升在2%以內。分別計算KA值提升5%和10%的APF，如表8所示，KA值提升5%，APF僅提升0.5%；KA值提升10%，APF僅提升0.8%；小幅提升室外機KA值對APF提升作用很小。

表7 室外換熱器KA值對能效的影響

表8 室外換熱器KA值對APF的影響

表9所示為室內換熱器KA值提升5%和10%時的各工況能效值變化，室內換熱器KA值提升5%和10%，各工況能效略有提升；分別計算室內換熱器KA值提升5%和10%的APF，如表10所示，KA值提升5%，APF提升0.34%；KA值提升10%，APF提升0.69%。綜上所述，提升室內/外機換熱器KA值對整機APF改善程度非常有限。

表9 室內換熱器KA值對能效的影響

表10 室內換熱器KA值對APF的影響

2.3 壓縮機效率

壓縮機作為制冷系統的核心部件，其效率對系統能效的影響至關重要。通過仿真研究總體壓縮機效率提升2%和3%對整機APF的影響，以及不同負荷壓縮機效率提升2%和3%對APF的影響，室內外機風量采用前面測試的最優風量，室內外換熱器的KA值保持不變。表11所示為總體壓縮機效率提升2%和3%對APF影響，表12所示為不同負荷壓縮機效率提升對APF的影響。

表11 總體壓縮機效率對APF的影響

表12 不同負荷壓縮機效率對APF的影響

由表11可知，壓縮機效率提升對APF影響顯著，總體壓縮機效率提升2%，APF提升1.91%；效率提升3%，APF提升2.8%。由表12可知，僅50%負荷壓縮機效率提升3%，APF增幅最大，其次是100%負荷，最后是25%負荷。因為按照APF算法，對于28 kW的多聯機，50%制冷和50%制熱工況對APF影響占比最大，其次是100%負荷[14]。所以，為提升整機APF，壓縮機改善應著重考慮中間負荷頻率段的效率。

2.4 制冷劑充注量

多聯機采用IPLV作為能效評價標準已經多年，所以系統充注量都是通過標準最大制冷運行確定，N. Vjacheslav等[15]研究表明制冷能效隨充注量變化存在最大值，但該充注量可能不是APF的最優充注量。為了找出適合APF的最優充注量，選取10.0、11.1、12.0 kg三種不同充注量，對APF規定的各工況分別進行仿真，并進行實驗驗證。仿真和實驗過程中，除充注量外，其他影響因素保持不變(室內外風量采用前面測試的最優風量，室內外換熱器KA值和壓縮機效率不變)。

圖11和圖12所示為不同充注量下各工況的能效變化。圖12中12 kg充注量的25%負荷制熱仿真與實際相差較大，因為實驗調試過程中，測試中室外機膨脹閥開度未控制在最優點，室外換熱器出口過熱度為3 K，導致排氣過熱度大，能效低，圖12中虛線和點為仿真蒸發器過熱3 K的點，與實測結果的趨勢一致，實線為出口過熱度為0 K的仿真結果，所以推測25%負荷在12 kg制冷量下能效更高。由圖11和圖12可知，各工況的仿真結果與實驗結果誤差在6%以內；制冷100%負荷，10 kg充注量的能效最高，其次為11 kg，制冷50%負荷和25%負荷能效隨充注量變化不顯著；制熱100%負荷和25%負荷能效隨充注量的增加而增加，但50%負荷能效隨充注量的增加而減少。

圖11 不同充注量下的制冷能效

圖12 不同充注量下的制熱能效

分別計算三種不同充注量的APF和標準最大制冷/制熱的能效值，如圖13所示。仿真和實測的APF誤差在2%以內，且趨勢一致；存在APF最優充注量，由于50%負荷的權重占比高，故與50%負荷時的最優充注量接近；為提升整機APF，系統的最優充注量應向APF最優靠近，此充注量處于制冷和制熱最優點之間。

圖13 不同充注量對能效的影響

2.5 配管和阻力件(系統壓損)

閥件主要通過自身的壓力損失影響系統性能，系統閥件可分為高壓閥件和低壓閥件；此外，氣液分離器和聯機配管的主氣管也是通過自身壓損影響系統性能。石文星等[16]通過研究多聯機配管壓損對機組能力和能效的影響，提出了經濟型作用域，制冷運行時，管長每增加10 m，EER下降約2.5%。

對實驗機進行改造，更換為阻力更大的四通閥、截止閥、單向閥、聯機配管和氣分U管等，共分為3個規格，如表13所示，其中規格一是未改造的實驗機，規格二和規格三的各類閥件或管路依次縮小一個規格，由于當采用9.53 mm的四通閥和單向閥時，兩部件的壓損急劇增大，所以規格三的四通閥和單向閥同規格二相同。

表13 三種規格的機器

對三種規格的樣機進行仿真和實驗測試，結果如圖14和圖15所示。制冷和制熱工況仿真和實測能效變化趨勢一致，仿真結果準確；規格一樣機各工況能效最高，其次是規格二，最后是規格三，即壓損越大，能效越低。根據仿真和實測結果分別計算三個規格樣機的APF，如圖16所示。仿真與實測的趨勢一致，且誤差在3%以內；相比規格一，規格二實測值下降3.01%，規格三下降8.2%，仿真值分別下降4.2%和6.92%。

圖14 三種規格機器的制冷能效

圖15 三種規格機器的制熱能效

圖16 三種規格機器的APF

為了更好的體現高低壓側壓損對整機APF的影響，利用系統仿真分別研究高壓側壓差和低壓側壓差對APF的影響。由于APF的7個工況高低壓側壓差均不同，高壓側壓損Δp1取制冷100%負荷工況壓縮機排氣至C配管出口的壓損，低壓側壓損Δp2取制冷100%負荷工況室內機出口至壓縮機吸氣口的壓損。研究高壓側壓損Δp1時，低壓側保持不變，通過改變單向閥的流量系數(CV)實現Δp1的變化，共仿真5種不同的CV(7、5、2.5、2、1.5)；研究低壓側壓損Δp2時，高壓側保持不變，通過改變吸氣管的內徑實現Δp2的變化，共仿真5種不同的內徑(23、16、14、12、11 mm)。

根據仿真結果，計算出不同壓損下的APF，如表14所示，Δp2相比Δp1對APF影響大。根據表14數據分別制作出高壓側壓損、低壓側壓損與APF的關系圖，如圖17和圖18所示，假設壓損為0時的APF占比為100%，壓損越大APF占比越小，圖中圓點為不同高低壓壓損對應的APF實測值，直線為APF與壓損的關系擬合線，黑色方框為某系列產品的高低壓側壓損。同一機型低壓壓損的影響權重約為高壓壓損的5倍，降低低壓壓損更為重要；實驗機的系統壓損已處于較優的狀態，單獨降低壓損對提升APF效果不顯著；分析某系列產品的壓損，對于大容量的機組，可從改善壓損角度提升APF，最大可提升約6%。

表14 高低壓壓損與APF

圖17 高壓側壓損對APF的影響

圖18 低壓側壓損對APF的影響

2.6 回油系統

多聯機回油系統主要包括壓縮機、油分離器、回油毛細管和氣液分離器等部件，其中回油毛細管將高壓側的潤滑油返回低壓側，保證壓縮機正常運行，但回油毛細管兩端連通高壓側和低壓側，高低壓旁通會造成系統能效下降，所以改善回油毛細管可有效提升機器的能力和能效。但回油毛細管的設計與壓縮機的上油率有關，上油率越低，回油毛細管設計的越長(細)。

分別按照2%、3%和4%的壓縮機上油率進行回油設計，回油毛細管的規格分別為內徑×長度=1.3 mm×2 000 mm、1.4 mm×600 mm、1.7 mm×840 mm，對三種規格回油毛細管進行仿真和實驗，結果如圖19和圖20所示。負荷越大，回油毛細管影響越大，在低負荷時，仿真誤差較大；壓縮機上油率減小，系統回油精細化設計均可有效提升APF，部分系統可提升5%的APF。

圖19 回油毛細管對制冷能效的影響

圖20 回油毛細管對制熱能效的影響

2.7 小結

將壓縮機效率、回油毛細管、室內機、室外機換熱器效率和風機效率等因素同時進行改變，仿真出各工況的能力和能效，然后計算APF。各因素對APF的影響權重如圖21所示，改善單一要素對APF提升有限，改善回油系統僅提升0.138，壓縮機效率提升3%，APF僅提升0.109，但多因素同時改善可有效提升APF，仿真計算所有因素改善后，機組的APF可由4.61升至5.26。通過以上研究結論，對此28 kW多聯機的回油系統、系統壓損等因素進行了改善，改善后機組的APF提升至4.92，達到多聯機最新能效標準GB 21454—2021中一級能效4.8的要求。

圖21 各因素占APF的權重

3 結論

1)本文搭建了某28 kW多聯機的APF仿真模型，并進行了7個工況的實驗和仿真對比，其中單一工況能效最大誤差為5.1%，各工況綜合作用后，APF仿真誤差為0.5%。

2)采用仿真和實驗方法對影響APF的各要素進行研究，其中，通過優化室外機風機頻率的控制，APF可提升2.7%；風機效率和換熱器KA值提升對APF改善程度有限；壓縮機效率提升3%對APF增幅2.8%，且50%負荷效率提升對APF影響最大；APF最優制冷劑充注量與50%負荷時的最優制冷劑充注量接近，此充注量處于制冷和制熱最優點之間；低壓側壓損對APF的影響是高壓側壓損的5倍，且同一系列機組中壓損對APF的影響為6.3%～12.9%，對影響權重較大的機組應重點改善其壓損。

3)從目前業界多聯機的設計水平而言，潛力相對較大的APF提升方向為壓縮機上油率降低及回油系統精細化、壓縮機整體或部分負荷性能提升、系統壓損特別是低壓壓損降低。

4)由于當前多聯機的APF已相對較高，單一要素的提升潛力有限，需要考慮多因素同時改善；且由于不同機組設計方案的差異，每個機組的關鍵提升方向需要具體分析，本文對28 kW多聯機的回油系統和系統壓損等要素進行了重點改善，APF由4.61提升至4.92。

本文受青島西海岸新區自主創新重大專項項目(2020-11)資助。(The project was supported by Qingdao West Coast New Area Major Program of Independent Innovation (No.2020-11).)