使用可卸載變頻雙轉子壓縮機提高空調器全年能效

孫釗，盧玥明，常萌萌，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

熱泵系統的能效標準經歷了從能效比(COP)，到制冷季節能效比(SEER)和綜合部分負荷值(IPLV)[1]，再到如今新推出的評估標準全年能源消耗效率(APF)[2]。能效標準變得越來越全面客觀。COP的標準中只針對夏季和冬季的某個標準工況設計點，IPLV和SEER在COP的基礎上將時間加入考量，但是也沒有能夠涵蓋所有的工況，而APF則將全年的所有工況都涵蓋在里面。APF、SEER、IPLV都考慮了時長的影響，因而提升SEER和IPLV的方法對提升APF也有一定的參考價值。

劉圣春等[3]和趙巍等[4]發現氣候條件對 SEER有影響，應當使用區域SEER作為標準，并發現不同的溫度帶對SEER和IPLV的影響趨于一致[5]；朱玉鑫等[6]提出變頻空調器能效存在很大的地域差異，并針對地域差異提出應分區評價的建議；田鎮等[7]基于運行時間的制冷量和耗電量分布圖能夠直觀反映當地的潛力溫度；王曉洪等[8]通過對全年性能的研究，提出一種以循環效率-機組負載率曲線來表征系統運行性能的方法；楊昭等[9]分析間歇運行特性，提出了提高能效比的方法；范晨等[10]研究了結霜特性；韓禮斌[11]通過設計優化手段提出 SEER的提升方法，以上文獻對APF的提升方法以及標準的制定有著一定參考。目前，也有文獻對APF的提升提出一些建議。李堂等[12]指出GB 21455-2013中統一使用相同溫度發生時間不能體現真實的APF，同時APF的提升應當側重于制熱季節耗電量；高揚等[13]為了適應APF的標準，提出分配器分流性能的評價方法；任濤等[14]、黃曉清等[15]則從換熱器角度，提高換熱效率進而提高APF。各個文獻對通過壓縮機提升APF僅提出需要選型匹配[16]，并未有更好的改進方法。

本文則針對各個地區以及冬夏季節的負荷不平衡以及壓縮機本身在低頻高頻效率較低的問題，在雙缸變頻壓縮機的基礎上提出一缸可卸載的方案。通過提高壓縮機開停區的壓縮機效率，實現降低壓縮機功耗，提高系統APF的目的。

1 全年能源消耗效率APF計算方法

1.1 APF定義

APF是用來評價熱泵系統在全年運行情況下的性能，它不僅僅只是考慮冬季和夏季兩個標準工況的能效，而是要兼顧全年各個工況下的能效。APF的計算公式如下[2]：

式中：

CSTL——制冷季節總負荷，W?h；

HSTL——制熱季節總負荷，W?h；

CSTE——制冷季節耗電量，W?h；

HSTE——制熱季節耗電量，W?h。

1.2 計算方法

目前，產品的能效標準由COP轉變為APF。與COP不同的是，COP計算只需要考慮特定的兩個工況點，而APF的計算需要考慮到不同地區全年所有工況下的負荷。然而全年各工況點按照逐時計算，測試量過大，因而氣象參數采用BIN法。不同溫度下的負荷簡化為一條關于溫度的負荷線[1]。

參考GB 17758-2010中溫度發生時間，夏季氣溫集中在22 ℃至40 ℃，冬季氣溫集中在-15 ℃至12 ℃。本文選用南京和北京兩個典型地區，溫度發生時間對應的負荷見圖1～圖4。

2 雙缸可卸載壓縮機

壓縮機在過低或者過高的轉速下效率極低，會導致系統效率低下。本文提出了一種一缸可卸載的雙缸壓縮機技術，使得低轉速低效率區以及開停區的范圍大大減少。在低轉速低效率區以及開停區，卸載較大的缸，使得雙缸中較小的部分以高效率運行。在冬季氣溫極低，負荷很大時，可以采用雙缸同開。通過雙缸可卸載技術可以有效擴大壓縮機高效率的運行范圍，以此更大工況范圍下降低壓縮機功耗，提高全年能源消耗效率。

圖1 南京制冷工況不同溫度下的負荷

圖2 南京制熱工況不同溫度下的負荷

圖3 北京制冷工況不同溫度下的負荷

圖4 北京制熱工況不同溫度下的負荷

2.1 雙缸可卸載壓縮機結構

雙缸可卸載壓縮機通過在壓縮機氣缸和氣液分離器之間的管路上設置單向導通的電磁閥，切斷被卸載氣缸的低壓氣源。通過控制上氣缸電磁閥和下氣缸電磁閥的通斷實現3種氣缸組合，3檔排氣量的變化。當上氣缸電磁閥和下氣缸電磁閥同時導通時，壓縮機排氣量最大，為上氣缸和下氣缸的排氣量之和；當上氣缸電磁閥導通和下氣缸電磁閥關閉時，壓縮機排氣量為上氣缸排氣量；當上氣缸電磁閥關閉和下氣缸電磁閥導通時，壓縮機排氣量為下氣缸排氣量。該壓縮機結構如圖5所示。

圖5 雙缸可卸載壓縮機結構圖

2.2 雙缸可卸載壓縮機運行策略

為了使得全年能源消耗效率盡可能得高，需要每一個工況點都能夠取得較低的功耗。采用雙缸可卸載的壓縮機，有3種模式運行這些工況。每個工況點選取這3種模式中功耗較小的值，通過這種方法可以找到3種運行模式的交叉點，以此確定可卸載壓縮機在3種模式下功耗最低時的運行模式。

3 案例分析

3.1 案例壓縮機性能

在本案例中選取了一種效率曲線比較陡的壓縮機，在中間頻率運行時效率較高，當壓縮機運行頻率過大或過小時，效率銳減，效率曲線如圖 6。對該壓縮選擇不同排量作為雙缸可卸載壓縮機的大小氣缸的排量，本文壓縮機采用總排量為12.2 cc，大小缸的排量之比為2∶1，即壓縮機小缸的排量為 4.0 cc，大缸的排量為 8.2 cc。通過GREATLAB仿真，運行系統功耗進行仿真分析[17]。

圖6 某壓縮機等熵效率曲線（蒸發溫度8 ℃，冷凝溫度48 ℃）

3.2 仿真分析

在本案例中，考慮到南北地域的差異選擇南京、北京兩個典型的城市進行仿真計算和驗證，南京、北京溫度發生時間見圖1～圖4。由于采用雙缸可卸載壓縮機，因此壓縮有3種運行方式。在低負荷時采用小缸單獨運行，在中間負荷時采用大缸單獨運行，高負荷時采用雙缸同時運行，使得壓縮機在不同負荷下都能夠獲得較高的效率。

對使用可卸載壓縮機的系統進行仿真測試，壓縮機在南京、北京兩個城市，3種模式下的總功耗如圖7～圖10。

為了提高系統的APF，需要系統的功耗盡可能得低。由圖7～圖10可以確定該壓縮機在南京、北京兩個城市某一工況下的運行模式，模式見表1和表2。

圖7 3種模式下南京夏季的運行總功耗

圖8 3種模式下南京冬季的運行總功耗

圖9 3種模式下北京夏季的運行總功耗

圖10 3種模式下南京京夏季的運行總功耗

表1 南京運行模式

表2 北京運行模式

從表1和表2可以發現某一型號的壓縮機的運行模式在南北方是相同的，不受溫度發生時長的影響。使用該運行模式后，全年功耗有所減少，北京功耗從 1,220 kW 降低為 1,176 kW，南京功耗從858 kW降低到804 kW。設雙缸不可壓縮機為A型壓縮機，雙缸可壓縮壓縮機為B型壓縮機。通過計算雙缸可卸載與不可卸載壓縮機的APF值見表3。

從以上結果可以看出使用雙缸可卸載技術的壓縮機，在不同城市APF均有所提升。其中北京APF的提升幅度較小，而北京由于低溫高負荷區時長較長，因而提升幅度較小。同時，由于在低溫時需要采用電加熱來滿足負荷，因而整體的APF值均較低。

表3 雙缸可卸載與不可卸載壓縮機的APF值對比

4 結論

本研究以某型號的壓縮機為案例分析對象，研究了雙缸可卸載技術對APF的影響。參照GB21455-2013的計算方法以及GB17758-2010的氣候參數，給出了南京和北京兩個典型城市的負荷，并對其APF進行了計算。由此得出了以下結論：與使用雙缸但不可卸載壓縮機的系統相比，使用了雙缸可卸載壓縮機的系統，系統變頻運行范圍擴大，且運行的效率較高；系統功耗降低，能效提升。