关于超高效热泵热水器专用压缩机的研究

上海日立电器有限公司 李爱国 乐红胜 米廷灿

将来的城市是热泵之城？欧洲热泵协会EHPA以热泵诸如低能耗高能效、可靠成熟的技术、属于可再生能源、无排放污染、使得“废热”可用、符合欧洲节能和环境标准等几大优点，预言将来的城市是热泵之城。中国《家用和类似用途热泵热水器》、《家用和类似用途CO2制冷剂热泵热水器用全封闭型电动机-压缩机》等标准陆续出台，中国热泵联盟也呼吁以将热泵纳入可再生能源。

为什么热泵如此受到专家们的追捧呢？热泵产生热能的75%来自水、陆、空这些人类日常环境中，而一般来讲这些不过都是不可用的“废热”。由热力学知识可知，当温度等于环境温度时，物质热能中可做功的部分即等于零，成为“废热”。热泵的原理是通过冷媒介质吸收环境中的热量，经过压缩升温，施放到所需加热的介质中去，使得“废热”可用。当这些热量用过后还将耗散到环境中，可以再被热泵吸收。这就是热泵被称为可再生能源的原因，而所消耗的能量仅仅是人们得到热量的25%。

1 超高效热泵热水器专用压缩机开发背景

1.1 节能减排压力

国务院常务会议通过的《“十二五”控制温室气体排放工作方案》提出，到2015年实现单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年下降17%的目标。

根据主流科学家的观点，温室气体主要就是二氧化碳的排放会让我们的赖以生存的地球正在变得越来越温暖，冰川融化、南北极的悄然消失，我们亲身感受到酷暑、严寒、洪水、干旱带来的种种威胁。而中国不仅是世界上能源消耗的大国，也是温室气体排放的大国，正是因为如此，中国提出了二氧化碳减排的目标，这也是第一次把温室气体的排放写入我国经济社会发展规划。

新《方案》要求十二五期间我国将探索建立碳排放交易市场，即不同的企业都有自己碳排放的配额，有的企业超额排放，有的企业指标却用不完，这样前者就可以向后者购买它用不完的指标。可见将来节能减排的压力会传递给各个企业，通过碳交易来推动和促进可再生能源产业的长足发展。

1.2 热泵热水器的节能优势

相较传统的电、燃气、太阳能热水器，热泵热水器更为节能，这一点在很多文章上均有介绍。本文想要强调的是，热泵与空调虽然均采用逆卡诺循环原理，但两者的实际运行状态并不同。主要不同点在于，实际运行中热泵是一个变工况的过程，其冷凝温度随水温从低到高持续攀升，其蒸发温度随一年四季环境温度不同跟着急剧改变。

需要强调的是，空调用压缩机不能直接应用于热泵领域，热泵热水器实际使用时的严酷工况已经超出了现有空调压缩机的可靠性保证范围。已有不少采用空调压缩机的热泵热水器返回品中出现泵体异常磨耗，电机烧毁等情况。

1.3 热泵的国家能效标准即将颁布

在已经发布的《家用和类似用途热泵热水器》基础上，国家即将推出热泵热水器能效标准。据初步讨论，热泵热水器能效标准将以《家用和类似用途热泵热水器》中规定的能效为入门能效，以0.2为一个等级，共计五个等级。据悉，除了热泵热水器国标规定测试工况能效等级提升外，还可能引入季节能效比概念。

关于热泵的季节能效比SPF介绍如下：

季节能效计算是为了在一定的时间跨度内（通常是一年），在不断变化的运行条件下，评估耗能系统基于时间的性能。该计算方法的输入数据通常是稳态值，这在一个特定的运行条件下或运行条件在一定的范围内有效。通过全年运行工况的累积测试，可计算各工况的瞬时效率；而根据整个时间跨度内的各个瞬时值的权重计算，可最终综合得出其性能。

一般采用多个典型工况点进行测试，根据当地气候状态分布图赋予各典型工况点不同的权重，然后计算综合能效SPF。比如我们可以以热泵热水器国标中的低温运行工况、最小运行工况、名义工况、最大运行工况等四个工况点为典型工况点，在当地环境温度分布图中得出相应系数。然后以加权方式计算综合能效SPF。

计算综合能效时，要注意采用辅助电加热或其他加热方式时，需要考虑其对整个季节能效比SPF的影响。表1举例说明了当国标名义工况下COP为4.1时，无辅助电加热系统的SPF可能是2.8，而有辅助电加热系统的SPF只有2.11(假设水温50℃以上使用电加热)。

这样热泵系统的能效比只有2.8，是否与太阳能不相上下呢？实际上，太阳能的季节能效比计算要考虑光照强度在一年中的实际分布曲线，而不单指单一的名义工况点。就阴雨天和冬季的光照强度这两点来看，如果太阳能纳入季节能效比计算，预计其季节能效比SPF会低于1.8。

表1 国标名义工况下COP与含辅助电加热的SPF值对比

2 超高效热泵热水器专用压缩机开发

2.1 超高效热泵热水器专用压缩机设计理念

1）全新结构设计

超高效热泵热水器专用压缩机根据高负荷、高压比两大极端恶劣工况以及全年的高压运行特点，在保证高负荷、高压比下压缩机可靠性的前提下，吸收最新高能效的技术模块，进行全新的泵体结构设计和装配。

2）全工况性能的提升

空调主要用来夏季制冷，其冷凝温度、蒸发温度相对固定。当然空调也可以制热运行，事实上当空调制热时它就变成热泵了。空调性能现在一般仅以单一进行计算，对比优劣。所以，空调提高性能主要提高这一工况下的性能，而热泵需要提高全工况的性能。

3）高可靠性考核试验

超过4800h的长期高负荷和高压比的加速寿命试验，以及400台压缩机以上的多工况考核，确保热泵热水器专用压缩机的可靠性，充分满足热泵热水器在使用寿命及稳定性上的要求。

2.2 超高效热泵热水器专用压缩机关键技术

1）全新零部件

超高效热泵热水器专用压缩机WHP1900BUV-H6AU与原机种WHP1900BSV-H6AU相比，机种名称虽然只差一个字母，制热量相同，但却几乎没有几件相同部件(仅底角、储液器这两个热泵系统所用的安装部件相同)。以上轴承、气缸为例，原机种采用的不带端环的粉末冶金上轴承和圆形铸铁气缸，超高效热泵热水器专用压缩机WHP1900BUV-H6AU采用的是带端环的铸铁上轴承和球拍型粉末冶金气缸。上轴承的设计一方面适应了高效电机叠高对轴承强度的要求，另一方面在排气结构上进行了优化，提高了容积效率和指示效率。气缸的设计一方面优化了排气DV孔，另一方面也消除了气缸焊接对气缸变形的影响，从而提高了机械效率和指示效率（参见图1、图2、图3）。从试验结果中可以看出，在经过零部件的改善后，机械效率、指示效率和容积效率提高了2%～3%。

图1 上轴承变更前后3D图

图2 气缸变更前后3D图

图3 优化后气缸DV孔速度矢量(StarCD软件)

2）全新电机性能设计

与原机型相比，WHP1900BUV-H6AU效率曲线除了整体提高3%～4%外，曲线更平坦（参见图4），提高了冬季和加热各过渡工况的运行效率，从而最大化提高热泵机种的季节能效比，让用户在一年四季的使用中真真切切体会到整体效率的大幅度提升。

图4 超高效机种与原机种效率曲线对比图

3）全新焊接工艺设计

原机种为气缸焊接品，在电机提高效率的同时电机叠高也增加了，电机叠高的增加提高了电机对轴承强度的要求。通过CAE软件ANYSYS进行轴承受力及变形分析，可以看出，采用新型轴承和气缸、焊接位置从气缸转移到上轴承后，转子的受力变形降低到容许范围内。焊接位置变更后，壳体打孔位置、焊接设备的参数均需要做相应的调整。

通过以上新技术新工艺等最新研发模块的加入，超高效热泵热水器专用压缩机WHP1900BUVH6AU的综合能效相比原机种提高了5%～7%，达到甚至超过了国家热泵热水器能效标准的最高级指标，为热泵热水器厂家的能级提升给与了强有力的技术支持。

3 超高效热泵热水器专用压缩机开发总结

产品的高效化一直是我们追求的目标，随着各零部件高效模块的不断创立和革新，以及新材料新工艺的不断加入，在新设计的压缩机中可以融入更多最新研究成果。上海日立在家用和商用热泵热水器专用压缩机开发完成的基础上，配合国家热泵热水器能效标准的出台，通过对压缩机轴承、气缸等泵体关键要素的研究和改善，热泵热水器专用压缩机的性能得到大幅度提高，在以季节能效比为标准的计算方案中位居行业领先地位。同时，超高效热泵热水器专用压缩机在可靠性问题上保持了原机种的优点，顺利通过了严酷的加速寿命试验，为热泵行业向高效化迈进提供了支持和保证。经过上述各方面的综合设计，保证了超高效热泵热水器专用压缩机在性能、可靠性、稳定性等各方面的优异表现。

4 结束语

图5 气缸焊接与上轴承焊接工艺对转子变形量影CAE分析对比

从世界范围内看，绿色能源和可持续发展问题是二十一世纪人类面临的两个重大课题,在有限资源和环境保护严格要求的双重制约下，发展经济已成为全球热点和难点问题。从中国国内情况来看，能源也是国民经济发展的重要基础之一。《“十二五”控制温室气体排放工作方案》已经获得国务院常务会议通过，到2015年实现单位国内生产总值二氧化碳排放比2010年下降17%的目标，各行各业当前都面临着巨大的减排压力。热泵热水器尤其是超高效热泵热水器作为节能减排效果突出的产品，越来越受到社会的关注、客户的拥护。超高效热泵热水器专用压缩机的推出，适应了国家节能政策，必将受到市场的青睐。