双级增焓空气-水热泵应用于欧洲采暖的节能性验证分析

张龙爱，谷月明

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

双级增焓空气-水热泵应用于欧洲采暖的节能性验证分析

张龙爱，谷月明

( 珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]本文对欧洲不同采暖方式以及部分地区冬季平均温度相对较低的情况，设计了变频双级增焓压缩机空气-水热泵，对不同采暖供水温度下的性能进行验证分析，并与普通变频压缩机热泵机组的性能进行对比分析；结果表明，采用低温双级增焓压缩机的热泵机组在相同的性能下能效大幅提升，同时机组适用范围(包括出水温度以及环境范围)也大幅提升；

[关键词]采暖；双级增焓；性能；节能

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者简介：张龙爱(1978-)，男，工程师，研究方向：风冷热泵冷热水系统设计研发。Email：zhanglongai2004@126.com

文章编号：ISSN1005-9180(2015)04-050-05

[中图分类号]TQ051.5[文献标示码]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.009

Abstract：In view of different heating ways in Europe and the fact that average temperature in some areas in winter is relatively low，air source heat pump with variable-frequency 2-stage enthalpy-adding compressor is designed.Research and analysis is made regarding its performance in various heating ways and the performance comparison with common inverter compressors.Results suggest that: energy efficiency of heat pump units using low-temp 2-stage enthalpy-adding compressor is greatly improved under the same performance and units are applicable to a much wider range (including leaving water temp and operating ambients

Research and Analysis on the Application of 2-stage Enthalpy-

Adding Air to Water Heat Pump in European Heating

ZHANG Longai，GU Yueming

( Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai519070,China )

Key words:Heating；2-stage enthalpy-adding；Performance；Energy-saving

1引言

空气源热泵在欧洲国家应用相对较广，由于气候、生活水平和习惯的因素，欧洲大部分国家每年有超过八个月的时间需要采暖。在欧洲中部和北部大部分国家，“制冷”被视为奢侈品，而“制热”则作为必需品。因此，采暖热泵在欧洲具有更广阔的市场前景。

空气源热泵作为最有潜力的，环保节能的制热产品，需求近年来一直在增长，尤其在CO2减排协议、常规能源日渐紧张、生态环保的倡议等大环境的压力下，从燃油燃气切换到空气源热泵(Air To Water heat pump)产品是其中一种主流趋势。目前欧洲正在建立相关的制热能效标准，制定能效测试方法和认证系统，并在2015年在制热产品上推行能源标签政策，届时将更有利于终端用户选择热泵产品，加上欧洲经济复苏的趋势，热泵增长必然迎来突破性的发展。

2欧洲采暖标准以及能效要求

目前欧洲采暖按需求分为新建筑新装需求和老建筑的改造需求，按使用面积的大小又分为普通家庭和集体公寓需求，反映在采暖热水温度的需求上面，大致可以分为以下三类：

(1)低温采暖系统，供水热水温度在35℃左右，一般情况下最高水温不超过40℃，主要使用于新建的建筑，此类建筑都采用地板采暖方式，并且建筑本身越来越注重隔热和保温，“被动式建筑”(Passive House)已经在很多欧洲国家推广。所谓“被动式建筑”(Passive House)，是在上世纪90年代欧洲发展起来的的概念，指利用绝佳的隔热保温技术和通风设计，来达到设计一种不需要空调主动供暖供冷的房屋的目标。房屋每平方米每年的暖负荷小15kWh/m2，同时对房屋的蓄热，热泄露率都有严格要求。

(2)中温系统，采暖供水温度一般在45～55℃，这类产品主要使用于常规风机盘管采暖，也是目前国内使用较为普遍的一种方式，对于间断性采暖以及采暖时间不规则的场合较为合适，新建或是老建筑均有部分使用。

(3)高温以及超高温系统，出水温度一般要求在60℃以上，这类产品主要使用于老建筑的改造工程，此类建筑因建造时间长，建筑结构的保温性能相对较差，并且大多采用传统的辐射散流器采暖，为保证采暖效果，正常情况下进水温度需要在70℃附近，最低也需要在60℃以上方能满足需求，近几年来，由于各国政府都在推进节能减排政策，这种老建筑用能改造越来越多，对高温以及超高温热泵的需求也在逐步提升。

针对以上需求，欧盟在2013年对相应标准EN14511进行了修正时，在保留原来低水温采暖的基础上增加了高水温和超高水温的测试标准，根据该标准，不同水温的测试条件如表1[1]。

表1欧洲空气源热泵(Air-to-water heat pump)测试条件

Table 1Test Conditions for European Air-to-water Heat Pumps

欧盟已经设定了20-20-20的节能减排目标，要求2020年前实现CO2排放量减少20%，可再生能源利用增加20%，因此部分国家也相继的订立了相关政策以及补贴，以促进此目标的完成。如英国的RHI(Renewable Heat Incentive)计划、法国的RT2012法规、德国的EEWarmeG法令等，都是针对建筑物整体的能效及可再生能源使用要求，类似的针对整体建筑物的能效要求也会逐渐成为欧洲的趋势。

能效方面，目前欧洲的能效认证主要为EUROVENT认证，其测试标准为EN14511-2013，其中能效等级限定标准为：RS 6/C/003-2014，这个标准每年都会修订一次，目前此标准还仅对低温和中温制热能效进行了限定，其前4个限定等级如表2[2]。

表2部分Eurovent 能效限定等级

Table 2Eurovent Energy Limited Levels

能效等级中温采暖低温采暖A≥4.05≥3.2B3.9≤COP<4.053.0≤COP<3.2C3.75≤COP<3.92.8≤COP<3.0D3.6≤COP<3.752.6≤COP<2.8

另外现在欧洲另一个ECO-Lable认证，除了需要满足以上工况外，还需要考核另一环境温度下的能效，其要求如表3。

表3ECO-Lable认证新增考核点要求

Table 3Requirements on Added ECO-LableAssessment Items

环境温度低温采暖中温采暖2℃/1℃≥3.1≥2.6

本文将基于以上标准以及能效要求，对格力双级增焓变频压缩机在以上条件下的性能以及能效进行分析。

图1　复叠式系统原理图Figure.1　Working Principle Diagram for the Cascade System

3系统分析

针对低温热水采暖系统，目前市场上比较常见的做法就是采用普通变频压缩机的方式， 但这种常规方案机组出水温度最高能做到55℃，进一步提升已经非常困难，此时压缩机高压已经非常高，同时低温下压缩机的吸气量不足，导致压缩机压缩比也严重超标(图3 1-3′过程)，长时间在此工况下运行，压缩机可靠性和寿命均大幅下降。

要使采暖水温进一步提升至60℃，目前普遍采用的方法有两种，一种就是复叠式方法，主要采用R410A和R134A复叠，这个方案的优点就是水温可以升至70℃以上，但存在两套系统间热量多次传递，系统和控制都非常的复杂，效率也相对较低，特别是中低温采暖，其系统原理图如图1所示[3，4]。

另外一个方案就是中间补气增焓方式，此种准二级压缩方法，低温制热时可以降低压缩比从而降低压缩机排气温度，同时增加压缩机吸气量进而减少热泵机组在低温下制热衰减量，系统原理如图2，对应的压焓图如图3，中间增焓补气采用闪蒸器形式，这种方式相对较为简单，技术也较为成熟；如果压缩机本身设计突出的话，这可能将是后续欧洲地区采暖的市场主流[5]。

本文采用格力高效双转子两级增焓压缩机对以上采暖工况下的性能以及能效比进行对比分析，其中格力双转子压缩机特点如下：

图2　双级增焓系统原理图Figure.2　Working Principle Diagram forEnthalpy-adding System

图3　双级增焓压焓图Figure.3　Pressure-enthalpy Diagram for Double-stage the Double-stage Enthalpy-adding System

1)高效、宽温双级压缩技术；将高压力比在高低压缸中分解，单级压比小，较普通单级压缩机泄露量小、容积效率高；

2)采用两级压缩，中间补气增焓技术可使压缩机在-30℃至54℃环境温度下安全高效的运行；

3)针对R410A制冷剂排气压力高的特点，采用扁平化气缸和曲轴小偏心量设计，同时采用高耐磨球磨铸铁和可蓄油粉末冶金材料，优化泵体供油系统，滑片参数和平衡系统的方法强化泵体，压缩机可满足R410A系统10年以上寿命可靠性要求；

4)电机过负荷能力强，能满足在恶劣工况下运行的要求，同时针对压缩机的应用范围，优化电机最佳扭力点，负荷曲线更加平滑。

4实验验证以及结果分析

为了验证双级增焓压缩机对制热效果的对比，本文主要研究双级高效增焓压缩机喷焓和不喷焓两种情况下制热量以及能效比的变化情况，同时也通过与某品牌定速压缩机在相同测试条件下的能效对比来分析其节能性。

图4　增焓与不增焓制热量Figure.4　Heating Capacities under Enthalpy-addingand Enthalpy-holding Conditions

图5　增焓与不增焓能效比Figure.5　COPs under Enthalpy-adding andEnthalpy-holding Condit

图4和图5为机组在额定外环境温度7℃/6℃下，出水温度从35℃到63℃时压缩机在喷焓和不喷焓的情况下，制热性能以及能效比的变化情况，由图3知，在出水温度为35℃时，增加中间补气时性能提升14%，随着出水温度的升高，增焓效果越来越好，当出水温度升至63℃时，性能提升已经高达47%，这说明此双级增焓压缩机非常适合于欧洲中高水温采暖热泵。

图4则显示随着水温升高能效比的变化情况，压缩机在增焓补气时能效比提升非常明显，在35℃出水温度时，能效比提升8.4%，但出水温度在63℃时，能效提升至近40%。同时在标称工况点出水温度在35℃和45℃时，其能效远超Eurovent A级能效限定值(见表2)，以上说明，格力高效增焓压缩机应用于欧洲采暖热泵性能与能效比均有明显提升，并且随着水温的提升而提升的效果愈加明显。

为了从另一个角度验证此压缩机应用于欧洲采暖的优势，用另一品牌普通变频压缩机在不同制热量下的能效对比(分别在相同制热量下进行能效对比)，结果如图5和图6，其中图5为环境温度为7/6℃时，出水温度为35℃时，制热能力在12kW，14kW，16kW时的能效比情况，在低温热水采暖时，双级增焓压缩机能效提升并不是特别明显，约为2%～5%，当出水温度升高至45℃时，能效提升就变得非常明显，约为5%～8%。

图7为欧洲ECO-Lable认证另一个工况2℃/1℃工况下不同水温的能效情况，从测试情况来看，标称工况点的能效比也远远超过其限定值(见表3)，同时双级增焓压缩机的系统相对普通变频压缩机能效也同样提升明显。

图6　35℃出水温度能效比Figure.6　COPs at 35℃ Leaving Water Temperature

图7　45℃出水温度能效比Figure.7　COPs at 45℃ Leaving Water Temperature

图8　2℃/1℃不同水温的能效比Figure.8　COPs at Difference Water Temperature(2℃/1℃)

5结论

通过以上研究验证，可以得出如下结论：

1)双级高效增焓压缩机热泵系统，采暖供水水温可以做到60℃以上，基本覆盖从低水温到高水温的采暖需求；

2)针对目前欧洲采暖的需求，双级增焓压缩机热泵系统在增焓补气情况下性能以及能效提升明显，在中高采暖热水温度下尤为明显；

3)高效双级增焓压缩机热泵系统，实测认证工况能效比远超Eurovent以及ECO-Label认证要求，节能性非常好,具备全面推广意义；

4)后续需进一步验证双级增焓压缩机在采暖期全范围工况内的可靠性，确保机组长期运行的可靠性与稳定性。

参考文献6

[1] British Standards Institution.BS EN 14511-2: Air conditioners，liquid chilling packages and heat pumps with electrically driven compressors for space heating and cooling[S].BSI Standards Publication,2013

[2] Eurovent Certita Certification.RS 6/C/003-2014:RATING STANDARD for the CERTIFICATION of LIQUID CHILLING PACKAGES[S]，Paris，FRANCE,2013

[3] 张思朝，马国远，许树学.中间补气的双级压缩热泵系统性能的实验研究[J].制冷技术，2013，41(5)：40-43

[4] 陈东，谢继红.热泵热水装置[M].北京：化学工业出版社，2009

[5] 马国远，彦启森.涡旋压缩机经济器系统的实验研究[J].制冷学报，2002(1)：27-31