使用可卸载变频双转子压缩机提高空调器全年能效

孙钊，卢玥明，常萌萌，张春路

（同济大学机械与能源工程学院制冷与低温工程研究所，上海 201804）

0 引言

热泵系统的能效标准经历了从能效比(COP)，到制冷季节能效比(SEER)和综合部分负荷值(IPLV)[1]，再到如今新推出的评估标准全年能源消耗效率(APF)[2]。能效标准变得越来越全面客观。COP的标准中只针对夏季和冬季的某个标准工况设计点，IPLV和SEER在COP的基础上将时间加入考量，但是也没有能够涵盖所有的工况，而APF则将全年的所有工况都涵盖在里面。APF、SEER、IPLV都考虑了时长的影响，因而提升SEER和IPLV的方法对提升APF也有一定的参考价值。

刘圣春等[3]和赵巍等[4]发现气候条件对 SEER有影响，应当使用区域SEER作为标准，并发现不同的温度带对SEER和IPLV的影响趋于一致[5]；朱玉鑫等[6]提出变频空调器能效存在很大的地域差异，并针对地域差异提出应分区评价的建议；田镇等[7]基于运行时间的制冷量和耗电量分布图能够直观反映当地的潜力温度；王晓洪等[8]通过对全年性能的研究，提出一种以循环效率-机组负载率曲线来表征系统运行性能的方法；杨昭等[9]分析间歇运行特性，提出了提高能效比的方法；范晨等[10]研究了结霜特性；韩礼斌[11]通过设计优化手段提出 SEER的提升方法，以上文献对APF的提升方法以及标准的制定有着一定参考。目前，也有文献对APF的提升提出一些建议。李堂等[12]指出GB 21455-2013中统一使用相同温度发生时间不能体现真实的APF，同时APF的提升应当侧重于制热季节耗电量；高扬等[13]为了适应APF的标准，提出分配器分流性能的评价方法；任涛等[14]、黄晓清等[15]则从换热器角度，提高换热效率进而提高APF。各个文献对通过压缩机提升APF仅提出需要选型匹配[16]，并未有更好的改进方法。

本文则针对各个地区以及冬夏季节的负荷不平衡以及压缩机本身在低频高频效率较低的问题，在双缸变频压缩机的基础上提出一缸可卸载的方案。通过提高压缩机开停区的压缩机效率，实现降低压缩机功耗，提高系统APF的目的。

1 全年能源消耗效率APF计算方法

1.1 APF定义

APF是用来评价热泵系统在全年运行情况下的性能，它不仅仅只是考虑冬季和夏季两个标准工况的能效，而是要兼顾全年各个工况下的能效。APF的计算公式如下[2]：

式中：

CSTL——制冷季节总负荷，W⋅h；

HSTL——制热季节总负荷，W⋅h；

CSTE——制冷季节耗电量，W⋅h；

HSTE——制热季节耗电量，W⋅h。

1.2 计算方法

目前，产品的能效标准由COP转变为APF。与COP不同的是，COP计算只需要考虑特定的两个工况点，而APF的计算需要考虑到不同地区全年所有工况下的负荷。然而全年各工况点按照逐时计算，测试量过大，因而气象参数采用BIN法。不同温度下的负荷简化为一条关于温度的负荷线[1]。

参考GB 17758-2010中温度发生时间，夏季气温集中在22 ℃至40 ℃，冬季气温集中在-15 ℃至12 ℃。本文选用南京和北京两个典型地区，温度发生时间对应的负荷见图1～图4。

2 双缸可卸载压缩机

压缩机在过低或者过高的转速下效率极低，会导致系统效率低下。本文提出了一种一缸可卸载的双缸压缩机技术，使得低转速低效率区以及开停区的范围大大减少。在低转速低效率区以及开停区，卸载较大的缸，使得双缸中较小的部分以高效率运行。在冬季气温极低，负荷很大时，可以采用双缸同开。通过双缸可卸载技术可以有效扩大压缩机高效率的运行范围，以此更大工况范围下降低压缩机功耗，提高全年能源消耗效率。

图1 南京制冷工况不同温度下的负荷

图2 南京制热工况不同温度下的负荷

图3 北京制冷工况不同温度下的负荷

图4 北京制热工况不同温度下的负荷

2.1 双缸可卸载压缩机结构

双缸可卸载压缩机通过在压缩机气缸和气液分离器之间的管路上设置单向导通的电磁阀，切断被卸载气缸的低压气源。通过控制上气缸电磁阀和下气缸电磁阀的通断实现3种气缸组合，3档排气量的变化。当上气缸电磁阀和下气缸电磁阀同时导通时，压缩机排气量最大，为上气缸和下气缸的排气量之和；当上气缸电磁阀导通和下气缸电磁阀关闭时，压缩机排气量为上气缸排气量；当上气缸电磁阀关闭和下气缸电磁阀导通时，压缩机排气量为下气缸排气量。该压缩机结构如图5所示。

图5 双缸可卸载压缩机结构图

2.2 双缸可卸载压缩机运行策略

为了使得全年能源消耗效率尽可能得高，需要每一个工况点都能够取得较低的功耗。采用双缸可卸载的压缩机，有3种模式运行这些工况。每个工况点选取这3种模式中功耗较小的值，通过这种方法可以找到3种运行模式的交叉点，以此确定可卸载压缩机在3种模式下功耗最低时的运行模式。

3 案例分析

3.1 案例压缩机性能

在本案例中选取了一种效率曲线比较陡的压缩机，在中间频率运行时效率较高，当压缩机运行频率过大或过小时，效率锐减，效率曲线如图 6。对该压缩选择不同排量作为双缸可卸载压缩机的大小气缸的排量，本文压缩机采用总排量为12.2 cc，大小缸的排量之比为2∶1，即压缩机小缸的排量为 4.0 cc，大缸的排量为 8.2 cc。通过GREATLAB仿真，运行系统功耗进行仿真分析[17]。

图6 某压缩机等熵效率曲线（蒸发温度8 ℃，冷凝温度48 ℃）

3.2 仿真分析

在本案例中，考虑到南北地域的差异选择南京、北京两个典型的城市进行仿真计算和验证，南京、北京温度发生时间见图1～图4。由于采用双缸可卸载压缩机，因此压缩有3种运行方式。在低负荷时采用小缸单独运行，在中间负荷时采用大缸单独运行，高负荷时采用双缸同时运行，使得压缩机在不同负荷下都能够获得较高的效率。

对使用可卸载压缩机的系统进行仿真测试，压缩机在南京、北京两个城市，3种模式下的总功耗如图7～图10。

为了提高系统的APF，需要系统的功耗尽可能得低。由图7～图10可以确定该压缩机在南京、北京两个城市某一工况下的运行模式，模式见表1和表2。

图7 3种模式下南京夏季的运行总功耗

图8 3种模式下南京冬季的运行总功耗

图9 3种模式下北京夏季的运行总功耗

图10 3种模式下南京京夏季的运行总功耗

表1 南京运行模式

表2 北京运行模式

从表1和表2可以发现某一型号的压缩机的运行模式在南北方是相同的，不受温度发生时长的影响。使用该运行模式后，全年功耗有所减少，北京功耗从 1,220 kW 降低为 1,176 kW，南京功耗从858 kW降低到804 kW。设双缸不可压缩机为A型压缩机，双缸可压缩压缩机为B型压缩机。通过计算双缸可卸载与不可卸载压缩机的APF值见表3。

从以上结果可以看出使用双缸可卸载技术的压缩机，在不同城市APF均有所提升。其中北京APF的提升幅度较小，而北京由于低温高负荷区时长较长，因而提升幅度较小。同时，由于在低温时需要采用电加热来满足负荷，因而整体的APF值均较低。

表3 双缸可卸载与不可卸载压缩机的APF值对比

4 结论

本研究以某型号的压缩机为案例分析对象，研究了双缸可卸载技术对APF的影响。参照GB21455-2013的计算方法以及GB17758-2010的气候参数，给出了南京和北京两个典型城市的负荷，并对其APF进行了计算。由此得出了以下结论：与使用双缸但不可卸载压缩机的系统相比，使用了双缸可卸载压缩机的系统，系统变频运行范围扩大，且运行的效率较高；系统功耗降低，能效提升。