低温空气源热泵定频机组的节能设计

2021-03-31李嘉鹏李镇宇曹祥邵亮亮张春路

制冷技术 2021年1期

李嘉鹏，李镇宇，曹祥，邵亮亮，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

自国务院发布《大气污染防治行动计划》[1]以来，各省市纷纷出台“煤改电”等相关政策[2-3]来改善大气环境。低温空气源热泵由于使用灵活、节能高效以及技术经济性优异[4]，在北方地区“煤改电”的政策红利下得到了快速发展[5-6]。

如何提升低温空气源热泵的能效一直是本领域的研究热点。研究者一方面关注不同循环形式[7-8]、不同制冷剂工质[9]和不同节流方式[10]的系统热力学研究；另一方面也注重除霜抑霜[11-12]、换热器空气流场优化设计[13]，采用太阳能等辅助热源[14]的实际系统优化研究。但以上研究的目标主要是额定工况下，系统制热量最大以及制热性能系数（Coefficient of Performance，COP）最高，未对部分负荷工况点进行设计优化。

根据国家标准GB/T 25127.1—2010[15]的要求，低温空气源热泵需以制热综合部分负荷性能系数（Integrated Part Load Value，IPLVH）作为能效等级指标值。IPLVH的优点在于设计时需充分考虑部分负荷，更加贴近机组实际运行情况，有利于挖掘热泵的节能潜力[16]。表1[15]所示为机组在100%、75%、50%和25%负荷工况点的参数。根据式(1)[15]计算得出IPLVH。

表1 部分负荷工况点的参数

由式(1)可知，50%和75%负荷工况点在IPLVH计算中所占权重较大，因此若想取得较高的IPLVH，需提高部分负荷工况点下机组的能效水平[17]。压缩机变容量调节可以有效降低部分负荷工况下系统功耗，提高机组能效水平；而控制方式改进则可以合理利用标准中关于不能卸载到部分负荷工况点的制热COP 计算公式[15]，在一定程度上也可以提高机组IPLVH[18]，因此王派等[16]认为压缩机容量调节以及控制方式改进是提高机组IPLVH的重要因素。但对于定频低温空气源热泵机组，容量调节十分有限（多台定频压缩机并联机组）甚至不能调节（单台定频压缩机机组），仅依靠控制方式改进所带来的IPLV(H)提升幅度较小，需对定频低温空气源热泵机组进行精细化系统设计。

因此本文以某个定频低温空气源热泵机组为例，针对其IPLVH较低的问题，提出了多种改进设计方案，包括采用变风量风机、多回路换热器和多套独立风系统等；并基于经过实验验证的制冷热泵系统仿真模型，对比分析了不同设计方案下机组IPLVH能效水平。

1 机组设计改进方案

某个定频低温空气源热泵机组的设计方案（基准方案）如图1所示，该方案采用两台定频补气增焓压缩机，两片单回路V 型翅片管换热器，两台定风量风机（一套风系统）。如此设计，生产加工方便、系统控制简单，因此受到了广泛推广。但在该设计方案下，机组IPLVH往往较低，主要原因是在部分负荷工况下，风机功耗较大，在关闭一套热泵系统后，仍会有大约一半的风量流经该关停的换热器，风量损失较大。

图1 基准方案流程

本文提出了3 种改进方案：1）两台变风量风机，根据负荷大小有效调控风量大小，实现风量和负荷的匹配，有效降低部分负荷工况点下风机功耗占比；2）双回路翅片管换热器（如图2所示），双回路翅片管换热器的两个回路分属两个热泵系统，如此设置有利于两个热泵系统间相互平衡[19]，更重要的是在部分负荷工况下尽管只开一套热泵系统，但两个换热器的翅片和两台风机的风量都能够用于换热，有利于充分利用换热面积和换热风量，提高机组能效水平；3）采用两套独立风系统设计（如图3所示），具体是将两片换热器从中间拆分为4片换热器，并在机组中间隔断，由之前两个风机组成一套风系统变为两个风机各构成一套风系统，两套风系统间相互独立，这样在部分负荷工况下可只开一个热泵系统和一个风机，有效降低机组功耗，提高系统能效。

图2 双回路翅片管换热器[19]

图3 两套风系统+单回路翅片管流程

上述改进措施，可组合衍生出多种机组设计方案。本文将以基准方案+4 种改进方案为例（如图4所示），基于经过实验验证的系统仿真模型，对比分析这5 种设计方案下机组IPLVH能效水平大小。

图4 5 种设计方案

2 仿真模型与实验验证

基准方案的系统仿真模型是通过制冷空调热泵系统通用仿真平台[20]搭建。系统设计低温制热量100 kW，供水温度41 ℃，压缩机为定频补气增焓压缩机，V 型翅片管换热器采用单回路设计，制冷工质为R410A。对系统仿真模型进行了优化设计，仿真结果见表2。

相应的样机在焓差法实验台开展了实验测试，实验结果如表2所示。工况1，即热源侧空气干/湿球温度-12 ℃/-14 ℃，侧送/回水温度41 ℃/36 ℃；工况2，即热源侧空气干/湿球温度7 ℃/6 ℃，使用侧送/回水温度45 ℃/40 ℃。通过对比仿真结果和实验结果，验证了系统仿真模型精度。

表2 基准方案系统仿真结果与实验结果对比

3 仿真结果分析

在基准方案系统仿真模型的基础上搭建了其,4种改进设计方案所对应的系统仿真模型，开展了IPLVH仿真计算，得到如图5所示的IPLVH及各个负荷点性能系数仿真结果。

结果显示，4 种改进方案的IPLVH均高于基准方案，并且方案3 的IPLVH最高为2.93。基准方案接近三级能效水平（2.60）[21]，方案1 和方案2 达到三级能效水平，方案3 和方案4 达到二级能效水平（2.80）。

由图5可知，风机变风量系统（方案3 和方案4）的IPLVH要高于风机定风量系统（基准方案、方案1 和方案2）。这是因为在部分负荷点，风机定风量系统的风机功耗较高，所以其部分负荷点制热COP 要小于风机变风量系统。并且负荷点越低，风机功耗占比越大，风机定风量系统的制热COP就越小于风机变风量系统。

图5 IPLVH 及各个负荷点性能系数仿真结果

在风机定风量情况下，两套风系统+单回路翅片管（方案2）的IPLVH高于一套风系统+双回路翅片管（方案1）；在风机变风量情况下，方案3 优于方案4。这是因为，在风机定风量情况下，风机功耗占比较大，关闭一台风机（方案2）能够有效降低风机功耗，提高机组能效。在风机变风量情况下，风机功耗占比大大减小，双回路翅片管（方案3）在部分负荷工况下的换热面积和换热风量要高于单回路翅片管（方案4），所以机组能效更高。因此低温空气源热泵定频机组在采用定风量风机的情况下，推荐使用方案2 的系统设计，在采用变风量风机的情况下，推荐使用方案3 的系统设计。