R32热泵型变频空调性能与能效的试验研究

2021-09-26谢培钦陈孚江陈海飞

流体机械 2021年8期

张云，谢培钦，陈孚江，陈海飞

（1.江苏新科电器有限公司，江苏常州 213176；2.常州大学，江苏常州 213016）

0 引言

变频空调器因其高效节能已经成为家用空调器市场的主导产品［1］。同时R32具有较低的GWP值和较弱的可燃性，相比于R410A和R22有较大的制冷量和较高的能效比，因此已成为了替代R410A和R22的环保制冷剂［2-3］。邵双全等［4］试验验证了变频空调系统在变化工况下采用电子膨胀阀的性能比采用毛细管的高，且更加节能。虞中旸等［5］试验分析了以R32为制冷剂在低频率下电子膨胀阀调节对系统性能的影响。

国家新颁布的GB/T 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》［6］，以全年能源消耗率（APF）为能效等级标准，将其原有的能效等级提高了一个档次。张立智等［7］提出了提升热泵型变频空调器APF的有效技术途径包括：合理设计换热器流程流路、增加换热面积、采用小管径换热器、合理的室内外机风量，以及优化压缩机频率等。沈佳敏等［8］将国家标准中复杂的APF隐式定义转化为简单的APF显式计算公式，依据标准规定和空调器结构参数的限制得到优化的约束方程来获取APF的最大值。

本文通过试验平台和相关试验监控软件来调节电子膨胀阀的开度、内外风机转速以及优化压缩机频率等研究电子膨胀阀的开度对系统性能影响，并通过正交试验的方法获取最优的APF。

1 试验方案

1.1 试验方法

试验样机选用新科KFRd-72LW-BpNYC+1圆筒柜机（一级能效机），其配置美芝KTM240D43UMT压缩机。依据GB/T 21455—2019（下文简称新国标），APF调至≥4.2，且按公司内部标准要求调试，阶段各单点实测能力须大于铭牌标定额定能力的98%。由于较低频率下的电子膨胀阀可调范围较小，为了提高压缩机低频运转时电子膨胀阀的调节精度，节流组件采用电子膨胀阀外加辅助毛细管［9-10］。

1.2 试验室装置

新科10匹防爆试验室，由合肥通用机械研究院有限公司监制，试验条件符合GB/T 7725—2004的要求，焓差室系统如图1所示。

图1 焓差试验室原理Fig.1 Schematic diagram of enthalpy difference laboratory

1.3 试验条件

依据GB/T 21455—2019，当转速可控型房间空调器的额定制冷实测能力大于7 100 W时，采用t点法；计算过程中需要分别测量额定制冷、额定中间制冷、25%额定制冷、（可选择试验：低温额定制冷、低温额定中间制冷、低温25%额定制冷），额定制热、额定中间制热、25%额定制热以及额定低温制热等7个（或10个）工况下的制冷量（制热量）及消耗功率来计算APF的值。

2 试验结果与分析

对于热泵空调系统理论循环中压缩机的功率、换热量、排气温度计算如下［11］。

压缩机的实际输入电功率：

制冷量：

制热量：

排气温度：

式中 qm——制冷剂质量流量，kg/s；

k——压缩机等熵指数；

Ps，Pd——压缩机吸、排气压力，Pa；

v1——吸气比容，m3/kg；

η——压缩机指示效率；

h1，h2——压缩机吸、排气口焓值，kJ/kg；

h4，h5——节流前、后焓值，kJ/kg；

Ts，Td——压缩机吸、排气温度，℃。

2.1 额定制冷工况下电子膨胀阀的开度对系统性能的影响

在额定制冷试验工况下，压缩机的给定频率和内、外机风机电机转速不变时，研究电子膨胀阀的开度对机组系统性能系数的影响。

如图2所示，随着电子膨胀阀开度逐渐增大，额定制冷量和额定功率呈现先增后减再升高的现象，而额定制冷系数EER先降低再升高，后又下降出现最高点，但总体变化幅度不大。系统的排气温度逐渐降低，冷凝器出口温度逐渐上升，这是因为阀体的开度增大，导致系统中制冷剂的流量增加占主导地位，系统中的制冷量和功率都逐渐增大；随着阀体开度的逐渐增大，系统中冷凝压力降低，蒸发压力升高，蒸发器的换热温度差降低，此时系统的压缩比降低占主导地位，系统的功率和制冷量都有所下降，功率的下降幅度高于制冷量的下降幅度，所以EER升高。但阀体步伐开到一定程度后系统中的制冷剂流量逐渐增大，导致功率和制冷量再度上升，功率的上升幅度大于额定制冷量的上升幅度，系统的EER再次出现下降趋势。

图2 额定制冷工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响Fig.2 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated refrigeration conditions

2.2 额定中间制冷工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响

在额定制冷试验工况下，压缩机保持最优的低频率，内、外机电机转速不变，调节电子膨胀的开度。

如图3所示，随着电子膨胀阀开度在一定范围内逐渐增大，额定中间制冷量逐渐下降，额定中间功率都是先逐渐减少再有所回升，系统中冷凝器出口的温度几乎不变，排气温度逐渐降低。此时系统的压缩比下降占主导地位，蒸发器和冷凝器中的制冷剂液体含量较多，蒸发器和冷凝器的换热效率较低，系统的压缩下降占主导地位，所以额定中间消耗功率和额定中间制冷量都有所下降，系统中额定中间制冷系数EERhaf变化较小，总体趋势下降。

图3 额定中间制冷工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响Fig.3 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate refrigeration conditions

2.3 额定制热工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响

在额定制热试验工况下，压缩机处于最优频率且内、外机电机转速不变时，调节电子膨胀的开度。

如图4所示，随着电子膨胀开度逐渐增大，额定制热量和额定功率逐渐下降，系统的排气温度逐渐降低，蒸发器出口温度逐渐上升。此时系统的压缩比下降占主导地位，系统的功率和制热量都有所下降，但制热额定功率下降幅度较大，所以系统中额定制热系数COP逐渐升高。随着电子膨胀阀的开度再次增加，额定制热量下降幅度增大，系统的COP将有所降低。

图4 额定制热工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响Fig.4 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated heating condition

2.4 额定中间制热工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响

如图5所示，在额定制热工况下，压缩机处于低频率且内外机电机转速不变时，随着电子膨胀开度逐渐增大，额定中间制热量和额定中间功率逐渐下降，系统的排气温度逐渐降低，蒸发器出口温度逐渐上升，这是因为系统的压缩比下降占主导地位。在此过程中制热额定功率下降幅度较大，系统中额定中间制热系数COPhat总体升高。

图5 额定制热工况下电子膨胀阀开度对系统性能的影响Fig.5 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate heating condition

3 各试验工况下单点实测值对系统APF的影响

通过正交计算各组试验数据得出最高的制冷季节能源消耗率SEER、制热季节能源消耗率HSPF以及全年能源消耗率APF，且各试验工况下均有最优电子膨胀阀开度，见表1，其中CD系数默认0.25。

表1 计算最优的SEER，HSPF以及APF值Tab.1 The calculated optimal SEER，HSPF and APF values

3.1 额定制冷工况下制冷量和消耗功率对系统APF的影响

由于机组是变频热泵型，各试验工况下调试的参数点相互独立不受影响，改变室外风机转速来增加或降低系统的制冷量和耗功率，测得数据并计算得到APF值，见表2，3。从表2，3可看出，在额定制冷工况下，其它工况下单点实测最优值不变，额定制冷工况下，保持额定制冷和额定中间制冷相应的最优的频率和膨胀阀开度不变，降低室外风机转速，实测到相同的EER时，额定制冷量降低31.6 W，降低率0.44%，额定消耗功率减少9.2 W，减少率0.5%，此时APF升高0.01，所以在保证单点能力满足设计需求时，相同的EER下，应选择功率和换热量较小的那组数据，其APF为最优；同时也表明，在额定制冷工况下，额定制冷消耗功率对APF的影响较大。对于额定中间制冷工况，在相同的EERhaf和SEER下，应选取最大的额定中间制冷量来保满足性能参数的设计要求。

表2 额定制冷工况下改变室外机风机转速所得APF值Tab.2 The APF values obtained by changing the fan speed of the outdoor unit under the rated refrigeration experiment

表3 额定中间制冷工况下改变室外机风机转速所得APF值Tab.3 The APF values obtained by changing fan speed of outdoor unit under rated intermediate refrigeration experiment

3.2 额定制热工况下制热量和消耗功率对系统APF的影响

在其它工况下单点实测最优值不变，额定制热工况下，内、外机风机转速不变，改变压缩机运转频率和电子膨胀阀开度，在满足单点制热能力的情况下，实测到不同COP和相同的APF，见表4。

表4 不同压缩机频率和电子膨胀阀开度下的APF值Tab.4 The APF values obtained from compressor frequency and effect of electronic expansion valve adjustment

由表中数据可见，COP值最高时系统APF值并非是最优，第3组额定制热量相对于第2组额定制热量增加了265.4 W，提升了2.92%；额定制热消耗功率增加了134.7 W，提高了5.1%，虽然3组数据所计算出的APF值相同，但是第3组数据所计算出HSPF值最高，所以在调试额定制热试验时，应尽量提高系统的额定制热量，才能得出更高APF值。