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1、3412014 2Vol 34. No 1Feb. 2014doi： 10 3969/j issn 2095-4468.2014 01 203变频双级增焙热泵技术在空气源热泵热水器上的应用黄娟：李绍斌（珠海格力电器股份仃限公司，珠海519070）摘要空气源热泵热水器具有节能环保的优点，是一种非常好的热水技术。但是由于压缩机可靠性和 制热最衰减的原因，空气源热泵热水器在低温区域的应用受到限制。本文主要阐述了变频双级增熔热泵技 术及其关键技术的应用效果。通过将双级压缩増焰和变频技术有机结合，提出一种适用于寒冷地区的变频 双级增焰空气源热泵热水器系统。采用该系统的空气源热泵热水器，制热效率和制热量得
2、到了提高，盯靠 性得到增强：在国标名义工况下性能系数(COP)达到5 0以上，并获得了25C环境温度下制取55°C热水 的良好运行效果。该系统能够很好地解决空气源热泵热水器在低温地区的适用性问题.关键词空气源热泵；热水器；变频；双级压缩；微通道；Application of Variable Frequency 1vo-stage Enthalpy-adding Heat PumpingTechnology in Air Source Heat Pump Water HeaterHUANG Juan*, LI Shao-bin(Gree Electric Appliances, In
3、c of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China)Abstract Air source heat pump water heater (ASHPWH) is proved to be a good water heating technology with energy-saving and environmental protection advantage. Due to the compressor reliability and heating capacity concern, the application of ASHPV7H in th
4、e relatively low temperature area is restncted In tlie present study, the two-stage compression and vapor injection vanable frequency heating technology and the application effect of tins key technique were described. A variable frequency two-stage enthalpy-adding ASHPWH system v/as developed by com
5、bining two-stage compression entlialpy-adding cycle with vanable fi'equency teclinology By using the proposed ASHPWH system, the heating efficiency and heating capacity were improvedt and the reliability was increased, the coefFicient of perfonnance (COP) can be raised up to 5 0 in tlie standard
6、 rating condition, and the operation effect was veiy good for producing 55°C hot water at -25°C ambient temperature The proposed system can effectively solve the suitability problems of tlie ASHPWH unit in low temperature regions Keywords Air source heat pump, water heater, Vanable frequen
7、cy, Two-stage compression, Micro-channel#3412014 2Vol 34. No 1Feb. 2014#3412014 2Vol 34. No 1Feb. 2014黄娟（ 1985-）,女，工程师，研究生。研究方向：主要从爭热泵热水器的研发和设计工作.联系地址：珠海市前山金鸡西 路珠海格力电器股份有限公司,邮编：519070.联系电话:13411516024c Email： huhckye.85。0引言空气源热泵热水器近年來在各种政策的支持 和鼓励下取得了飞速的发展，特别是2012年节能 惠民工程和2013年空气源热泵热水器能效标准的 实施，空气源热泵热
8、水器迎来新的发展机遇期。空气源热泵热水器在我国长江流域及以南地 区得到较为广泛的应用，而在长江以北地区，常规 空代源热泵热水器在冬季制热水效果差，压缩机甚 至无法正常工作山习。为此，研究人员在全工况性能 提高，运行范闱的拓展以及低温制热性能的提升这 儿个方向进行了不断的努力和探索。目前提高空气源热泵性能和可靠性主要自以 下几种。1）变频和变容技术:通过改变压缩机的工作容 积来提高制热能力，低温制热比普通定速圧缩机有 较大提高，但是在高压比工况下压缩机容积效率 低、系统节流损失人，制热屋随环境温度的降低大 幅衰退。即使增人系统的蒸发器和冷凝器也存在制 热量随环境隘度的降低急剧衰退的问题。2）准二
9、级压缩技术：该技术在单级螺杆准二级 爪缩低温热泵系统，涡旋压缩机系统设亘经济器 构成准双级压缩机的空气源热泵系统2得到应用。 采用带喷射II的涡旋、螺杆压缩机，低温制热鼠比 常规机型能够得到较大提高，但是受限于以上机型 的实际应用范鬧，无法应用ra3）匹的家用热泵热 水器领域。另外，该技术存在热力完善度不高、容 积效率随压比増大而人幅降低的问题，并非解决低 温制热需求的最佳方案。为了保证热水器机效率在兴压缩比下保持较 高水平，提高系统的热力完善度，降低恶劣工况下 的排气温度，解决低温制热水能力差、效率低、町 靠性差的行业难题，本文开发了一种宽温度范闱运 行的高效变频双级压缩増焙热泵技术，并应用
10、于空 气源热泵热水器中。1系统原理分析变频双级增焙热泵系统示意图如图1所示，该 系统采用双级增熔转子式变频床缩机、増加闪蒸器 和一级节流装置。双级增焙乐缩系统在压焙图上循环过程为 1-2-6-7-9-10-4-5-1,其单位制冷量 qo=hi-hA；普通 单级压缩系统的循坏过程为1-7«-9-5*-1,其单位制 冷量q'=h-hgt如图2所示。采用双级增焙压缩循环，存在如下三个优点。1）排气温度降低：双级増焙压缩系统的补气冷媒与低压级排气 冷媒混合，使高斥级吸气冷媒状态从2点降低到6 点，最终的排气温度可由单级压缩系统的7,点降低 到7点，排气温度降低Af 坊,排气温度的降
11、低幅度可通过调节补气冷媒的状态來控制。2）单位制冷最増加：双级增熔压缩系统通过闪蒸器闪发作用，使二 级节流后的冷媒干度降低，其单位制冷量可以比普 通压缩系统提高<Jo=9-4 -为了捉高Ago的幅度， 需要増人压缩机容积比，优化闪蒸器和增焙部件的 设计，提高闪发最，増加二级节流前冷媒的过冷度, 最大限度发挥双级增焰压缩系统的制热能力。3）压缩比减小：双级增焰转子式变频压缩机的两个气缸分别 进行低压级压缩和高压级压缩，单个气缸的压缩比 得到人幅降低。通过介理设计双级增壻冬部件，可 使机组在高压比工况下，其运行效率比单级系统得 到明显提高，进一步加强双级增恰系统制热能力的 优势囚。从系统原理
12、分析可以看出双级增焙热泵系统 的优势非常明显。但是，要实现变频双级增焙热泵 技术在空气能热水器上的应用，必须要攻克变频双 级増烤压缩机技术、高效换热技术和系统参数控制 等关健性技术问题。图2双级增熔变频热水器系统原理图2变频双级增烟热泵热水器关键技术2.1变频双级增焙压缩机技术转子式压缩机结构简单，加工方便，在家用空 气源热泵热水器中得到了普遍运用。但普通的转子 式压缩机难以承受人的工作压力差。业内使用双级 压缩形式來降低单个'（缸工作压力，人部分局限 二氧化碳压缩机。增焙技术在涡旋式、螺杆式压缩 机中冇所应用，用來降低排气温度，以提高能效。 单缸转子式压缩机中运用増焙技术，虽在文献中
13、有 所提及，但因其实施的效果不明显而未被应用。双级变频压缩机和增焙技术的结合，从其特点 上看，是提升压缩机能效和拓宽运行范闱的有效手 段，但此种技术未见应用。格力为实现压缩机高效 化，开发了变频双级增焙转子式斥缩机。所开发的 压缩机采用的关键技术包扌舌：1）独特的中间腔结构设计，缩短了屮间冷媒 流通路径，保证了相炖补气量，提高了压缩机性能; 并且带消音功能的下法兰中间腔降低了排气噪声， 使双级增熔转子式变频压缩机达到了与单级双缸 压缩机同等的噪声水平；2）绘佳容积比设计，通过对高、低压腔工作 容积比对压缩机性能的影响分析，找出般佳容积比 范阳，本设计从根本上提高了双级增焙转子式变频 压缩机的制
14、热能力和能效：3）最优的中压流道设计，此设计増大流道的 流通面枳，降低流体的流动阻力，提高压缩机能效。此外，还对高低压排气1】面枳比、泵体径向间 隙、电机、供汕系统以及防液击、防杂质等进行特 殊设计。1 Hp3 Hp各系列双级增焙转子式变频压缩机 在压缩机国标工况下同的性能系数（COP）如图3所 示。各系列双级増焙转子式变频压缩机的能效水平 均超过单级变频斥缩机。通过采用单机双级床缩、 内宣中间腔增焙方式，开发出的双级增焰转子式变 频压缩机（如图4所示），实现了双级增焙转子式 变频压缩机的宽温高效化。图4变频双级增焙转子式压缩机2.2水箱微通道换热技术静态加热式空7源热泵热水器水侧换热器主 要
15、有两种方式，即水箱内胆外盘绕换热器或水箱内 置换热盘管。对于水箱内盘管式换热器，换热效率 较高但换热盘管II接和水接触，存在严垂的腐蚀和 结构问题，对于外绕盘管现主要是采用外绕铜管虽 无上述隐患，但存在接触面枳小、换热热阻及流程 压降人的问题，限制了家用热泵热水器换热性能的 进一步提升。目前，微通道换热技术已是较为成熟的技术， 波浪形翅片的微通道换热器己经在电子、汽车空调 等行业有了广泛的应用，貝有冷媒接触截面积犬、 结构紧凑高效的特点P40a为了提高外盘绕换热器 的换热性能，同时结合与水箱内胆的配合需求，引 进了水箱微通道换热器，采用扁平微通道管配合 集、分流管的结构形式，图5即为扁平微通道
16、换热 器和做通道水箱图。（a）微通道换热器卩）微通道水箱图5微通道换热器与微通道水箱示意图由于水箱外盘绕微通道换热器的冷凝换热包 括冷媒侧的凝结换热、扁管壁面导热、硅脂导热、 不锈SW内胆导热以及水侧水的口然对流换热，换热 机理非常复杂。水箱微通道换热器的选型和匹配方 法主要是根据理论计算并辅以实验验证。通过设计 多个样机方案反复迭代试算和实验验证，35根扁 管、流程为13-9-6-4-3的微通道方案是多个方案中 换热效果最优的，具体结构参数详见表1。为验证上述微通道换热器的换热效果，与现有 外绕铜盘管换热器水箱进行了对比实验，实验结果 表明，微通道换热器比相同换热能力的外盘铜盘管 换热器换热
17、效率提高2 8%，制热水过程压力损失减 少6C%35%,整机COP提高6 3%。水箱微通道换热器的扁平环绕结构，流程按递减 设计形式増人了换热盘管的有效换热面枳、强化了换 热效果、提高了材料利用率，整机性能人幅提高。表1微通道换热器的结构参数结构参数数值换热器长X宽/min1250x1050扁管数35流程数5流程分布（从卜.至下）13-9-6-4-3加管尺寸宽X高/mm25x1.4 (25 孔扁管间距/mm10集流管数分流倍尺寸"径X厚度/ mm26x1 92.3能效比自动优化控制技术静态加热式空气源热泵热水器制热水过程随 着水温逐渐升高，系统状态不断发生改变，属于非 稳态运行过程。
18、对于热泵系统，坏境温度和水箱水 温的变化均对系统运行状态产生影响，针对系统状 态改变压缩机频率应进行相应调节才能使整机效 率维持在较优区域。通过分析人量的匹配实验数据发现，热泵热水 器加热过程系统的最佳控制状态均不同，COP随水 温升高而不断降低，见图6：运行条件一定的情况 卜，在不同压缩机频率卜运行的整机COP不同， 在运行频率范鬧内存在COP址优的频率区域，即图6空气源热泵热水器加热过程COP随水温变化图图7运行条件一定时不同频率下整机COP变化规律为确保机组运行在最佳COP频率区域，结合 上述运行规律，整机采用了能效比14动优化的控制 方法，如图8所示。具体的控制思路如下所述：1）机组控
19、制器实时检测环境温度、水温几、 吸气温度E、蒸发器入管温度耳、排气温度门、热 水温升时间和实时输入功率P等机组运行参数；2）根据匕述检测参数，通过系统换热数学模型 计算冷凝温度儿、蒸发温度T.、过热度九、过冷 度口、耗电量“、制热量Q以及计算COP。并记忆 其对应的频率值;文中所有的COP,有的是斜体, 有的不足斜体，建议都不用斜体。3）调节压缩机对应的频率运行,I韦1绕该频率向下 调整斥缩机频率计算COPi，然后向上调整频率并计算 COP?,再比较COP。、COPi和COP?,获収三者中最 人COP值以及其对应的频率值；4）择优选择对应频率，更新控制器记忆表单中 的到最人COPg值和其对应的
20、频率/:5）再闱绕更新后的频率调整当前频率，向上和 向下调整频率，计算COP值并进行比较和更新， 可实现COP和频率的自动更新和优化。通过釆用能效比口动优化控制技术，控制器表 单频率和COP的值不断地口动更新和优化，实际 运行COP逐渐趋近该机组的最优COP。实现了机 组在怨个工况点的高效运行。图8能效比自动优化实现方法3在空气源热泵热水器的应用效果己推出的陶用变频双级增皓热泵技术的空气 源热泵热水器舒尊系列产品貝仃能效比高、制热能 力强的特点，运行范閑拓展到环境温度低达25C并 能够稳定制取55°C热水。533412014 2Vol 34. No 1Feb. 2014#341201
21、4 2Vol 34. No 1Feb. 201431全工况能效比提升和运行范围拓宽经权威检测机构检测应用变频双级增熔热泵 技术的舒尊空气源热泵热水器国标M名义工况 COP达到5 0W/W以上，具体检测结果见表2。表:！格力舒尊系列KFRS-3.5JPd/NaA变频双级增熔空气源热泵热水器测试数据10测试工况干球温度/湿球温度 /（XTC）初始 水温rc终止 水温/£COP名义工况20/1515555 38低泡工况-15/-955202-25/-955L23注：农中WdK足依锹国标GB/T 231372008叫测试得汕0955水温/X?图10环境温度-15 C单级与双级热泵热水器系统压
22、缩比9S76543 2(占W首二)SS应用变频双级增焙热泵技术的空气源热泵热水 器能在至45C的宽环境温度范闱内席效町靠 的运行。按热泵热水器国标测试，与定频空气源热 泵热水器相比，变频双级增焙空气源热泵热水器名 义工况20°C制热水COP为5 38。1110957654压缩机排Y过热度，可以间接控制圧缩机底部油温过热度。当油温过热度小于5°C时，润滑油的 浓度小于7必，会造成乐缩机磨损。通过控制器严 格控制系统排气温度过热度，来达到控制斥缩机油T-吏频农繆脚热75器 十普谟热泵热水器54%>§)、doo60%62%10-25-20-15-100102030
23、4045环境温度/匸图9变频双级增熔热水机与普通热水机性能对比图通过上述表2和图9可以看出：变频热水机高 出国标限定值（34） 60%,高出热水机能效等级标 准11一级（4.2）能效值1 18W/W;低温15°C制热 工况下制热水COP町达2.0 W/W, COP超出其他 热水器62%；普通热泵热水器无法运行的超低温 25°C工况，COP仍可保持为1.23 W/W： 45°C高温 工况下，COP高出普通空气能热水器54%。通过对比可知，变频双级增熔空气源热泵热水 器在高温、低温环境温度卜能效表现卓越，全工况 节能优势明显。3.2整机可施性提高15-CT况运行，常规
24、空气源热泵热水器的最高 压缩比9以上，而采用变频双级增焰系统的绘高斥 缩比不超过5,压缩比显著降低，见图10。2b 4bY?温过热度高于5°C的目的保证润滑油合理的浓度 充分润滑压缩机转动部件，见图11。24 20181614121056AA >*厂十A A A”厶山1015202530井气过热度AWX：图11排气过热度与压缩机底部过热的试验数据整机通过长期町靠性和加速殍命试验（实验主 要包括高低温运行、过负荷高电压运行、过负荷低 电压运行、高频高水温高环温运行、高频高水温低 环温运行、低频运行、恶劣工况运行、频繁启停、 模拟用户用水等）验证表明：整机可黒性试验后性 能下降不超
25、过3%,噪声増大呈不超过可靠性试验 前2dB。水箱微通道换热器解剖，换热器外观测罠 无变形无间隙变人，测屋扁管抗拉强度、屈服强度 和延伸率均符合可靠性要求，见图12。压缩机解剖, 电机漆包线无起泡现象、绑扎绳无熔断现象，电机 未见老化：冷冻油可满足压缩机宽范用使用要求； 泵体结构磨损最利各零部件满足压缩机寿命要求， 见图13。总而言之，变频双级増熔空气源热泵热水 器具备良好的可靠性。553412014 2Vol 34. No 1Feb. 20141 实验前应力应变曲线.2实验后应力应变曲线图12整机长期加速寿命实验扁管拉力变化图图13整机长期可靠性实验后压缩机解剖零部件图4结论变频双级增焙热泵
26、技术在空气源热泵热水器 产品得以应用的前提是攻克了变频双级增焙压缩 机技术、高效微通道换热技术和系统参数的控制技 术难题。我公司在热水器行业首次应用变频双级增 焙热泵技术开发了空气源热泵热水器，取得的成果 包插以下几个方面。1)全工况性能提升：国标名义工况测试能效达 到5 0W/W以上，名义工况、超低温工况以及高温 工况COP较常规空气能热水器分别提升60%、62% 和 54%；2) 整机可靠性高：超低温工况运行最高乐缩比 不超过5,系统楕确控制保证压缩机回油润滑良好, 整机长期町靠实验和加速寿命实验表明性能卜降 不超过3%,噪声增人量不超过可靠性试验前2 dB, 整机可靠性高。3) 运行范用
27、拓宽：纯热泵运行范用由15匸拓 展为-25°C,可适应北方地区使用。应用变频双级增焙热泵技术的空气源热泵热 水器性能取得突破，运行范由拓宽，整机可靠性提 高，解决常观空气源热泵热水器在低温下的制热水 效果差、无法人规模在北方地区应用的问题。随着变频双级増焰热泵技术的应用，未来空气 能热水器的使用地域范圉有望进一步拓展。参考文献1 优明，宋Z平.空气源热泵应用范I制北扩的可能性分 析及其技术措施述评J.唆通空调,2002. 32(6): 37-392 柴沁虎.马国远.空气源热泵低温适应性研究的现状 及进展J能源工程,2002(5): 25-313 郑祖义，王守良空气热源热泵空谓系统的研
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