变频双级增焓热泵技术在空气源热泵热水器上的应用

黄娟，李绍斌

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

变频双级增焓热泵技术在空气源热泵热水器上的应用

黄娟*，李绍斌

（珠海格力电器股份有限公司，珠海 519070）

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量衰减的原因，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焓热泵技术及其关键技术的应用效果。通过将双级压缩增焓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焓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到了提高，可靠性得到增强；在国标名义工况下性能系数（COP）达到5.0以上，并获得了-25℃环境温度下制取55℃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。

空气源热泵；热水器；变频；双级压缩；微通道；

0 引言

空气源热泵热水器近年来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，常规空气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[1-2]。为此，研究人员在全工况性能提高，运行范围的拓展以及低温制热性能的提升这几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有以下几种。

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压缩机有较大提高，但是在高压比工况下压缩机容积效率低、系统节流损失大，制热量随环境温度的降低大幅衰退。即使增大系统的蒸发器和冷凝器也存在制热量随环境温度的降低急剧衰退的问题。

2) 准二级压缩技术：该技术在单级螺杆准二级压缩低温热泵系统[3]，涡旋压缩机系统设置经济器构成准双级压缩机的空气源热泵系统[4-6]得到应用。采用带喷射口的涡旋、螺杆压缩机，低温制热量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围，无法应用于(1～3)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、容积效率随压比增大而大幅降低的问题，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大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、可靠性差的行业难题，本文开发了一种宽温度范围运行的高效变频双级压缩增焓热泵技术，并应用于空气源热泵热水器中。

1 系统原理分析

变频双级增焓热泵系统示意图如图1所示，该系统采用双级增焓转子式变频压缩机、增加闪蒸器和一级节流装置。

图1 双级增焓压缩理论循环示意图

双级增焓压缩系统在压焓图上循环过程为1-2-6-7-9-10-4-5-1，其单位制冷量q0=h1-h4；普通单级压缩系统的循环过程为1-7′-9-5′-1，其单位制冷量q0′=h1-h9，如图2所示。

采用双级增焓压缩循环，存在如下三个优点。

1) 排气温度降低：

双级增焓压缩系统的补气冷媒与低压级排气冷媒混合，使高压级吸气冷媒状态从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ΔT=T7′-T7，排气温度的降低幅度可通过调节补气冷媒的状态来控制。

2) 单位制冷量增加：

双级增焓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Δq0=h9-h4。为了提高Δq0的幅度，需要增大压缩机容积比，优化闪蒸器和增焓部件的设计，提高闪发量，增加二级节流前冷媒的过冷度，最大限度发挥双级增焓压缩系统的制热能力。

3) 压缩比减小：

双级增焓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大幅降低。通过合理设计双级增焓各部件，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，进一步加强双级增焓系统制热能力的优势[7]。

从系统原理分析可以看出双级增焓热泵系统的优势非常明显。但是，要实现变频双级增焓热泵技术在空气能热水器上的应用，必须要攻克变频双级增焓压缩机技术、高效换热技术和系统参数控制等关键性技术问题。

图2 双级增焓变频热水器系统原理图

2 变频双级增焓热泵热水器关键技术

2.1 变频双级增焓压缩机技术

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大的工作压力差。业内使用双级压缩形式来降低单个气缸工作压力，大部分局限于二氧化碳压缩机。增焓技术在涡旋式、螺杆式压缩机中有所应用，用来降低排气温度，以提高能效。单缸转子式压缩机中运用增焓技术，虽在文献中有所提及，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焓技术的结合，从其特点上看，是提升压缩机能效和拓宽运行范围的有效手段，但此种技术未见应用。格力为实现压缩机高效化，开发了变频双级增焓转子式压缩机。所开发的压缩机采用的关键技术包括：

1）独特的中间腔结构设计，缩短了中间冷媒流通路径，保证了相对补气量，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，使双级增焓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）最佳容积比设计，通过对高、低压腔工作容积比对压缩机性能的影响分析，找出最佳容积比范围，本设计从根本上提高了双级增焓转子式变频压缩机的制热能力和能效；

3）最优的中压流道设计，此设计增大流道的流通面积，降低流体的流动阻力，提高压缩机能效。

此外，还对高低压排气口面积比、泵体径向间隙、电机、供油系统以及防液击、防杂质等进行特殊设计。

1 Hp～3 Hp各系列双级增焓转子式变频压缩机在压缩机国标工况下[8]的性能系数(COP)如图3所示。各系列双级增焓转子式变频压缩机的能效水平均超过单级变频压缩机。通过采用单机双级压缩、内置中间腔增焓方式，开发出的双级增焓转子式变频压缩机（如图4所示），实现了双级增焓转子式变频压缩机的宽温高效化。

图3 各系列双级增焓压缩机能效水平

图4 变频双级增焓转子式压缩机

2.2 水箱微通道换热技术

静态加热式空气源热泵热水器水侧换热器主要有两种方式，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直接和水接触，存在严重的腐蚀和结构问题。对于外绕盘管现主要是采用外绕铜管虽无上述隐患，但存在接触面积小、换热热阻及流程压降大的问题，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已经在电子、汽车空调等行业有了广泛的应用，具有冷媒接触截面积大、结构紧凑高效的特点[9-10]。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即为扁平微通道换热器和微通道水箱图。

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、不锈钢内胆导热以及水侧水的自然对流换热，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效率提高2.8%，制热水过程压力损失减少60%～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增大了换热盘管的有效换热面积、强化了换热效果、提高了材料利用率，整机性能大幅提高。

表1 微通道换热器的结构参数

2.3 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。对于热泵系统，环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。

通过分析大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下，在不同压缩机频率下运行的整机COP不同，在运行频率范围内存在COP最优的频率区域，即最佳能效比区域，见图7。

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，整机采用了能效比自动优化的控制方法，如图8所示。具体的控制思路如下所述：

1) 机组控制器实时检测环境温度Th、水温Tw、吸气温度Ts、蒸发器入管温度Tg、排气温度Td、热水温升时间Δt和实时输入功率P等机组运行参数；

2) 根据上述检测参数，通过系统换热数学模型计算冷凝温度Tc、蒸发温度Te、过热度Tsc、过冷度Tsc、耗电量W、制热量Q以及计算COP0并记忆其对应的频率值；文中所有的COP，有的是斜体，有的不是斜体，建议都不用斜体。

3) 调节压缩机对应的频率运行，围绕该频率向下调整压缩机频率计算COP1，然后向上调整频率并计算COP2，再比较COP0、COP1和COP2，获取三者中最大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大COPmax值和其对应的频率f；

5) 再围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。

通过采用能效比自动优化控制技术，控制器表单频率和COP的值不断地自动更新和优化，实际运行COP逐渐趋近该机组的最优COP。实现了机组在各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

已推出的应用变频双级增焓热泵技术的空气源热泵热水器舒尊系列产品具有能效比高、制热能力强的特点，运行范围拓展到环境温度低达-25℃并能够稳定制取55℃热水。

3.1 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焓热泵技术的舒尊空气源热泵热水器国标[12]名义工况COP达到5.0 W/W以上，具体检测结果见表2。

表2 格力舒尊系列KFRS-3.5JPd/NaA变频双级增焓空气源热泵热水器测试数据

应用变频双级增焓热泵技术的空气源热泵热水器能在-25℃至45℃的宽环境温度范围内高效可靠的运行。按热泵热水器国标测试，与定频空气源热泵热水器相比，变频双级增焓空气源热泵热水器名义工况20℃制热水COP为5.38。

图9 变频双级增焓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（3.4）60%，高出热水机能效等级标准[11]一级（4.2）能效值1.18 W/W；低温-15℃制热工况下制热水COP可达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℃工况，COP仍可保持为1.23 W/W；45℃高温工况下，COP高出普通空气能热水器54%。

通过对比可知，变频双级增焓空气源热泵热水器在高温、低温环境温度下能效表现卓越，全工况节能优势明显。

3.2 整机可靠性提高

-15℃工况运行，常规空气源热泵热水器的最高压缩比9以上，而采用变频双级增焓系统的最高压缩比不超过5，压缩比显著降低，见图10。

图10 环境温度-15℃单级与双级热泵热水器系统压缩比

压缩机排气过热度，可以间接控制压缩机底部油温过热度。当油温过热度小于5℃时，润滑油的浓度小于70%，会造成压缩机磨损。通过控制器严格控制系统排气温度过热度，来达到控制压缩机油温过热度高于5℃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。

图11 排气过热度与压缩机底部过热的试验数据

整机通过长期可靠性和加速寿命试验（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：整机可靠性试验后性能下降不超过3%，噪声增大量不超过可靠性试验前2 dB。水箱微通道换热器解剖，换热器外观测量无变形无间隙变大，测量扁管抗拉强度、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围使用要求；泵体结构磨损量和各零部件满足压缩机寿命要求，见图13。总而言之，变频双级增焓空气源热泵热水器具备良好的可靠性。

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

变频双级增焓热泵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焓压缩机技术、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焓热泵技术开发了空气源热泵热水器，取得的成果包括以下几个方面。

1) 全工况性能提升：国标名义工况测试能效达到5.0 W/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压缩比不超过5，系统精确控制保证压缩机回油润滑良好，整机长期可靠实验和加速寿命实验表明性能下降不超过3%，噪声增大量不超过可靠性试验前2 dB，整机可靠性高。

3) 运行范围拓宽：纯热泵运行范围由-15℃拓展为-25℃，可适应北方地区使用。

应用变频双级增焓热泵技术的空气源热泵热水器性能取得突破，运行范围拓宽，整机可靠性提高，解决常规空气源热泵热水器在低温下的制热水效果差、无法大规模在北方地区应用的问题。

随着变频双级增焓热泵技术的应用，未来空气能热水器的使用地域范围有望进一步拓展。

[1] 沈明, 宋之平. 空气源热泵应用范围北扩的可能性分析及其技术措施述评[J]. 暖通空调, 2002, 32(6): 37-39.

[2] 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): 25-31.

[3] 郑祖义, 王守良. 空气热源热泵空调系统的研究[J].化工机械, 1994, 21(5): 292-295.

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

[5] 张立毅, 胡浩, 李勇健, 等. 美国艾默生公司压缩机应用技术讲座第二十一讲谷轮“低温强热涡旋”在热泵式空调器中的应用(1)[J]. 制冷技术, 2007 (1): 47-49.

[6] 王善平, 谷波, 韩润虎. 涡旋压缩机在热泵热水器中的应用[J]. 制冷与空调 (北京), 2007, 7(5): 78-80.

[7] 吴业正, 韩宝琦. 制冷原理及设备[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1995: 103-113.

[8] GB 15765-2006, 房间空气调节器用全封闭型电动机-压缩机[S].

[9] PAMITRAN A S, CHOI K I, OH J T, et al. Characteristics of two phase flow pattern transitions and pressure drop of five refrigerants in horizontal circular small tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2010, 33(3): 578-588.

[10] KULKARNI T, BULLARD C W, CHO K. Header design tradeoffs in microchannel evaporators[J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24(5): 759-776

[11] GB 23137-2008, 家用和类似用途热泵热水器[S].

[12] GB 29541-2013, 热泵热水机（器）能效限定值及能效等级[S].

Application of Variable Frequency Two-stage Enthalpy-adding Heat Pumping Technology in Air Source Heat Pump Water Heater

HUANG Juan*, LI Shao-bin
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai, Guangdong 519070, China)

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 ASHPWH in the relatively low temperature area is restricted. In the present study, the two-stage compression and vapor injection variable frequency heating technology and the application effect of this key technique were described. A variable frequency two-stage enthalpy-adding ASHPWH system was developed by combining two-stage compression enthalpy-adding cycle with variable frequency technology. By using the proposed ASHPWH system, the heating efficiency and heating capacity were improved, and the reliability was increased; the coefficient of performance (COP) can be raised up to 5.0 in the standard rating condition, and the operation effect was very good for producing 55oC hot water at -25oC ambient temperature. The proposed system can effectively solve the suitability problems of the ASHPWH unit in low temperature regions.

Air source heat pump; water heater; Variable frequency; Two-stage compression; Micro-channel

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.01.203

*黄娟（1985-），女，工程师，研究生。研究方向：主要从事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：13411516024。Email：hulideye.85@163.com。