新型高效压缩机在热泵热水器中的应用研究

范少稳，谢利昌，吕浩福

( 珠海凌达压缩机有限公司，珠海 519015 )

新型高效压缩机在热泵热水器中的应用研究

范少稳，谢利昌，吕浩福

( 珠海凌达压缩机有限公司，珠海 519015 )

[摘要]近年来，热泵热水器已经在国内家用市场迅速发展起来，对于热泵热水器的高效性、高可靠性的研究也越来越多。本文旨在研究一种新型高效专用压缩机在热泵热水器中的应用，结合热泵热水器的工作特点，设计了一种制热水全程高效的专用压缩机，并试验验证了其应用性和有效性。

[关键词]热泵热水器；新型高效；压缩机

前言

热泵热水器作为一种高效节能的家用供热水产品已经走进了千家万户，被越来越多的消费者接受和认可。随着热泵热水器消费市场的增长，市场对产品质量性能的要求也不断提高，作为空气能热水器“心脏”的压缩机性能的改进无疑起着决定性作用。

对压缩机市场有主导影响作用的众多压缩机厂家也纷纷投入到了热泵热水器专用压缩机的研发之中。其中，西安庆安制冷设备股份有限公司的杨青发表了关于“热泵热水器用R22压缩机的开发”[1]的专业论文，其中介绍了热泵热水器压缩机的工况运行特点以及其专用压缩机的开发状况；上海日立电器有限公司的李爱国等发表了“家用空气源热泵热水器专用压缩机的研究”[2]和“关于超高效热泵热水器专用压缩机的研究”[3]的专业论文，其中介绍了其通过借助零件结构改善、FEA、CFD分析等方法进行了高效热泵热水器专用压缩机的开发。

本文旨在研究一种新型高效专用压缩机在热泵热水器中的应用，并结合热泵热水器的工作特点，设计一种制热水全程高效的专用压缩机，并通过试验验证其应用性和有效性。

1压缩机运行特点分析

热泵热水器在制热水过程中，随着水温的不断升高，使得热泵热水器系统的高压不断升高，系统内的压缩机的载荷不断增大。如图1所示，为目前我司某型专用压缩机在其对应热泵热水器系统上面运行时，压缩机工作扭矩与水温的对应关系。

图1　水温—扭矩图

从图1中可以看出，从开始制热水到制热水结束的过程中，随着水温的不断升高，压缩机的工作扭矩不断增大，所承受的载荷范围变化较大，对压缩机的高效工作有着更高的要求。

图2所示为热水器中的水温与压缩机效率的对应关系，以上运行特点，对压缩机电机的设计提出了更高的要求，即使单点电机效率很高，高效率区间仍难以覆盖全部扭矩区域，这便对热泵压缩机的设计开发提出了更高的要求。

图2　时间—水温/效率曲线图

2新型高效热泵热水器专用压缩机设计

2.1　分析对比

由图2压缩机对应水温/效率曲线知，在水温由15℃到45℃的区间内，压缩机的工作效率偏低，电机工作点不能覆盖全工况区间，传统应用中的电机设计难以满足压缩机宽扭矩变化的需要。从而给热泵热水器专用压缩机的能效提升带来了一定的困难。

为了应对热泵热水器不断提升的能效需求，从压缩机[4]的运行效率出发，分析对制热水过程中的开始一段对应水温区间的压缩机效率进行提升，可有效提高热泵热水器制热水过程的全程的能效。

常规热泵热水器专用压缩机在各个工况下的性能、扭矩数据计算如表1所示：

表1工况—性能/扭矩(Nm)

工况A工况B工况C功率/W扭矩功率/W扭矩功率/W扭矩8502.399622.6710662.89工况D工况E工况F功率/W扭矩功率/W扭矩功率/W扭矩11463.098202.2511973.17

在各水温点处热水器专用压缩机所对应的功率、扭矩数据如表2：

表2各水温工况下扭矩

水温/℃功率/W扭矩/Nm转速/r/min156541.62892207031.742884257431.8628803079122868358472.162858409092.32878459802.5228625010442.728505511232.932836

2.2　高效专用压缩机设计

常规压缩机一般一个电机只含有一套绕组方案，为了满足压缩机的扭矩与效率的高效要求，设计一种含有两套绕组方案的变绕组压缩机。参考图1、表1和表2中的设计参数，设计了电机方案：方案1的工作点在1.8～2.0Nm左右，电机方案2的工作点在2.7Nm左右，并保证电机方案2在工况F下的扭矩要大于3.17。

两种方案的电机计算参数如下表3：

表3压缩机设计方案

新型压机工作点效率转速最大扭矩方案12.084.8%28743.0方案22.7583.9%28644.5

新型高效专用压缩机计算的扭矩效率曲线如图3，其中曲线交叉点为理想绕组切换点。图中两条曲线交点约在2.5Nm到2.7Nm左右，启动后压缩机在方案1这条曲线上运行，当压缩机输出扭矩到达2.75Nm左右时(或水温到达一定值时)，方案1电机效率将降低，且过负荷能力不足，此时切换为方案2，电机过渡至方案2的电机曲线运行，电机重新运行在高效率区间且过负荷能力增强以满足水温继续升高的要求。

图3　新型压缩机扭矩效率曲线

图4　新型压缩机与常规压缩机效率对比

以上数据可以看出，从1.5Nm处开始到交点处(约2.75Nm)，对应扭矩点上，方案1电机比方案2电机效率高5.9%~0%；从交点处到4.5Nm处，方案2电机比方案1电机效率高0%~6.1%。采用新型高效压缩机后，从1.5~4.5Nm宽范围内均可使压缩机效率高于80%。

3系统试验测试

新型高效热泵热水器专用压缩机系统配试情况与常规压缩机的配试数据对比如下表4所示：

表4系统匹配数据

压缩机测试方案制热能力/W能效常规压缩机32413.7新型压缩机33113.88

此次测试常规方案压缩机，性能结果3.7；采用新型高效热泵热水器专用压缩机进行匹配，调整切换水温点至45℃，在此处切换即能保证前段区间的高能效，又能保证过负荷能力，是比较理想的切换点，较普通电机能效提升4.85%。

与常规方案对比计算，当仅将水温由15℃加热至45℃，则其能效数据如下：

表5由15℃到45℃水温区间能效

方案制热能力/W能效常规压缩机25804.5新型压缩机26804.85

对比分析以上数据，在日常生活中不要求高水温的情况下，日常洗浴用水时可在热泵热水器上设置节能模式超高能效区间。

常规压缩机方案与新型高效专用压缩机的配试过程中具体数据如下：

表6正常规压缩机功耗情况

水箱水温/℃排气压力电流/A输入功率/W151.253.01654201.3893.22703251.4983.4743301.6463.63791351.8063.89847401.9834.17909452.184.46980502.3934.81044552.6245.171123

对比表6和表7可知，在整个热泵热水器制热水的过程中，在开始阶段的压缩机输

入功率明显降低，如图5，有效的提高了热泵热水器的电消耗，提高了系统的能效水平。

图5　新型压缩机与常规压缩机输入功率对比

表7新型方案功耗情况

水箱水温/℃排气压力电流/A输入功率/W151.2652.98624201.3733.14662251.4983.35709301.6453.58761351.8073.84818401.9864.12879452.1844.4940502.4024.841046552.6325.181122

4结论

新型高效热泵热水器专用压缩机在制热水的整个过程中，在前45℃水温区间降功耗作用明显，能效提升7.6%，全程能效约提升约4.85%，双工作点跨的高效率扭矩区间范围广，十分适合用于热泵压缩机能效提升。

5参考文献

[1] 杨青.热泵热水器用R22压缩机的开发.家电科技[J].2011，(9)：73-75

[2] 李爱国，米廷灿，乐红胜.家用空气源热泵热水器专用压缩机的研究[J].装备机械，2009，(1)：41-44

[3] 李爱国，米廷灿，乐红胜.关于超高效热泵热水器专用压缩机的研究[J].装备机械，2011，(4)：17-24

[4] 马国远，李红旗.旋转压缩机[M].北京：机械工业出版社，2001

Research Of New Type High Efficient Compressor Used On HPWH

FAN Shaowen，XIE Lichang，LV Haofu

( Zhuhai Landa Compressor Co.,Ltd，Zhuhai 519015 )

Abstract：Recent years,heat pump water heater was widely used in domestic market,research of high efficient and reliability are more and more.In this paper,a new type high efficient rotary compressor was put out, with the characteristic of HPWH,a special high efficient compressor was designed, and turned out efficiently.

Key words:Heat Pump Water Heater；New type high efficiently；Compressor

[中图分类号]TQ051.5[文献标示码]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.005

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-024-04

作者简介：范少稳(1982-)，男，硕士，主要从事旋转式压缩机新品开发研究及CFD仿真分析。Email:ldkg@gree.com.cn通讯作者：吕浩福，Email:lv9_216@163.com

收稿日期：2014-12-7