壁挂式整体热泵热水器降噪方法研究与应用

李文明

艾欧史密斯（中国）热水器有限公司 江苏南京 210038

1 引言

家用整体热泵热水器一般有壁挂式、落地式两种形式，落地式整体热泵热水器，容积一般在120L以上，体积和功率较大，通常放在室外或设备间里，运行噪声对人的直接影响不大。壁挂式整体热泵热水器，以下简称壁挂热泵热水器，容积在50L～100L，体积和功率小，热泵单元与储水箱单元一体设计，结构紧凑、机器外形与普通电热水器基本相同，安装位置和方式也与普通电热水器一样，通常是在卫生间壁挂安装。壁挂热泵热水器是利用空气能转换为热能的原理，加热相同体积热水所需消耗的电能比普通电热水器节约一半以上电能。壁挂热泵热水器比普通电热水器节能环保，被越来越多的家庭选择使用。然而壁挂热泵热水器运行噪声直接在室内传播，对人们日常生活产生一定的影响，用户经常抱怨，噪声问题逐渐成为消费者的痛点之一。如何降低壁挂热泵热水器的噪声问题，减少噪声污染，笔者通过产品实践，进行不同实施方法的研究，并成功运用到产品上。

2 壁挂热泵热水器的噪声特点

壁挂热泵热水器的噪声来源主要包括：压缩机、轴流风机、配管振动等。在半消声室，测试仪器用Ⅰ型或Ⅰ型以上的声级计［1］，在环境温度20℃条件下，机器稳定运行一段时间后开始测试。机器噪声测试示意图如图1所示，为了直观表示压缩机等热泵部件位置，其外面的塑料罩壳在图上没有表达，噪声测试是在有塑料罩壳的情况下进行的。测试仪距离机器表面1m处，分别测试五个点的噪声（前面、后面、左侧、右侧、上方），取其平均值。改进前壁挂热泵热水器噪声测试值为：单独运行压缩机，噪音均值为44.5dB(A)，单独运行轴流风机，噪音均值是48.2dB(A)，壁挂热泵热水器整机工作噪音均值为48.6dB(A)，具体测试数据如表1所示。

轴流风机比压缩机的噪音值高3.7dB(A)，噪声大但较柔和；压缩机运行时噪声值低些，但沉闷有力，穿透力强，会使人心情烦躁；不合理的配管设计，不仅不能减小压缩机的振动，甚至起到反作用，带来异常噪声［2］。壁挂热泵热水器一般都挂在卫生间的墙上，卫生间四周墙体表面是瓷砖，瓷砖对噪声有反射和叠加作用，会起到放大效果，这是特殊的使用环境对机器噪声的影响。

3 不同降噪设计及其效果测试

噪声控制一般从噪声源、噪声传播路径和噪声接受者三方面入手。噪声控制主要以噪声的声学控制方法为主，具体技术一般包括隔声处理、吸声处理、振动隔离等［3］。壁挂热泵热水器降噪主要从噪声源和噪声传播路径两方面进行，根据压缩机、轴流风机、配管形式和风道结构等不同特点，采用不同方法进行降噪。

3.1 压缩机和风机降噪设计

压缩机在高速运转过程中，内部压力和温度急骤变化，产生强力振动，通过底脚和吸、排气管向外传递，为了减少这种振动传递，压缩机底脚都会用橡胶垫来减振。改进前压缩机底脚减振垫的材料是丁腈橡胶（NBR），邵氏硬度为60度，减振垫单层结构设计，压缩机运行振动，在机器其他部位振感明显，有共振现象，减振效果不理想。为了提高减振垫的减振效果，可以从材料和结构方面进行优化。在材料方面，橡胶材料在交变应力作用下，由于所特有的粘弹性，形变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，形变能量（振动）以热能或其他形式消耗掉。用丁基橡胶（IIR）代替原来的NBR橡胶，其邵氏硬度降到40度，橡胶变得更软，从而可以通过橡胶更大的形变来耗散振动能量，达到减振效果。在结构方面，减振垫设计成多层阶梯状缓冲结构，增强减振效果。通过橡胶垫材料和结构的优化，压缩机运行振动引起的共振现象基本消除，减振降噪效果明显。

另外，压缩机底脚固定方式按隔振结构来设计，紧固件用限位螺钉，螺杆外径与减振垫内孔留有0.5mm间隙，螺钉锁紧后，减振垫上方的平垫片与减振垫表面留有1.5mm间隙；压缩机固定后，减振垫在轴向和径向都是无约束自由状态；当压缩机运行时，底脚减振垫有足够的空间来吸收压缩机产生的振动位移，这样能起到很好的隔振降噪效果。底脚减振垫通过减振和隔振方案的改进，噪音值改善约有1dB(A)，效果明显，对比测试如表2所示。

轴流风机转速越高，风量越大，在提高蒸发器换热效果的同时，噪声也相应增大；改进前风机转速是1550RPM，风机扇叶的扭曲角度是20度，测得风机噪音值48.2dB(A)，风机转速高是噪声大的主要原因之一。降低转速是改善轴流风机噪声的一个有效途径，但是要保证蒸发器原有的换热效果，风机风量不能减少。一种方法是增大风机扇叶直径提高风量，但是由于壁挂热泵尺寸的限制，风机扇叶直径不能增加；另一种方法是增大风机扇叶的扭曲角度提高风量，而且扇叶直径不需要变化。通过不同转速电机与不同扭曲角度扇叶进行效果测试验证，最终选取一组对降噪效果比较好的参数，即：电机转速为1200RPM，扇叶扭曲角度为23度，风机的风量与原来基本保持不变，噪音值降低约3dB(A)，降噪效果明显，风机优化前后噪声对比测试如表3所示。

图1 机器噪声测试示意图

表1 机器改进前噪声测试

表2 压缩机底脚橡胶垫优化前后噪声对比测试

表3 风机优化前后噪声对比测试

3.2 管路系统减振设计

图2 管路系统结构示意图

图3 降噪风道结构示意图

表4 风道优化前后噪声对比测试

管路系统由压缩机、蒸发器、冷凝器、毛细管和配管等组成，管路系统结构示意图如图2所示。压缩机排气配管内冷媒是高温高压状态，振动大，排气配管设计需要充分利用配管U型弯、减振胶泥等措施来减振。压缩机的排气配管与冷凝器之间距离较大，排气配管设计成了一个长的U型弯，压缩机的振动在长U型弯上逐渐衰减，当传递到冷凝器时，振动能量已经衰减一部分；把冷凝器设计成螺旋管盘状，类似于弹簧结构，具有很好的吸振效果，剩余振动能量经过冷凝器后基本消除。压缩机吸气配管与蒸发器出口这一段，由于两者距离较近，压缩机的振动也容易传递到蒸发器，产生振动噪声，这段吸气配管需设计成多个U形弯，来提高减振效果，一般是2到3个U形弯；如果U形弯数量再增加，不但减振效果没有明显提高，反而会增大管路内部冷媒流动阻力，带来其他问题［4］。冷凝器出口与蒸发器进口之间有一段毛细管，虽然这段管路振动小，但也要考虑振动噪声问题，如果处理不当，会发出异常噪声。为了减小圈与圈之间的振动摩擦，毛细管通常设计成螺旋状，在加工成螺旋状前，先在毛细管外表套一层软的塑料管，用来隔离圈与圈之间的振动摩擦。如果螺旋状毛细管振动大，可以在螺旋圈上包裹一块软的吸振橡胶泥，把振动降到最低；另外，配管振动也可以采用橡胶减振块等类似处理方法。

3.3 降噪风道结构设计

为了方便噪声处理，将压缩机、风机等噪声源设计成一个模块，置于塑料罩壳内，塑料罩壳的两侧设计有进风口和出风口，塑料罩壳内部设计成专门降噪风道结构来降低噪声，降噪风道结构示意图如图3所示。在进风口处蒸发器周边设有内消音隔板，蒸发器进风口正前方设有外消音隔板，内、外消音隔板之间保留足够宽度和长度的风道，尽量减小风量损失［5］，两种隔板上都贴有吸音材料。蒸发器出风口处有导流圈，风机扇叶与导流圈有部分重叠，这样使扇叶旋转时形成一个圆柱形风道，并能产生足够的轴向风力，增加出风量；此处风机叶片与导流圈重叠尺寸不宜太多，否则会影响噪声，在设计时需充分验证最佳重叠尺寸。在出风口处罩壳增加扰流挡板，其表面贴有吸音材料。

当风机运转时，在进风口处，风从罩壳右侧面进入，转90°后进入消音通道，然后再转90°进入蒸发器，噪声开始衰减。由于蒸发器的翅片缝隙小，空气流速突然增大，气流噪声变得尖锐，尖锐噪声在内、外隔音板之间来回反射减弱，消音隔板起到很好的吸音和隔音效果。风机传出噪声传到罩壳反射板后被返回，再跃过中间的扰流挡板，最后从罩壳的两个直角口传出来；噪声在风道中迂回曲折，出风路径轨迹类似于正弦波，起到间接延长风道作用，噪声在长距离传播过程中得到有效衰减。通过优化风道使噪音值下降约5dB(A)，对比测试如表4所示。

3.4 整机降噪声效果测试

测试场所、测试仪器和测试方法等与前面所述相同。整机经过降噪处理后平均噪音值为38.3dB(A)，未降噪处理的噪音值是48.6dB(A)，降噪效果明显，具体噪音值对比测试如表5所示。

表5 整机降噪前后效果对比测试

4 结语

通过实践验证，首先对壁挂式整体热泵热水器的噪声源进行减振、降噪等处理，如压缩机减振垫优化、风机转速和扇叶扭曲角度调整、管路系统减振设计等；然后对噪声传播路径进行二次降噪处理，采用降噪风道结构，并配合吸声材料的运用，使噪声能量在传播过程中得到有效衰减，进一步降低噪声。通过上述措施，整机噪音值下降约10dB(A)，降噪效果明显，满足壁挂热泵热水器在室内安装要求，基本消除噪声对人的影响。由于降噪方式主要采用设计优化和降噪风道结构来实现，其成本增加较少，经济性好，可以在热泵产品或其他类似产品的降噪设计中推广使用。