影响多联机APF的关键要素研究

张 恒 高永坤 孟建军 董 辰

(青岛海信日立空调系统有限公司 青岛 266555)

随着人们对空调在建筑中实际使用情况的了解，空调的能效评价在不断进步和发展，由于EER(energy efficiency ratio)和COP(coefficient of performance)仅能评价产品的单点性能，SEER(seasonal energy efficiency ratio)和IPLV(integrated part-load value)评价产品的季节能效比，所以EER(COP)和SEER(IPLV)不能全面评价产品能效[1]。为更好的反映设备真实性能，国内能效标准已经开始向全年能效系数APF(annual performance factor)切换。

2020年9月，我国在联合国大会上提出了“2030年碳达峰，2060年碳中和”的战略目标，“双碳”背景下，对空调能效提出更高要求，政府和空调行业也将采取更加有力的政策和措施提升产品能效。国家发改委、工信部等多部门联合印发《绿色高效制冷行动方案》要求三年内空调的能效提升30%，多联机提升40%；2021年10月国标委发布了GB 21454—2021《多联式空调(热泵)机组能效限定值及能效等级》[2]，该标准于2022年11月1日开始实施，对多联机能效要求有了大幅提高，热泵型多联机的具体能效要求如表1所示，其中一级能效要求较高，所以亟需多联机APF提升技术。

表1 多联机APF能效标准[2]

现在关于多联机空调机组APF影响因素的研究较少，肖彪等[3]理论分析了各个工况点对多联机APF的影响。戚文瑞等[4]对家用空调器的APF算法进行简化计算，分析各个工况的能效对APF的影响比重。秦存淘等[5]分析了换热器尺寸、流程、风系统改善对APF的影响。张海峰等[6]分析了压缩机效率曲线对APF的影响，并提出根据全年综合能效比进行压缩机选型及设计优化。王硕渊[7]对比中国APF标准与日本APF标准，发现同一台空调器的APF值，采用日本标准比采用中国标准计算出的更高。Wu Guoming等[8]提出一种快速求解变频空调器最大APF的方法，通过对常用变频空调进行APF最大值求解，提升额定制冷、中间制冷能效和提升额定制热、中间制热、低温制热能力，APF可提升6.37%。

本文采用制冷系统仿真软件，建立典型样机的APF仿真模型，通过实验测试修正模型；对典型样机APF的多个要素进行仿真研究，并对关键要素进行实验验证，最终建立各要素对多联机APF的影响权重，为多联机APF提升提供方向和理论基础。

1 多联机APF仿真准确性验证

多联式空调(热泵)系统是一种典型的变制冷剂流量直接蒸发式空调(热泵)系统，具有控制精细、行为节能、安装方便等特点[9]。多联机的系统循环如图1所示，系统相对家用空调更加复杂，影响其APF的要素较多，包括：压缩机、室内/外换热器、室内/外送风系统(风量、风机效率、电机效率)、配管(室内/外机组配管、联机配管等)、机组阀件和增阻部件(四通阀、截止阀等)、气液分离器、回油系统(压缩机上油率、回油旁通)、联机方案和制冷剂充注量等。

图1 多联机系统循环

为获得多联机的较大APF值，通常采用多次重复实验的方法，而采用系统仿真技术可以减少实验次数[10]。在进行单一要素研究时，由于多联机系统非常复杂，各要素对APF的影响相互耦合，实验很难测试出某些单一要素对APF的影响，仿真能够弥补实验的不足，采用仿真和实验相结合的方法，相互论证结论的准确性。本文采用制冷系统仿真软件，根据室内外机和联机方案，分别建立各系统部件模型参数和循环系统参数，对复杂的系统和管路进行简化处理，如图2所示，设置合适的收敛方式，进行仿真计算。按照GB/T18837—2015《多联式空调(热泵)机组》[11]的规范进行测试，包括：标准额定制冷(100%负荷)、标准中间制冷(50%负荷)、标准最小制冷(25%负荷)、标准额定制热(100%负荷)、标准中间制热(50%负荷)、标准最小制热(25%负荷)和低温最大制热。

图2 仿真模型示意图

制冷系统仿真软件只能对稳态工况进行仿真，但低温最大制热工况为非稳态工况，所以针对该工况，采用修正方法。图3所示为多联机低温最大制热运行时一个完整除霜周期，将除霜周期分为4个阶段：启动阶段、稳定阶段、衰减阶段和除霜阶段。

图3 低温制热周期

各阶段能力曲线与以下因素相关：压缩机频率H、室外风机转速FO、室外机换热器传热面积AO、室外机换热器翅片形式ηO、室内机风机转速FI、室内换热器传热面积AI、室内机换热器翅片形式ηI、除霜进入条件因素φ、除霜退出条件因素Φ。

1)启动阶段为动态过程，能力与压缩机、室外风机、室外节流装置、室内风机、室内节流装置等控制有关，此外也受AO、ηO、AI和ηI影响，所以启动阶段的能力曲线可表示为Q1=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI)。

2)稳定阶段可认为是稳态过程，H、FO、FI维持恒定，能力曲线Q2=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI)。

3)衰减阶段为动态过程，由于室外换热器结霜，蒸发能力下降，机组能力衰减，直至机组进入除霜运转，所以能力曲线Q3=f(H，FO，AO，ηO，FI，AI，ηI，φ)。

4)除霜阶段室外机风机和室内机风机停止，压缩机进入除霜运转，化霜过程与H、AO、ηO、AI、ηI和Φ有关，所以能力曲线Q4=f(H，AO，ηO，AI，ηI，Φ)。

对于同一台机器，控制条件固定，则每个低温最大制热的除霜周期相同，即周期能力与最大能力(稳定阶段)存在比例关系。统计多组实验机低温最大制热的稳定阶段能力和周期能力，仿真低温最大制热的稳定阶段能力，利用统计的稳定阶段能力与周期能力的比例系数修正仿真能力，功率计算与周期能力计算相同。

采用某开发中28 kW室外机和4台四面嵌入式7.1 kW室内机，联机方案如图4所示，制冷剂为R410A，充注量为11.1 kg。按照GB/T18837—2015的规范进行APF测试，实测过程中为保证最大能效，蒸发器出口过热度控制在0～1 K；不同工况的冷凝器过冷度控制在最优值；低温最大制热工况压缩机满频、室外机风机控制在最大频率。建立系统仿真模型，各部件的模型参数与实际保持一致，充注量固定为11.1 kg，设置蒸发器出口过热度为0 K，按照能力收敛，对APF的7个工况进行仿真。

图4 联机方案

仿真实验结果对比如表2～表4所示，表5所示为各工况仿真与实验的能效误差，25%负荷工况仿真误差最大，其中标准最小制冷误差为5.1%，标准最小制热误差为-5%，其余工况的误差均在5%以内。各工况综合作用后，实测APF为4.59，仿真APF为4.61，仿真误差为0.5%。

表2 制冷仿真与实验对比

表3 制热仿真与实验对比

表4 低温制热仿真与实验对比

表5 仿真与实验能效误差

2 多联机各要素对APF的影响

室内外机和联机方案保持不变，仿真和实验研究风系统、充注量、系统压损和回油系统对APF的影响；由于实验难以测试换热器换热能力、压缩机效率等因素对APF的影响，所以采用仿真进行研究。

2.1 室外机风系统

室外机风量提升有助提升于室外侧换热器换热量，因此，对整机能效有一定提升。但随着风机频率上升，功率也会相应增大。不同负荷下，风量和功率对APF的影响程度并不一致，对标准制冷100%、50%、25%负荷和标准制热100%、50%、25%负荷6个工况进行室外机风系统研究，每一工况选取3个室外机风机频率进行仿真与实验对比。低温制热工况的能力对APF贡献较大，即使在高风机频率下能效下降，由于其能力提升，APF仍会提升，所以该工况采用最大风机频率测试，不进行不同风机频率的研究[12]。

制冷工况的仿真和实验结果对比如图5～图8所示：1)图6中25%负荷实验和仿真的能效随室外机风机频率变化的趋势不同，因为在风机频率为35 Hz的实验测试中，室内机膨胀阀未控制到最优点，蒸发器回液，导致实测能效低于风机频率为40 Hz的实测能效，虚线为仿真蒸发器回液时的能效，与实测结果的趋势一致，实线为蒸发器未回液的仿真结果，所以推测25%负荷的风机最优频率应在35 Hz以下；2)仿真和实测趋势一致，并且仿真的能效略高于实测值，最大误差为7.2%；3)制冷工况条件下，理论上每个工况都存在最优风机频率；4)由于标准制热100%和50%负荷工况室外为7 ℃/6 ℃，压缩机频率高，室外机存在结霜的风险，所以存在不结霜的最小风量，随着风量增大，能效下降；5)统计不同风机频率下的APF，如表6所示，通过优化室外机风机的频率控制，APF性能可提升2.7%。

表6 APF仿真与实验对比

图5 标准制冷100%负荷工况室外机风机频率对能效的影响

图6 标准制冷50%和25%负荷工况室外机风机频率对能效的影响

图7 标准制热100%负荷工况室外机风机频率对能效的影响

图8 标准制热50%和25%负荷工况室外机风机频率对能效的影响

根据前文风量对APF的仿真结果，分别计算室外/内机风档效率提升10%和20%的APF，计算结果如图9和图10所示。室外机风档效率提升10%和20%(包括电机和风扇)，APF分别提升1.08%和1.63%；室内风档效率提升5%和10%(包括电机和风扇)，APF分别提升0.78%和1.21%。综上所述，单独提升风档效率，APF改善程度有限。

图9 APF与室外机风机效率曲线

图10 APF与室内机风机效率曲线

2.2 室内/外换热器KA值

室内/外换热器作为系统的四大部件之一，其性能直接影响系统能力和能效[13]。采用KA值表征换热器性能，其中K为传热系数，A为传热面积。通过仿真研究室内/外换热器KA值分别提升5%和10%对整机APF的影响，室外机风量采用前面测试的最优风量。表7所示为室外换热器不同KA值的制冷和制热能效，KA值提升5%，7个工况能效提升均在1%以内；KA值提升10%，能效提升在2%以内。分别计算KA值提升5%和10%的APF，如表8所示，KA值提升5%，APF仅提升0.5%；KA值提升10%，APF仅提升0.8%；小幅提升室外机KA值对APF提升作用很小。

表7 室外换热器KA值对能效的影响

表8 室外换热器KA值对APF的影响

表9所示为室内换热器KA值提升5%和10%时的各工况能效值变化，室内换热器KA值提升5%和10%，各工况能效略有提升；分别计算室内换热器KA值提升5%和10%的APF，如表10所示，KA值提升5%，APF提升0.34%；KA值提升10%，APF提升0.69%。综上所述，提升室内/外机换热器KA值对整机APF改善程度非常有限。

表9 室内换热器KA值对能效的影响

表10 室内换热器KA值对APF的影响

2.3 压缩机效率

压缩机作为制冷系统的核心部件，其效率对系统能效的影响至关重要。通过仿真研究总体压缩机效率提升2%和3%对整机APF的影响，以及不同负荷压缩机效率提升2%和3%对APF的影响，室内外机风量采用前面测试的最优风量，室内外换热器的KA值保持不变。表11所示为总体压缩机效率提升2%和3%对APF影响，表12所示为不同负荷压缩机效率提升对APF的影响。

表11 总体压缩机效率对APF的影响

表12 不同负荷压缩机效率对APF的影响

由表11可知，压缩机效率提升对APF影响显著，总体压缩机效率提升2%，APF提升1.91%；效率提升3%，APF提升2.8%。由表12可知，仅50%负荷压缩机效率提升3%，APF增幅最大，其次是100%负荷，最后是25%负荷。因为按照APF算法，对于28 kW的多联机，50%制冷和50%制热工况对APF影响占比最大，其次是100%负荷[14]。所以，为提升整机APF，压缩机改善应着重考虑中间负荷频率段的效率。

2.4 制冷剂充注量

多联机采用IPLV作为能效评价标准已经多年，所以系统充注量都是通过标准最大制冷运行确定，N. Vjacheslav等[15]研究表明制冷能效随充注量变化存在最大值，但该充注量可能不是APF的最优充注量。为了找出适合APF的最优充注量，选取10.0、11.1、12.0 kg三种不同充注量，对APF规定的各工况分别进行仿真，并进行实验验证。仿真和实验过程中，除充注量外，其他影响因素保持不变(室内外风量采用前面测试的最优风量，室内外换热器KA值和压缩机效率不变)。

图11和图12所示为不同充注量下各工况的能效变化。图12中12 kg充注量的25%负荷制热仿真与实际相差较大，因为实验调试过程中，测试中室外机膨胀阀开度未控制在最优点，室外换热器出口过热度为3 K，导致排气过热度大，能效低，图12中虚线和点为仿真蒸发器过热3 K的点，与实测结果的趋势一致，实线为出口过热度为0 K的仿真结果，所以推测25%负荷在12 kg制冷量下能效更高。由图11和图12可知，各工况的仿真结果与实验结果误差在6%以内；制冷100%负荷，10 kg充注量的能效最高，其次为11 kg，制冷50%负荷和25%负荷能效随充注量变化不显著；制热100%负荷和25%负荷能效随充注量的增加而增加，但50%负荷能效随充注量的增加而减少。

图11 不同充注量下的制冷能效

图12 不同充注量下的制热能效

分别计算三种不同充注量的APF和标准最大制冷/制热的能效值，如图13所示。仿真和实测的APF误差在2%以内，且趋势一致；存在APF最优充注量，由于50%负荷的权重占比高，故与50%负荷时的最优充注量接近；为提升整机APF，系统的最优充注量应向APF最优靠近，此充注量处于制冷和制热最优点之间。

图13 不同充注量对能效的影响

2.5 配管和阻力件(系统压损)

阀件主要通过自身的压力损失影响系统性能，系统阀件可分为高压阀件和低压阀件；此外，气液分离器和联机配管的主气管也是通过自身压损影响系统性能。石文星等[16]通过研究多联机配管压损对机组能力和能效的影响，提出了经济型作用域，制冷运行时，管长每增加10 m，EER下降约2.5%。

对实验机进行改造，更换为阻力更大的四通阀、截止阀、单向阀、联机配管和气分U管等，共分为3个规格，如表13所示，其中规格一是未改造的实验机，规格二和规格三的各类阀件或管路依次缩小一个规格，由于当采用9.53 mm的四通阀和单向阀时，两部件的压损急剧增大，所以规格三的四通阀和单向阀同规格二相同。

表13 三种规格的机器

对三种规格的样机进行仿真和实验测试，结果如图14和图15所示。制冷和制热工况仿真和实测能效变化趋势一致，仿真结果准确；规格一样机各工况能效最高，其次是规格二，最后是规格三，即压损越大，能效越低。根据仿真和实测结果分别计算三个规格样机的APF，如图16所示。仿真与实测的趋势一致，且误差在3%以内；相比规格一，规格二实测值下降3.01%，规格三下降8.2%，仿真值分别下降4.2%和6.92%。

图14 三种规格机器的制冷能效

图15 三种规格机器的制热能效

图16 三种规格机器的APF

为了更好的体现高低压侧压损对整机APF的影响，利用系统仿真分别研究高压侧压差和低压侧压差对APF的影响。由于APF的7个工况高低压侧压差均不同，高压侧压损Δp1取制冷100%负荷工况压缩机排气至C配管出口的压损，低压侧压损Δp2取制冷100%负荷工况室内机出口至压缩机吸气口的压损。研究高压侧压损Δp1时，低压侧保持不变，通过改变单向阀的流量系数(CV)实现Δp1的变化，共仿真5种不同的CV(7、5、2.5、2、1.5)；研究低压侧压损Δp2时，高压侧保持不变，通过改变吸气管的内径实现Δp2的变化，共仿真5种不同的内径(23、16、14、12、11 mm)。

根据仿真结果，计算出不同压损下的APF，如表14所示，Δp2相比Δp1对APF影响大。根据表14数据分别制作出高压侧压损、低压侧压损与APF的关系图，如图17和图18所示，假设压损为0时的APF占比为100%，压损越大APF占比越小，图中圆点为不同高低压压损对应的APF实测值，直线为APF与压损的关系拟合线，黑色方框为某系列产品的高低压侧压损。同一机型低压压损的影响权重约为高压压损的5倍，降低低压压损更为重要；实验机的系统压损已处于较优的状态，单独降低压损对提升APF效果不显著；分析某系列产品的压损，对于大容量的机组，可从改善压损角度提升APF，最大可提升约6%。

表14 高低压压损与APF

图17 高压侧压损对APF的影响

图18 低压侧压损对APF的影响

2.6 回油系统

多联机回油系统主要包括压缩机、油分离器、回油毛细管和气液分离器等部件，其中回油毛细管将高压侧的润滑油返回低压侧，保证压缩机正常运行，但回油毛细管两端连通高压侧和低压侧，高低压旁通会造成系统能效下降，所以改善回油毛细管可有效提升机器的能力和能效。但回油毛细管的设计与压缩机的上油率有关，上油率越低，回油毛细管设计的越长(细)。

分别按照2%、3%和4%的压缩机上油率进行回油设计，回油毛细管的规格分别为内径×长度=1.3 mm×2 000 mm、1.4 mm×600 mm、1.7 mm×840 mm，对三种规格回油毛细管进行仿真和实验，结果如图19和图20所示。负荷越大，回油毛细管影响越大，在低负荷时，仿真误差较大；压缩机上油率减小，系统回油精细化设计均可有效提升APF，部分系统可提升5%的APF。

图19 回油毛细管对制冷能效的影响

图20 回油毛细管对制热能效的影响

2.7 小结

将压缩机效率、回油毛细管、室内机、室外机换热器效率和风机效率等因素同时进行改变，仿真出各工况的能力和能效，然后计算APF。各因素对APF的影响权重如图21所示，改善单一要素对APF提升有限，改善回油系统仅提升0.138，压缩机效率提升3%，APF仅提升0.109，但多因素同时改善可有效提升APF，仿真计算所有因素改善后，机组的APF可由4.61升至5.26。通过以上研究结论，对此28 kW多联机的回油系统、系统压损等因素进行了改善，改善后机组的APF提升至4.92，达到多联机最新能效标准GB 21454—2021中一级能效4.8的要求。

图21 各因素占APF的权重

3 结论

1)本文搭建了某28 kW多联机的APF仿真模型，并进行了7个工况的实验和仿真对比，其中单一工况能效最大误差为5.1%，各工况综合作用后，APF仿真误差为0.5%。

2)采用仿真和实验方法对影响APF的各要素进行研究，其中，通过优化室外机风机频率的控制，APF可提升2.7%；风机效率和换热器KA值提升对APF改善程度有限；压缩机效率提升3%对APF增幅2.8%，且50%负荷效率提升对APF影响最大；APF最优制冷剂充注量与50%负荷时的最优制冷剂充注量接近，此充注量处于制冷和制热最优点之间；低压侧压损对APF的影响是高压侧压损的5倍，且同一系列机组中压损对APF的影响为6.3%～12.9%，对影响权重较大的机组应重点改善其压损。

3)从目前业界多联机的设计水平而言，潜力相对较大的APF提升方向为压缩机上油率降低及回油系统精细化、压缩机整体或部分负荷性能提升、系统压损特别是低压压损降低。

4)由于当前多联机的APF已相对较高，单一要素的提升潜力有限，需要考虑多因素同时改善；且由于不同机组设计方案的差异，每个机组的关键提升方向需要具体分析，本文对28 kW多联机的回油系统和系统压损等要素进行了重点改善，APF由4.61提升至4.92。

本文受青岛西海岸新区自主创新重大专项项目(2020-11)资助。(The project was supported by Qingdao West Coast New Area Major Program of Independent Innovation (No.2020-11).)