近年來，隨著人們生活水平的日益提高和空調技術的不斷進步，人們對居住和工作環(huán)境舒適性的要求也在不斷的提高。除了夏季制冷需求以外，尤其隨著地暖這種末端形式的制熱方式逐漸普及，一種可以在冬季利用地板采暖的二合一冷水機組也越來越受到市場的親睞。不論是冬天自下而上的熱氣,還是夏天自上而下的涼風,都能在室內形成對流,讓房間的溫度均勻舒適。艾默生公司的心海悅地暖空調一體冷水機組，具有制冷、地暖、暖風、除濕等多種模式，不光在夏季可以為室內風盤提供冷水滿足制冷需求，在冬季更是可以為用戶提供最高55至60度熱水，滿足不同末端設備的需求。關于冷水機組的能效值和能效等級，GB 19577-2015和GB 37480-2019中分別對一般空氣源熱泵冷水機組和低環(huán)境溫度的冷水機組兩類產品進行了限定和劃分。本文將根據這些標準，淺析幾種影響空氣源熱泵能效的因素，尤其對一級能效等級的影響。
1 EVI對系統(tǒng)能效的影響
壓縮機的噴氣（液）增焓自提出以來，已經發(fā)展成制冷行業(yè)里相對成熟的一項技術并得到了普遍應用。EVI（Enhanced vapor injection）最早在渦旋壓縮機中大量使用，近年來由于低溫熱泵的快速發(fā)展，轉子式壓縮機也逐漸引入了該技術。從制冷劑的壓焓圖中可以看到（圖1所示），在制熱模式時，噴氣增焓是利用一級節(jié)流中間冷卻的方式，通過經濟器的使用與主回路的制冷劑液體充分換熱而獲得相應的過冷度，從而增加了系統(tǒng)的制熱量以彌補普通壓縮機在寒冷地區(qū)制熱量不足的缺陷。另一方面，通過向壓縮腔噴入低溫蒸氣或“濕蒸氣”，對壓縮腔的氣體進行冷卻，有效的降低了排氣溫度，使得壓縮機能夠在北方冬天的寒冷季節(jié)可靠的工作1 。
漢默鑫超低溫變頻空氣源熱泵（變頻空調地暖兩聯(lián)供）
1.1 對制熱能效的影響
EVI技術對制熱的影響已經不言而喻，很多空調廠商和學者針對不同的空調產品都有類似的研究和探索。上海交通大學的冉小鵬2等人通過數值仿真并搭建實驗臺對空氣源熱泵系統(tǒng)的補氣特性進行了深入研究,表明帶EVI的空氣源熱泵存在中最佳相對補氣量，可使系統(tǒng)運行最優(yōu)，對應的最佳相對補氣壓力在0.7～0.9之間。
表1是艾默生公司專門在其開發(fā)的12HP心海悅空調地暖一體式冷水機組中研討的EVI對制熱的影響。該系統(tǒng)采用了高效板式換熱器做為系統(tǒng)的經濟器。
從上述數據中得知，相同制熱量條件下EVI 開啟時制熱COP更高，COP較EVI關閉提高約13%~21%，并且隨著環(huán)境溫度降低，EVI開啟和EVI 關閉的COP差值變大。同時，EVI開啟時蒸發(fā)溫度較高，較EVI關閉時高約0.7℃~0.9℃；EVI開啟時冷凝溫度較低，但-2℃制熱工況由于EVI關閉時制熱量低很多，此值不適用對比；EVI開啟時排氣溫度較OFF時低約6.3℃~6.5℃。高蒸發(fā)溫度和低冷凝溫度均有利于提高壓縮機和系統(tǒng)性能，而適當降低排氣溫度有利于提高壓縮機可靠性。需要說明的是，低溫制熱工況中EVI關閉時即使壓縮機運行在很大頻率其制熱量仍達不到EVI開啟時的制熱量，并且繼續(xù)升高壓縮機頻率對制熱量提升貢獻逐步變小，且噪音非常明顯，因此沒有繼續(xù)升高壓縮機頻率。
1.2 對制冷能效的影響
噴氣增焓技術可顯著強化空氣源熱泵系統(tǒng)的低溫制熱性能，但對制冷工況下的性能研究稍顯欠缺2。基于此，艾默生同樣在該機組上測試了制冷工況下的性能變化，如表2所示。
制冷模式EVI開啟時壓縮機通過降頻消耗功率更小，COP較EVI關閉提高約10%~18%，并且隨著環(huán)境溫度升高， EVI對制冷COP貢獻增大。EVI開啟時蒸發(fā)溫度高約0.3℃~0.7℃，冷凝溫度低約0.3℃~0.5℃，排氣溫度低約2.7℃~4.9℃。
2 換熱器中水流向對系統(tǒng)能效的影響
在家用冷水機組中，不可避免的會涉及到水與制冷劑的換熱問題。一般來說，考慮到安裝空間，換熱效率和成本等因素，常用的只有套管式換熱器，板式換熱器等幾種主要形式。其中，板式換熱器以其傳熱效率高，結構緊湊，重量輕，污垢系數低和拆卸更換方便等優(yōu)點，得到了空調行業(yè)的普遍認可并得到了廣泛的應用。影響板式換熱器換熱性能的因素有很多，許多學者也對此進行了專門的研究。張兵4和孫昊5等人研究了冷熱流體的流量的變化和順流逆流對換熱量和換熱效率的影響，結果顯示換熱系數隨著流體流量的增加而增加，其中熱流體的流量變化影響更大。而且逆流的換熱效果高于順流。
但以上研究結果僅對板式換熱器自身而言，且研究的對象工質均為純液態(tài)工質。對于這空氣源熱泵系統(tǒng)中的板式換熱器而言，冷媒側通常伴隨著工質的兩到三種狀態(tài)變化（過冷態(tài)，兩相態(tài)和過熱態(tài)），內部的流動和換熱是極其復雜和多變的，且會受到其他系統(tǒng)匹配和優(yōu)化的影響，如制冷劑充注量多少和配套的儲液器容積大小等。在此基礎上，艾默生在其心海悅空調地暖8HP一體機組上對板式換熱器的順流及逆流做了綜合性測試，研究了其對性能的影響。
圖2和圖3分別為機組中板換順流和逆流兩種情況下對制冷IPLV6（名義制冷量22.0KW）和制熱IPLV7（名義制熱量15.9KW）各個測試點COP的影響曲線：
圖中可以看出，同等水流量的情況下，對制冷來說，流向的影響差異在每個工況點之間并不明顯。具體差異值逆流比順流平均高約3.9%，最高為5.5%。而對制熱來說，平均差異值較制冷工況要小，平均約2.1%，最高為3.4%，且負荷比越小，差異越小。除此之外，測試中還發(fā)現，逆流對于降低制熱工況的冷凝壓力和提高制冷工況的蒸發(fā)壓力都有一定的幫助。如之前所提到的，流向的差異大小受影響的因素還有很多，如機組結構形式（分體式/一體式）等。
當然，盡管逆流有一定的優(yōu)勢，但對于同一臺機組，由于水流方向不可改變，制冷或制熱只可取一種模式作為逆流。對于這兩種板換安裝方案，該機組也做出了下列綜合對比（表3）：
顯而易見，根據兩個能效標準，心海悅8HP空調地暖冷水機組的性能表現都滿足了一等級的要求。其中方案一對制熱模式更有利，IPLV超出一等級限值3.8%。而方案二的制冷能效表現更好，IPLV超出一等級限值14.7%。所以，單從能效方面來看，考慮到設計余量，方案一是比較合適的選擇。
但在實際的產品開發(fā)中，除了需要依據具體的產品銷售地區(qū)，能效標準來選擇設計方案外，結構設計、成本控制以及可靠性都是需要綜合考慮的因素。
4 結論
本文結合艾默生公司的心海悅空調地暖一體機產品的測試結果，闡述了影響冷水機組能效的兩個主要因素：EVI的使用和板式換熱器流向。
1)相同制冷量條件下，EVI可使COP提高約10%~18%，并且隨著環(huán)境溫度升高，EVI對性能和噪聲優(yōu)化的貢獻增大。
2)相同制熱量條件下，EVI可使COP提高約13%~21%，并且隨著環(huán)境溫度降低，EVI對性能和噪聲優(yōu)化的貢獻增大。
3)對一體機來說，逆流相對順流對于制冷模式的能效影響較制熱模式要大約1.8%，且高負荷比情況下較低負荷比影響更大。
4)對于板換流向的選擇，需要參考所依據的產品標準和能效標準，綜合評估后進行設計。
參考文獻
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7 GB/T 25127.2-2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機組第2部分：戶用及類似用途的熱泵（冷水）機組S
文章來源：原創(chuàng) 黃曉東 等 熱泵在線 2020-10-20
文章原標題：熱泵冷熱雙一級能效產品的開發(fā)
