張龍愛(ài)，谷月明

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

雙級(jí)增焓空氣-水熱泵應(yīng)用于歐洲采暖的節(jié)能性驗(yàn)證分析

張龍愛(ài)，谷月明

( 珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070 )

[摘要]本文對(duì)歐洲不同采暖方式以及部分地區(qū)冬季平均溫度相對(duì)較低的情況，設(shè)計(jì)了變頻雙級(jí)增焓壓縮機(jī)空氣-水熱泵，對(duì)不同采暖供水溫度下的性能進(jìn)行驗(yàn)證分析，并與普通變頻壓縮機(jī)熱泵機(jī)組的性能進(jìn)行對(duì)比分析；結(jié)果表明，采用低溫雙級(jí)增焓壓縮機(jī)的熱泵機(jī)組在相同的性能下能效大幅提升，同時(shí)機(jī)組適用范圍(包括出水溫度以及環(huán)境范圍)也大幅提升；

[關(guān)鍵詞]采暖；雙級(jí)增焓；性能；節(jié)能

收稿日期：2015-2-28；修回日期：2015-4-5

作者簡(jiǎn)介：張龍愛(ài)(1978-)，男，工程師，研究方向：風(fēng)冷熱泵冷熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)。Email：zhanglongai2004@126.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)04-050-05

[中圖分類號(hào)]TQ051.5[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.04.009

Abstract：In view of different heating ways in Europe and the fact that average temperature in some areas in winter is relatively low，air source heat pump with variable-frequency 2-stage enthalpy-adding compressor is designed.Research and analysis is made regarding its performance in various heating ways and the performance comparison with common inverter compressors.Results suggest that: energy efficiency of heat pump units using low-temp 2-stage enthalpy-adding compressor is greatly improved under the same performance and units are applicable to a much wider range (including leaving water temp and operating ambients

Research and Analysis on the Application of 2-stage Enthalpy-

Adding Air to Water Heat Pump in European Heating

ZHANG Longai，GU Yueming

( Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai519070,China )

Key words:Heating；2-stage enthalpy-adding；Performance；Energy-saving

1引言

空氣源熱泵在歐洲國(guó)家應(yīng)用相對(duì)較廣，由于氣候、生活水平和習(xí)慣的因素，歐洲大部分國(guó)家每年有超過(guò)八個(gè)月的時(shí)間需要采暖。在歐洲中部和北部大部分國(guó)家，“制冷”被視為奢侈品，而“制熱”則作為必需品。因此，采暖熱泵在歐洲具有更廣闊的市場(chǎng)前景。

空氣源熱泵作為最有潛力的，環(huán)保節(jié)能的制熱產(chǎn)品，需求近年來(lái)一直在增長(zhǎng)，尤其在CO2減排協(xié)議、常規(guī)能源日漸緊張、生態(tài)環(huán)保的倡議等大環(huán)境的壓力下，從燃油燃?xì)馇袚Q到空氣源熱泵(Air To Water heat pump)產(chǎn)品是其中一種主流趨勢(shì)。目前歐洲正在建立相關(guān)的制熱能效標(biāo)準(zhǔn)，制定能效測(cè)試方法和認(rèn)證系統(tǒng)，并在2015年在制熱產(chǎn)品上推行能源標(biāo)簽政策，屆時(shí)將更有利于終端用戶選擇熱泵產(chǎn)品，加上歐洲經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的趨勢(shì)，熱泵增長(zhǎng)必然迎來(lái)突破性的發(fā)展。

2歐洲采暖標(biāo)準(zhǔn)以及能效要求

目前歐洲采暖按需求分為新建筑新裝需求和老建筑的改造需求，按使用面積的大小又分為普通家庭和集體公寓需求，反映在采暖熱水溫度的需求上面，大致可以分為以下三類：

(1)低溫采暖系統(tǒng)，供水熱水溫度在35℃左右，一般情況下最高水溫不超過(guò)40℃，主要使用于新建的建筑，此類建筑都采用地板采暖方式，并且建筑本身越來(lái)越注重隔熱和保溫，“被動(dòng)式建筑”(Passive House)已經(jīng)在很多歐洲國(guó)家推廣。所謂“被動(dòng)式建筑”(Passive House)，是在上世紀(jì)90年代歐洲發(fā)展起來(lái)的的概念，指利用絕佳的隔熱保溫技術(shù)和通風(fēng)設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)一種不需要空調(diào)主動(dòng)供暖供冷的房屋的目標(biāo)。房屋每平方米每年的暖負(fù)荷小15kWh/m2，同時(shí)對(duì)房屋的蓄熱，熱泄露率都有嚴(yán)格要求。

(2)中溫系統(tǒng)，采暖供水溫度一般在45～55℃，這類產(chǎn)品主要使用于常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管采暖，也是目前國(guó)內(nèi)使用較為普遍的一種方式，對(duì)于間斷性采暖以及采暖時(shí)間不規(guī)則的場(chǎng)合較為合適，新建或是老建筑均有部分使用。

(3)高溫以及超高溫系統(tǒng)，出水溫度一般要求在60℃以上，這類產(chǎn)品主要使用于老建筑的改造工程，此類建筑因建造時(shí)間長(zhǎng)，建筑結(jié)構(gòu)的保溫性能相對(duì)較差，并且大多采用傳統(tǒng)的輻射散流器采暖，為保證采暖效果，正常情況下進(jìn)水溫度需要在70℃附近，最低也需要在60℃以上方能滿足需求，近幾年來(lái)，由于各國(guó)政府都在推進(jìn)節(jié)能減排政策，這種老建筑用能改造越來(lái)越多，對(duì)高溫以及超高溫?zé)岜玫男枨笠苍谥鸩教嵘?/p>

針對(duì)以上需求，歐盟在2013年對(duì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)EN14511進(jìn)行了修正時(shí)，在保留原來(lái)低水溫采暖的基礎(chǔ)上增加了高水溫和超高水溫的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，不同水溫的測(cè)試條件如表1[1]。

表1歐洲空氣源熱泵(Air-to-water heat pump)測(cè)試條件

Table 1Test Conditions for European Air-to-water Heat Pumps

歐盟已經(jīng)設(shè)定了20-20-20的節(jié)能減排目標(biāo)，要求2020年前實(shí)現(xiàn)CO2排放量減少20%，可再生能源利用增加20%，因此部分國(guó)家也相繼的訂立了相關(guān)政策以及補(bǔ)貼，以促進(jìn)此目標(biāo)的完成。如英國(guó)的RHI(Renewable Heat Incentive)計(jì)劃、法國(guó)的RT2012法規(guī)、德國(guó)的EEWarmeG法令等，都是針對(duì)建筑物整體的能效及可再生能源使用要求，類似的針對(duì)整體建筑物的能效要求也會(huì)逐漸成為歐洲的趨勢(shì)。

能效方面，目前歐洲的能效認(rèn)證主要為EUROVENT認(rèn)證，其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為EN14511-2013，其中能效等級(jí)限定標(biāo)準(zhǔn)為：RS 6/C/003-2014，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)每年都會(huì)修訂一次，目前此標(biāo)準(zhǔn)還僅對(duì)低溫和中溫制熱能效進(jìn)行了限定，其前4個(gè)限定等級(jí)如表2[2]。

表2部分Eurovent 能效限定等級(jí)

Table 2Eurovent Energy Limited Levels

能效等級(jí)中溫采暖低溫采暖A≥4.05≥3.2B3.9≤COP<4.053.0≤COP<3.2C3.75≤COP<3.92.8≤COP<3.0D3.6≤COP<3.752.6≤COP<2.8

另外現(xiàn)在歐洲另一個(gè)ECO-Lable認(rèn)證，除了需要滿足以上工況外，還需要考核另一環(huán)境溫度下的能效，其要求如表3。

表3ECO-Lable認(rèn)證新增考核點(diǎn)要求

Table 3Requirements on Added ECO-LableAssessment Items

環(huán)境溫度低溫采暖中溫采暖2℃/1℃≥3.1≥2.6

本文將基于以上標(biāo)準(zhǔn)以及能效要求，對(duì)格力雙級(jí)增焓變頻壓縮機(jī)在以上條件下的性能以及能效進(jìn)行分析。

圖1　復(fù)疊式系統(tǒng)原理圖Figure.1　Working Principle Diagram for the Cascade System

3系統(tǒng)分析

針對(duì)低溫?zé)崴膳到y(tǒng)，目前市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的做法就是采用普通變頻壓縮機(jī)的方式， 但這種常規(guī)方案機(jī)組出水溫度最高能做到55℃，進(jìn)一步提升已經(jīng)非常困難，此時(shí)壓縮機(jī)高壓已經(jīng)非常高，同時(shí)低溫下壓縮機(jī)的吸氣量不足，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮比也嚴(yán)重超標(biāo)(圖3 1-3′過(guò)程)，長(zhǎng)時(shí)間在此工況下運(yùn)行，壓縮機(jī)可靠性和壽命均大幅下降。

要使采暖水溫進(jìn)一步提升至60℃，目前普遍采用的方法有兩種，一種就是復(fù)疊式方法，主要采用R410A和R134A復(fù)疊，這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)就是水溫可以升至70℃以上，但存在兩套系統(tǒng)間熱量多次傳遞，系統(tǒng)和控制都非常的復(fù)雜，效率也相對(duì)較低，特別是中低溫采暖，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示[3，4]。

另外一個(gè)方案就是中間補(bǔ)氣增焓方式，此種準(zhǔn)二級(jí)壓縮方法，低溫制熱時(shí)可以降低壓縮比從而降低壓縮機(jī)排氣溫度，同時(shí)增加壓縮機(jī)吸氣量進(jìn)而減少熱泵機(jī)組在低溫下制熱衰減量，系統(tǒng)原理如圖2，對(duì)應(yīng)的壓焓圖如圖3，中間增焓補(bǔ)氣采用閃蒸器形式，這種方式相對(duì)較為簡(jiǎn)單，技術(shù)也較為成熟；如果壓縮機(jī)本身設(shè)計(jì)突出的話，這可能將是后續(xù)歐洲地區(qū)采暖的市場(chǎng)主流[5]。

本文采用格力高效雙轉(zhuǎn)子兩級(jí)增焓壓縮機(jī)對(duì)以上采暖工況下的性能以及能效比進(jìn)行對(duì)比分析，其中格力雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)特點(diǎn)如下：

圖2　雙級(jí)增焓系統(tǒng)原理圖Figure.2　Working Principle Diagram forEnthalpy-adding System

圖3　雙級(jí)增焓壓焓圖Figure.3　Pressure-enthalpy Diagram for Double-stage the Double-stage Enthalpy-adding System

1)高效、寬溫雙級(jí)壓縮技術(shù)；將高壓力比在高低壓缸中分解，單級(jí)壓比小，較普通單級(jí)壓縮機(jī)泄露量小、容積效率高；

2)采用兩級(jí)壓縮，中間補(bǔ)氣增焓技術(shù)可使壓縮機(jī)在-30℃至54℃環(huán)境溫度下安全高效的運(yùn)行；

3)針對(duì)R410A制冷劑排氣壓力高的特點(diǎn)，采用扁平化氣缸和曲軸小偏心量設(shè)計(jì)，同時(shí)采用高耐磨球磨鑄鐵和可蓄油粉末冶金材料，優(yōu)化泵體供油系統(tǒng)，滑片參數(shù)和平衡系統(tǒng)的方法強(qiáng)化泵體，壓縮機(jī)可滿足R410A系統(tǒng)10年以上壽命可靠性要求；

4)電機(jī)過(guò)負(fù)荷能力強(qiáng)，能滿足在惡劣工況下運(yùn)行的要求，同時(shí)針對(duì)壓縮機(jī)的應(yīng)用范圍，優(yōu)化電機(jī)最佳扭力點(diǎn)，負(fù)荷曲線更加平滑。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證雙級(jí)增焓壓縮機(jī)對(duì)制熱效果的對(duì)比，本文主要研究雙級(jí)高效增焓壓縮機(jī)噴焓和不噴焓兩種情況下制熱量以及能效比的變化情況，同時(shí)也通過(guò)與某品牌定速壓縮機(jī)在相同測(cè)試條件下的能效對(duì)比來(lái)分析其節(jié)能性。

圖4　增焓與不增焓制熱量Figure.4　Heating Capacities under Enthalpy-addingand Enthalpy-holding Conditions

圖5　增焓與不增焓能效比Figure.5　COPs under Enthalpy-adding andEnthalpy-holding Condit

圖4和圖5為機(jī)組在額定外環(huán)境溫度7℃/6℃下，出水溫度從35℃到63℃時(shí)壓縮機(jī)在噴焓和不噴焓的情況下，制熱性能以及能效比的變化情況，由圖3知，在出水溫度為35℃時(shí)，增加中間補(bǔ)氣時(shí)性能提升14%，隨著出水溫度的升高，增焓效果越來(lái)越好，當(dāng)出水溫度升至63℃時(shí)，性能提升已經(jīng)高達(dá)47%，這說(shuō)明此雙級(jí)增焓壓縮機(jī)非常適合于歐洲中高水溫采暖熱泵。

圖4則顯示隨著水溫升高能效比的變化情況，壓縮機(jī)在增焓補(bǔ)氣時(shí)能效比提升非常明顯，在35℃出水溫度時(shí)，能效比提升8.4%，但出水溫度在63℃時(shí)，能效提升至近40%。同時(shí)在標(biāo)稱工況點(diǎn)出水溫度在35℃和45℃時(shí)，其能效遠(yuǎn)超Eurovent A級(jí)能效限定值(見(jiàn)表2)，以上說(shuō)明，格力高效增焓壓縮機(jī)應(yīng)用于歐洲采暖熱泵性能與能效比均有明顯提升，并且隨著水溫的提升而提升的效果愈加明顯。

為了從另一個(gè)角度驗(yàn)證此壓縮機(jī)應(yīng)用于歐洲采暖的優(yōu)勢(shì)，用另一品牌普通變頻壓縮機(jī)在不同制熱量下的能效對(duì)比(分別在相同制熱量下進(jìn)行能效對(duì)比)，結(jié)果如圖5和圖6，其中圖5為環(huán)境溫度為7/6℃時(shí)，出水溫度為35℃時(shí)，制熱能力在12kW，14kW，16kW時(shí)的能效比情況，在低溫?zé)崴膳瘯r(shí)，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)能效提升并不是特別明顯，約為2%～5%，當(dāng)出水溫度升高至45℃時(shí)，能效提升就變得非常明顯，約為5%～8%。

圖7為歐洲ECO-Lable認(rèn)證另一個(gè)工況2℃/1℃工況下不同水溫的能效情況，從測(cè)試情況來(lái)看，標(biāo)稱工況點(diǎn)的能效比也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其限定值(見(jiàn)表3)，同時(shí)雙級(jí)增焓壓縮機(jī)的系統(tǒng)相對(duì)普通變頻壓縮機(jī)能效也同樣提升明顯。

圖6　35℃出水溫度能效比Figure.6　COPs at 35℃ Leaving Water Temperature

圖7　45℃出水溫度能效比Figure.7　COPs at 45℃ Leaving Water Temperature

圖8　2℃/1℃不同水溫的能效比Figure.8　COPs at Difference Water Temperature(2℃/1℃)

5結(jié)論

通過(guò)以上研究驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：

1)雙級(jí)高效增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)，采暖供水水溫可以做到60℃以上，基本覆蓋從低水溫到高水溫的采暖需求；

2)針對(duì)目前歐洲采暖的需求，雙級(jí)增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)在增焓補(bǔ)氣情況下性能以及能效提升明顯，在中高采暖熱水溫度下尤為明顯；

3)高效雙級(jí)增焓壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)，實(shí)測(cè)認(rèn)證工況能效比遠(yuǎn)超Eurovent以及ECO-Label認(rèn)證要求，節(jié)能性非常好,具備全面推廣意義；

4)后續(xù)需進(jìn)一步驗(yàn)證雙級(jí)增焓壓縮機(jī)在采暖期全范圍工況內(nèi)的可靠性，確保機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)6

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