張 恒 高永坤 孟建軍 董 辰

(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司 青島 266555)

隨著人們對(duì)空調(diào)在建筑中實(shí)際使用情況的了解，空調(diào)的能效評(píng)價(jià)在不斷進(jìn)步和發(fā)展，由于EER(energy efficiency ratio)和COP(coefficient of performance)僅能評(píng)價(jià)產(chǎn)品的單點(diǎn)性能，SEER(seasonal energy efficiency ratio)和IPLV(integrated part-load value)評(píng)價(jià)產(chǎn)品的季節(jié)能效比，所以EER(COP)和SEER(IPLV)不能全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品能效[1]。為更好的反映設(shè)備真實(shí)性能，國(guó)內(nèi)能效標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開(kāi)始向全年能效系數(shù)APF(annual performance factor)切換。

2020年9月，我國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出了“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)，“雙碳”背景下，對(duì)空調(diào)能效提出更高要求，政府和空調(diào)行業(yè)也將采取更加有力的政策和措施提升產(chǎn)品能效。國(guó)家發(fā)改委、工信部等多部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《綠色高效制冷行動(dòng)方案》要求三年內(nèi)空調(diào)的能效提升30%，多聯(lián)機(jī)提升40%；2021年10月國(guó)標(biāo)委發(fā)布了GB 21454—2021《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組能效限定值及能效等級(jí)》[2]，該標(biāo)準(zhǔn)于2022年11月1日開(kāi)始實(shí)施，對(duì)多聯(lián)機(jī)能效要求有了大幅提高，熱泵型多聯(lián)機(jī)的具體能效要求如表1所示，其中一級(jí)能效要求較高，所以亟需多聯(lián)機(jī)APF提升技術(shù)。

表1 多聯(lián)機(jī)APF能效標(biāo)準(zhǔn)[2]

現(xiàn)在關(guān)于多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組APF影響因素的研究較少，肖彪等[3]理論分析了各個(gè)工況點(diǎn)對(duì)多聯(lián)機(jī)APF的影響。戚文瑞等[4]對(duì)家用空調(diào)器的APF算法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，分析各個(gè)工況的能效對(duì)APF的影響比重。秦存淘等[5]分析了換熱器尺寸、流程、風(fēng)系統(tǒng)改善對(duì)APF的影響。張海峰等[6]分析了壓縮機(jī)效率曲線(xiàn)對(duì)APF的影響，并提出根據(jù)全年綜合能效比進(jìn)行壓縮機(jī)選型及設(shè)計(jì)優(yōu)化。王碩淵[7]對(duì)比中國(guó)APF標(biāo)準(zhǔn)與日本APF標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)同一臺(tái)空調(diào)器的APF值，采用日本標(biāo)準(zhǔn)比采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出的更高。Wu Guoming等[8]提出一種快速求解變頻空調(diào)器最大APF的方法，通過(guò)對(duì)常用變頻空調(diào)進(jìn)行APF最大值求解，提升額定制冷、中間制冷能效和提升額定制熱、中間制熱、低溫制熱能力，APF可提升6.37%。

本文采用制冷系統(tǒng)仿真軟件，建立典型樣機(jī)的APF仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試修正模型；對(duì)典型樣機(jī)APF的多個(gè)要素進(jìn)行仿真研究，并對(duì)關(guān)鍵要素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終建立各要素對(duì)多聯(lián)機(jī)APF的影響權(quán)重，為多聯(lián)機(jī)APF提升提供方向和理論基礎(chǔ)。

1 多聯(lián)機(jī)APF仿真準(zhǔn)確性驗(yàn)證

多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)是一種典型的變制冷劑流量直接蒸發(fā)式空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)，具有控制精細(xì)、行為節(jié)能、安裝方便等特點(diǎn)[9]。多聯(lián)機(jī)的系統(tǒng)循環(huán)如圖1所示，系統(tǒng)相對(duì)家用空調(diào)更加復(fù)雜，影響其APF的要素較多，包括：壓縮機(jī)、室內(nèi)/外換熱器、室內(nèi)/外送風(fēng)系統(tǒng)(風(fēng)量、風(fēng)機(jī)效率、電機(jī)效率)、配管(室內(nèi)/外機(jī)組配管、聯(lián)機(jī)配管等)、機(jī)組閥件和增阻部件(四通閥、截止閥等)、氣液分離器、回油系統(tǒng)(壓縮機(jī)上油率、回油旁通)、聯(lián)機(jī)方案和制冷劑充注量等。

圖1 多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)循環(huán)

為獲得多聯(lián)機(jī)的較大APF值，通常采用多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法，而采用系統(tǒng)仿真技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)[10]。在進(jìn)行單一要素研究時(shí)，由于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)非常復(fù)雜，各要素對(duì)APF的影響相互耦合，實(shí)驗(yàn)很難測(cè)試出某些單一要素對(duì)APF的影響，仿真能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足，采用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，相互論證結(jié)論的準(zhǔn)確性。本文采用制冷系統(tǒng)仿真軟件，根據(jù)室內(nèi)外機(jī)和聯(lián)機(jī)方案，分別建立各系統(tǒng)部件模型參數(shù)和循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)和管路進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖2所示，設(shè)置合適的收斂方式，進(jìn)行仿真計(jì)算。按照GB/T18837—2015《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組》[11]的規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，包括：標(biāo)準(zhǔn)額定制冷(100%負(fù)荷)、標(biāo)準(zhǔn)中間制冷(50%負(fù)荷)、標(biāo)準(zhǔn)最小制冷(25%負(fù)荷)、標(biāo)準(zhǔn)額定制熱(100%負(fù)荷)、標(biāo)準(zhǔn)中間制熱(50%負(fù)荷)、標(biāo)準(zhǔn)最小制熱(25%負(fù)荷)和低溫最大制熱。

圖2 仿真模型示意圖

制冷系統(tǒng)仿真軟件只能對(duì)穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行仿真，但低溫最大制熱工況為非穩(wěn)態(tài)工況，所以針對(duì)該工況，采用修正方法。圖3所示為多聯(lián)機(jī)低溫最大制熱運(yùn)行時(shí)一個(gè)完整除霜周期，將除霜周期分為4個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、穩(wěn)定階段、衰減階段和除霜階段。

圖3 低溫制熱周期

各階段能力曲線(xiàn)與以下因素相關(guān)：壓縮機(jī)頻率H、室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速FO、室外機(jī)換熱器傳熱面積AO、室外機(jī)換熱器翅片形式ηO、室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速FI、室內(nèi)換熱器傳熱面積AI、室內(nèi)機(jī)換熱器翅片形式ηI、除霜進(jìn)入條件因素φ、除霜退出條件因素Φ。

1)啟動(dòng)階段為動(dòng)態(tài)過(guò)程，能力與壓縮機(jī)、室外風(fēng)機(jī)、室外節(jié)流裝置、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、室內(nèi)節(jié)流裝置等控制有關(guān)，此外也受AO、ηO、AI和ηI影響，所以啟動(dòng)階段的能力曲線(xiàn)可表示為Q1=f(H，F(xiàn)O，AO，ηO，F(xiàn)I，AI，ηI)。

2)穩(wěn)定階段可認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)過(guò)程，H、FO、FI維持恒定，能力曲線(xiàn)Q2=f(H，F(xiàn)O，AO，ηO，F(xiàn)I，AI，ηI)。

3)衰減階段為動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于室外換熱器結(jié)霜，蒸發(fā)能力下降，機(jī)組能力衰減，直至機(jī)組進(jìn)入除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，所以能力曲線(xiàn)Q3=f(H，F(xiàn)O，AO，ηO，F(xiàn)I，AI，ηI，φ)。

4)除霜階段室外機(jī)風(fēng)機(jī)和室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)停止，壓縮機(jī)進(jìn)入除霜運(yùn)轉(zhuǎn)，化霜過(guò)程與H、AO、ηO、AI、ηI和Φ有關(guān)，所以能力曲線(xiàn)Q4=f(H，AO，ηO，AI，ηI，Φ)。

對(duì)于同一臺(tái)機(jī)器，控制條件固定，則每個(gè)低溫最大制熱的除霜周期相同，即周期能力與最大能力(穩(wěn)定階段)存在比例關(guān)系。統(tǒng)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)機(jī)低溫最大制熱的穩(wěn)定階段能力和周期能力，仿真低溫最大制熱的穩(wěn)定階段能力，利用統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定階段能力與周期能力的比例系數(shù)修正仿真能力，功率計(jì)算與周期能力計(jì)算相同。

采用某開(kāi)發(fā)中28 kW室外機(jī)和4臺(tái)四面嵌入式7.1 kW室內(nèi)機(jī)，聯(lián)機(jī)方案如圖4所示，制冷劑為R410A，充注量為11.1 kg。按照GB/T18837—2015的規(guī)范進(jìn)行APF測(cè)試，實(shí)測(cè)過(guò)程中為保證最大能效，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度控制在0～1 K；不同工況的冷凝器過(guò)冷度控制在最優(yōu)值；低溫最大制熱工況壓縮機(jī)滿(mǎn)頻、室外機(jī)風(fēng)機(jī)控制在最大頻率。建立系統(tǒng)仿真模型，各部件的模型參數(shù)與實(shí)際保持一致，充注量固定為11.1 kg，設(shè)置蒸發(fā)器出口過(guò)熱度為0 K，按照能力收斂，對(duì)APF的7個(gè)工況進(jìn)行仿真。

圖4 聯(lián)機(jī)方案

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2～表4所示，表5所示為各工況仿真與實(shí)驗(yàn)的能效誤差，25%負(fù)荷工況仿真誤差最大，其中標(biāo)準(zhǔn)最小制冷誤差為5.1%，標(biāo)準(zhǔn)最小制熱誤差為-5%，其余工況的誤差均在5%以?xún)?nèi)。各工況綜合作用后，實(shí)測(cè)APF為4.59，仿真APF為4.61，仿真誤差為0.5%。

表2 制冷仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表3 制熱仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表4 低溫制熱仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

表5 仿真與實(shí)驗(yàn)?zāi)苄д`差

2 多聯(lián)機(jī)各要素對(duì)APF的影響

室內(nèi)外機(jī)和聯(lián)機(jī)方案保持不變，仿真和實(shí)驗(yàn)研究風(fēng)系統(tǒng)、充注量、系統(tǒng)壓損和回油系統(tǒng)對(duì)APF的影響；由于實(shí)驗(yàn)難以測(cè)試換熱器換熱能力、壓縮機(jī)效率等因素對(duì)APF的影響，所以采用仿真進(jìn)行研究。

2.1 室外機(jī)風(fēng)系統(tǒng)

室外機(jī)風(fēng)量提升有助提升于室外側(cè)換熱器換熱量，因此，對(duì)整機(jī)能效有一定提升。但隨著風(fēng)機(jī)頻率上升，功率也會(huì)相應(yīng)增大。不同負(fù)荷下，風(fēng)量和功率對(duì)APF的影響程度并不一致，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制冷100%、50%、25%負(fù)荷和標(biāo)準(zhǔn)制熱100%、50%、25%負(fù)荷6個(gè)工況進(jìn)行室外機(jī)風(fēng)系統(tǒng)研究，每一工況選取3個(gè)室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比。低溫制熱工況的能力對(duì)APF貢獻(xiàn)較大，即使在高風(fēng)機(jī)頻率下能效下降，由于其能力提升，APF仍會(huì)提升，所以該工況采用最大風(fēng)機(jī)頻率測(cè)試，不進(jìn)行不同風(fēng)機(jī)頻率的研究[12]。

制冷工況的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5～圖8所示：1)圖6中25%負(fù)荷實(shí)驗(yàn)和仿真的能效隨室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率變化的趨勢(shì)不同，因?yàn)樵陲L(fēng)機(jī)頻率為35 Hz的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，室內(nèi)機(jī)膨脹閥未控制到最優(yōu)點(diǎn)，蒸發(fā)器回液，導(dǎo)致實(shí)測(cè)能效低于風(fēng)機(jī)頻率為40 Hz的實(shí)測(cè)能效，虛線(xiàn)為仿真蒸發(fā)器回液時(shí)的能效，與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)一致，實(shí)線(xiàn)為蒸發(fā)器未回液的仿真結(jié)果，所以推測(cè)25%負(fù)荷的風(fēng)機(jī)最優(yōu)頻率應(yīng)在35 Hz以下；2)仿真和實(shí)測(cè)趨勢(shì)一致，并且仿真的能效略高于實(shí)測(cè)值，最大誤差為7.2%；3)制冷工況條件下，理論上每個(gè)工況都存在最優(yōu)風(fēng)機(jī)頻率；4)由于標(biāo)準(zhǔn)制熱100%和50%負(fù)荷工況室外為7 ℃/6 ℃，壓縮機(jī)頻率高，室外機(jī)存在結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)，所以存在不結(jié)霜的最小風(fēng)量，隨著風(fēng)量增大，能效下降；5)統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)機(jī)頻率下的APF，如表6所示，通過(guò)優(yōu)化室外機(jī)風(fēng)機(jī)的頻率控制，APF性能可提升2.7%。

表6 APF仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖5 標(biāo)準(zhǔn)制冷100%負(fù)荷工況室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率對(duì)能效的影響

圖6 標(biāo)準(zhǔn)制冷50%和25%負(fù)荷工況室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率對(duì)能效的影響

圖7 標(biāo)準(zhǔn)制熱100%負(fù)荷工況室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率對(duì)能效的影響

圖8 標(biāo)準(zhǔn)制熱50%和25%負(fù)荷工況室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率對(duì)能效的影響

根據(jù)前文風(fēng)量對(duì)APF的仿真結(jié)果，分別計(jì)算室外/內(nèi)機(jī)風(fēng)檔效率提升10%和20%的APF，計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。室外機(jī)風(fēng)檔效率提升10%和20%(包括電機(jī)和風(fēng)扇)，APF分別提升1.08%和1.63%；室內(nèi)風(fēng)檔效率提升5%和10%(包括電機(jī)和風(fēng)扇)，APF分別提升0.78%和1.21%。綜上所述，單獨(dú)提升風(fēng)檔效率，APF改善程度有限。

圖9 APF與室外機(jī)風(fēng)機(jī)效率曲線(xiàn)

圖10 APF與室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)效率曲線(xiàn)

2.2 室內(nèi)/外換熱器KA值

室內(nèi)/外換熱器作為系統(tǒng)的四大部件之一，其性能直接影響系統(tǒng)能力和能效[13]。采用KA值表征換熱器性能，其中K為傳熱系數(shù)，A為傳熱面積。通過(guò)仿真研究室內(nèi)/外換熱器KA值分別提升5%和10%對(duì)整機(jī)APF的影響，室外機(jī)風(fēng)量采用前面測(cè)試的最優(yōu)風(fēng)量。表7所示為室外換熱器不同KA值的制冷和制熱能效，KA值提升5%，7個(gè)工況能效提升均在1%以?xún)?nèi)；KA值提升10%，能效提升在2%以?xún)?nèi)。分別計(jì)算KA值提升5%和10%的APF，如表8所示，KA值提升5%，APF僅提升0.5%；KA值提升10%，APF僅提升0.8%；小幅提升室外機(jī)KA值對(duì)APF提升作用很小。

表7 室外換熱器KA值對(duì)能效的影響

表8 室外換熱器KA值對(duì)APF的影響

表9所示為室內(nèi)換熱器KA值提升5%和10%時(shí)的各工況能效值變化，室內(nèi)換熱器KA值提升5%和10%，各工況能效略有提升；分別計(jì)算室內(nèi)換熱器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%。綜上所述，提升室內(nèi)/外機(jī)換熱器KA值對(duì)整機(jī)APF改善程度非常有限。

表9 室內(nèi)換熱器KA值對(duì)能效的影響

表10 室內(nèi)換熱器KA值對(duì)APF的影響

2.3 壓縮機(jī)效率

壓縮機(jī)作為制冷系統(tǒng)的核心部件，其效率對(duì)系統(tǒng)能效的影響至關(guān)重要。通過(guò)仿真研究總體壓縮機(jī)效率提升2%和3%對(duì)整機(jī)APF的影響，以及不同負(fù)荷壓縮機(jī)效率提升2%和3%對(duì)APF的影響，室內(nèi)外機(jī)風(fēng)量采用前面測(cè)試的最優(yōu)風(fēng)量，室內(nèi)外換熱器的KA值保持不變。表11所示為總體壓縮機(jī)效率提升2%和3%對(duì)APF影響，表12所示為不同負(fù)荷壓縮機(jī)效率提升對(duì)APF的影響。

表11 總體壓縮機(jī)效率對(duì)APF的影響

表12 不同負(fù)荷壓縮機(jī)效率對(duì)APF的影響

由表11可知，壓縮機(jī)效率提升對(duì)APF影響顯著，總體壓縮機(jī)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，僅50%負(fù)荷壓縮機(jī)效率提升3%，APF增幅最大，其次是100%負(fù)荷，最后是25%負(fù)荷。因?yàn)榘凑誂PF算法，對(duì)于28 kW的多聯(lián)機(jī)，50%制冷和50%制熱工況對(duì)APF影響占比最大，其次是100%負(fù)荷[14]。所以，為提升整機(jī)APF，壓縮機(jī)改善應(yīng)著重考慮中間負(fù)荷頻率段的效率。

2.4 制冷劑充注量

多聯(lián)機(jī)采用IPLV作為能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)多年，所以系統(tǒng)充注量都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)最大制冷運(yùn)行確定，N. Vjacheslav等[15]研究表明制冷能效隨充注量變化存在最大值，但該充注量可能不是APF的最優(yōu)充注量。為了找出適合APF的最優(yōu)充注量，選取10.0、11.1、12.0 kg三種不同充注量，對(duì)APF規(guī)定的各工況分別進(jìn)行仿真，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除充注量外，其他影響因素保持不變(室內(nèi)外風(fēng)量采用前面測(cè)試的最優(yōu)風(fēng)量，室內(nèi)外換熱器KA值和壓縮機(jī)效率不變)。

圖11和圖12所示為不同充注量下各工況的能效變化。圖12中12 kg充注量的25%負(fù)荷制熱仿真與實(shí)際相差較大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中，測(cè)試中室外機(jī)膨脹閥開(kāi)度未控制在最優(yōu)點(diǎn)，室外換熱器出口過(guò)熱度為3 K，導(dǎo)致排氣過(guò)熱度大，能效低，圖12中虛線(xiàn)和點(diǎn)為仿真蒸發(fā)器過(guò)熱3 K的點(diǎn)，與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)一致，實(shí)線(xiàn)為出口過(guò)熱度為0 K的仿真結(jié)果，所以推測(cè)25%負(fù)荷在12 kg制冷量下能效更高。由圖11和圖12可知，各工況的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在6%以?xún)?nèi)；制冷100%負(fù)荷，10 kg充注量的能效最高，其次為11 kg，制冷50%負(fù)荷和25%負(fù)荷能效隨充注量變化不顯著；制熱100%負(fù)荷和25%負(fù)荷能效隨充注量的增加而增加，但50%負(fù)荷能效隨充注量的增加而減少。

圖11 不同充注量下的制冷能效

圖12 不同充注量下的制熱能效

分別計(jì)算三種不同充注量的APF和標(biāo)準(zhǔn)最大制冷/制熱的能效值，如圖13所示。仿真和實(shí)測(cè)的APF誤差在2%以?xún)?nèi)，且趨勢(shì)一致；存在APF最優(yōu)充注量，由于50%負(fù)荷的權(quán)重占比高，故與50%負(fù)荷時(shí)的最優(yōu)充注量接近；為提升整機(jī)APF，系統(tǒng)的最優(yōu)充注量應(yīng)向APF最優(yōu)靠近，此充注量處于制冷和制熱最優(yōu)點(diǎn)之間。

圖13 不同充注量對(duì)能效的影響

2.5 配管和阻力件(系統(tǒng)壓損)

閥件主要通過(guò)自身的壓力損失影響系統(tǒng)性能，系統(tǒng)閥件可分為高壓閥件和低壓閥件；此外，氣液分離器和聯(lián)機(jī)配管的主氣管也是通過(guò)自身壓損影響系統(tǒng)性能。石文星等[16]通過(guò)研究多聯(lián)機(jī)配管壓損對(duì)機(jī)組能力和能效的影響，提出了經(jīng)濟(jì)型作用域，制冷運(yùn)行時(shí)，管長(zhǎng)每增加10 m，EER下降約2.5%。

對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，更換為阻力更大的四通閥、截止閥、單向閥、聯(lián)機(jī)配管和氣分U管等，共分為3個(gè)規(guī)格，如表13所示，其中規(guī)格一是未改造的實(shí)驗(yàn)機(jī)，規(guī)格二和規(guī)格三的各類(lèi)閥件或管路依次縮小一個(gè)規(guī)格，由于當(dāng)采用9.53 mm的四通閥和單向閥時(shí)，兩部件的壓損急劇增大，所以規(guī)格三的四通閥和單向閥同規(guī)格二相同。

表13 三種規(guī)格的機(jī)器

對(duì)三種規(guī)格的樣機(jī)進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖14和圖15所示。制冷和制熱工況仿真和實(shí)測(cè)能效變化趨勢(shì)一致，仿真結(jié)果準(zhǔn)確；規(guī)格一樣機(jī)各工況能效最高，其次是規(guī)格二，最后是規(guī)格三，即壓損越大，能效越低。根據(jù)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分別計(jì)算三個(gè)規(guī)格樣機(jī)的APF，如圖16所示。仿真與實(shí)測(cè)的趨勢(shì)一致，且誤差在3%以?xún)?nèi)；相比規(guī)格一，規(guī)格二實(shí)測(cè)值下降3.01%，規(guī)格三下降8.2%，仿真值分別下降4.2%和6.92%。

圖14 三種規(guī)格機(jī)器的制冷能效

圖15 三種規(guī)格機(jī)器的制熱能效

圖16 三種規(guī)格機(jī)器的APF

為了更好的體現(xiàn)高低壓側(cè)壓損對(duì)整機(jī)APF的影響，利用系統(tǒng)仿真分別研究高壓側(cè)壓差和低壓側(cè)壓差對(duì)APF的影響。由于APF的7個(gè)工況高低壓側(cè)壓差均不同，高壓側(cè)壓損Δp1取制冷100%負(fù)荷工況壓縮機(jī)排氣至C配管出口的壓損，低壓側(cè)壓損Δp2取制冷100%負(fù)荷工況室內(nèi)機(jī)出口至壓縮機(jī)吸氣口的壓損。研究高壓側(cè)壓損Δp1時(shí)，低壓側(cè)保持不變，通過(guò)改變單向閥的流量系數(shù)(CV)實(shí)現(xiàn)Δp1的變化，共仿真5種不同的CV(7、5、2.5、2、1.5)；研究低壓側(cè)壓損Δp2時(shí)，高壓側(cè)保持不變，通過(guò)改變吸氣管的內(nèi)徑實(shí)現(xiàn)Δp2的變化，共仿真5種不同的內(nèi)徑(23、16、14、12、11 mm)。

根據(jù)仿真結(jié)果，計(jì)算出不同壓損下的APF，如表14所示，Δp2相比Δp1對(duì)APF影響大。根據(jù)表14數(shù)據(jù)分別制作出高壓側(cè)壓損、低壓側(cè)壓損與APF的關(guān)系圖，如圖17和圖18所示，假設(shè)壓損為0時(shí)的APF占比為100%，壓損越大APF占比越小，圖中圓點(diǎn)為不同高低壓壓損對(duì)應(yīng)的APF實(shí)測(cè)值，直線(xiàn)為APF與壓損的關(guān)系擬合線(xiàn)，黑色方框?yàn)槟诚盗挟a(chǎn)品的高低壓側(cè)壓損。同一機(jī)型低壓壓損的影響權(quán)重約為高壓壓損的5倍，降低低壓壓損更為重要；實(shí)驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)壓損已處于較優(yōu)的狀態(tài)，單獨(dú)降低壓損對(duì)提升APF效果不顯著；分析某系列產(chǎn)品的壓損，對(duì)于大容量的機(jī)組，可從改善壓損角度提升APF，最大可提升約6%。

表14 高低壓壓損與APF

圖17 高壓側(cè)壓損對(duì)APF的影響

圖18 低壓側(cè)壓損對(duì)APF的影響

2.6 回油系統(tǒng)

多聯(lián)機(jī)回油系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)、油分離器、回油毛細(xì)管和氣液分離器等部件，其中回油毛細(xì)管將高壓側(cè)的潤(rùn)滑油返回低壓側(cè)，保證壓縮機(jī)正常運(yùn)行，但回油毛細(xì)管兩端連通高壓側(cè)和低壓側(cè)，高低壓旁通會(huì)造成系統(tǒng)能效下降，所以改善回油毛細(xì)管可有效提升機(jī)器的能力和能效。但回油毛細(xì)管的設(shè)計(jì)與壓縮機(jī)的上油率有關(guān)，上油率越低，回油毛細(xì)管設(shè)計(jì)的越長(zhǎng)(細(xì))。

分別按照2%、3%和4%的壓縮機(jī)上油率進(jìn)行回油設(shè)計(jì)，回油毛細(xì)管的規(guī)格分別為內(nèi)徑×長(zhǎng)度=1.3 mm×2 000 mm、1.4 mm×600 mm、1.7 mm×840 mm，對(duì)三種規(guī)格回油毛細(xì)管進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖19和圖20所示。負(fù)荷越大，回油毛細(xì)管影響越大，在低負(fù)荷時(shí)，仿真誤差較大；壓縮機(jī)上油率減小，系統(tǒng)回油精細(xì)化設(shè)計(jì)均可有效提升APF，部分系統(tǒng)可提升5%的APF。

圖19 回油毛細(xì)管對(duì)制冷能效的影響

圖20 回油毛細(xì)管對(duì)制熱能效的影響

2.7 小結(jié)

將壓縮機(jī)效率、回油毛細(xì)管、室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)換熱器效率和風(fēng)機(jī)效率等因素同時(shí)進(jìn)行改變，仿真出各工況的能力和能效，然后計(jì)算APF。各因素對(duì)APF的影響權(quán)重如圖21所示，改善單一要素對(duì)APF提升有限，改善回油系統(tǒng)僅提升0.138，壓縮機(jī)效率提升3%，APF僅提升0.109，但多因素同時(shí)改善可有效提升APF，仿真計(jì)算所有因素改善后，機(jī)組的APF可由4.61升至5.26。通過(guò)以上研究結(jié)論，對(duì)此28 kW多聯(lián)機(jī)的回油系統(tǒng)、系統(tǒng)壓損等因素進(jìn)行了改善，改善后機(jī)組的APF提升至4.92，達(dá)到多聯(lián)機(jī)最新能效標(biāo)準(zhǔn)GB 21454—2021中一級(jí)能效4.8的要求。

圖21 各因素占APF的權(quán)重

3 結(jié)論

1)本文搭建了某28 kW多聯(lián)機(jī)的APF仿真模型，并進(jìn)行了7個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比，其中單一工況能效最大誤差為5.1%，各工況綜合作用后，APF仿真誤差為0.5%。

2)采用仿真和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)影響APF的各要素進(jìn)行研究，其中，通過(guò)優(yōu)化室外機(jī)風(fēng)機(jī)頻率的控制，APF可提升2.7%；風(fēng)機(jī)效率和換熱器KA值提升對(duì)APF改善程度有限；壓縮機(jī)效率提升3%對(duì)APF增幅2.8%，且50%負(fù)荷效率提升對(duì)APF影響最大；APF最優(yōu)制冷劑充注量與50%負(fù)荷時(shí)的最優(yōu)制冷劑充注量接近，此充注量處于制冷和制熱最優(yōu)點(diǎn)之間；低壓側(cè)壓損對(duì)APF的影響是高壓側(cè)壓損的5倍，且同一系列機(jī)組中壓損對(duì)APF的影響為6.3%～12.9%，對(duì)影響權(quán)重較大的機(jī)組應(yīng)重點(diǎn)改善其壓損。

3)從目前業(yè)界多聯(lián)機(jī)的設(shè)計(jì)水平而言，潛力相對(duì)較大的APF提升方向?yàn)閴嚎s機(jī)上油率降低及回油系統(tǒng)精細(xì)化、壓縮機(jī)整體或部分負(fù)荷性能提升、系統(tǒng)壓損特別是低壓壓損降低。

4)由于當(dāng)前多聯(lián)機(jī)的APF已相對(duì)較高，單一要素的提升潛力有限，需要考慮多因素同時(shí)改善；且由于不同機(jī)組設(shè)計(jì)方案的差異，每個(gè)機(jī)組的關(guān)鍵提升方向需要具體分析，本文對(duì)28 kW多聯(lián)機(jī)的回油系統(tǒng)和系統(tǒng)壓損等要素進(jìn)行了重點(diǎn)改善，APF由4.61提升至4.92。

本文受青島西海岸新區(qū)自主創(chuàng)新重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2020-11)資助。(The project was supported by Qingdao West Coast New Area Major Program of Independent Innovation (No.2020-11).)