多联机APF的提升方法研究.pdf

20 2023中国家电科技年会论文集0 引言随着我国社会的快速发展，居民对高品质生活的追求也逐步增加，在炎热的夏天安装空调已经逐渐成为民众的共识。按照中国家用电器协会测算，截至2021年国内空调社会保有量为5.4亿台；仅2022年国内空调市场的出货总量就有8315万套。如此规模的空调保有量，其运行所耗电量是十分惊人的；国际能源机构预测，全球新增的用电需求中，空调用电需求量将仅次于工业用电需求量1；因此需要提高空调机组的能效比以达到节能的目的。国内多联式空调（热泵）机组的能效评定主要经历了IPLV和APF两个阶段。其中采用IPLV方法计算时，由于其所选用的工况点较少，无法充分考虑机组在实际环境的运行情况，因此无法对空调机组进行较为全面的评价2。而采用APF进行计算时，其以南京为代表城市，将全年不同温度下所运行的时间考虑了进去，将空调机组全年累计负荷和全年累计耗电量结合起来，其更能体现机组的真实运行状况。在“碳达峰”和“碳中和”的背景下，新版APF标准3已于2022年11月01日正式实施，该标准大幅提高了APF的最低限值，有助于倒逼空调生产企业研发新的技术以提升机器的APF，进而达到节能的目的。因此，如何提升APF值成为各空调相关企业亟需解决的问题之一。作者简介：顾超，本科学历。研究方向：商用空调系统性能提升，智慧大数据、减碳等。地址：青岛市崂山区海尔路1号海尔信息产业园A10。通讯作者：孟庆良。E-mail：。多联机APF的提升方法研究顾超 毛守博 倪双全 何建奇 孟庆良 青岛海尔空调电子有限公司 山东青岛 266001摘 要：针对2021年国标委发布的GB 214542021 多联式空调（热泵）机组能效限定值及能效等级，研究多联机APF的影响因素及提升方法；采用某16 HP顶出风多联机，测试验证回油毛细管尺寸、室外换热器流路以及低温制热除霜周期时长对APF的影响，结果表明，优化室外换热器流路、回油毛细管尺寸以及低温制热除霜时长有利于提升APF，其升幅比例依次为8.41%、3.29%和1.68%；其中优化室外热交流路和回油毛细管尺寸是通过提升中间工况的能效提升APF，优化低温制热除霜周期时长是提升循环制热量，提升整机APF。关键词：APF；回油毛细管；换热器流路；低温制热时长Research on methods for improving APF of VRFGU Chao MAO Shoubo NI Shuangquan HE Jianqi MENG QingliangQingdao Haier Air Conditioning Electronics Co.,Ltd.Qingdao 266001Abstract:Raises the minimum limit value of APF in accordance with GB 214542021 Energy Efficiency Limits and Energy Efficiency Grades for Multi connected Air Conditioning(Heat Pump)Units released by the National Standards Commission in 2021.Further research is needed on the influencing factors of multi connected APF and the methods for improving APF;Using a certain 16HP top-outlet air multi line,experimental tests were conducted to verify the impact of the size of the return oil capillary,the flow path of the outdoor heat exchanger,and the cycle time of low-temperature heating and defrosting on the APF.The experimental results showed that optimizing the flow path of the outdoor heat exchanger,the size of the return oil capillary,and the cycle time of low-temperature heating and defrosting is beneficial for improving the APF,with an increase ratio of 8.41%,3.29%,and 1.68%,respectively;The main purpose of optimizing the size of the outdoor thermal exchange circuit and return oil capillary is to improve the energy efficiency ratio of the intermediate working conditions to achieve the goal of improving APF,while the main purpose of optimizing the cycle time of low-temperature heating and defrosting is to increase its circulating heat capacity and improve the overall APF.Keywords:APF;Return oil capillary;Heat exchanger flow path;Low temperature heating duration中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.005 212023中国家电科技年会论文集当前已有不少学者对如何提升APF值进行了研究。李皖皖1对APF公式进行编程计算，并理论分析得出中间制热工况对APF影响最大。沈佳敏4对APF公式进行显性化推导，其计算表明中间制冷工况影响最大。肖彪5在已有测试数据的基础上，以控制变量的方法对必测的七个工况进行研究，其中独立影响因素中影响较大的前两位分别是中间制冷和中间制热，而非独立影响因素中低温制热的能力对APF的影响程度要高于其能效。张恒6采用试验与仿真相结合的方式对影响APF的要素进行分析，其仿真分析了压缩机效率、回油毛细管、室内外机换热效率等因素，结果表明改善单一因素对结果影响有限，需综合考虑多因素的影响，其中各因素中中间工况能效影响最大。欧硕文7和陈君8鉴于中间工况对APF提升影响最大，分别提出了基于提升中间工况能效比的换热器流路，测试结果表明提升效果显著。本文在前人研究基础上，通过优化室外换热器流路以期达到兼顾制冷量和制热量的效果，同时根据机组实际情况优化运行时间，尽量提升低温制热的能力；另外，通过优化回油毛细管尺寸，在满足机组运行可靠性的前提下尽量提升各工况的能力能效。本文将硬件优化和测试手段优化两者相结合，在提升APF的同时也希望能给后来者提供一点借鉴。1 系统循环图及联机方案本文选用处于开发阶段的顶出风16 HP机组作为试验研究对象，图1为机组的系统循环图。按照国标要求选用6台内机进行联机试验，其中3台71型风管机和3台80型风管机，机组选用补气增焓压缩机。2 机组各部件对APF的影响2.1 回油毛细管的影响 压缩机是空调系统重要的四大部件之一，由于其更换成本过高，一旦在用户家出现压缩机故障且需要更换的情况，就会变相增加用户的空调使用成本，也会因产品质量问题对品牌影响力造成一定影响。而影响压缩机可靠性最重要的因素是回油系统，除过保证油分离器的分离效率以外，还需确保回油毛细管的尺寸规格能够使润滑油及时返回到油池并保持合适的液位；但是由于回油毛细管的存在，相当于在空调系统中添加了高低压旁通回路，致使机组的能力和能效均有所下降，这与倡导的节能和高能效不相符。因此，需要在保证回油效率的同时，兼顾机组的能力和能效。本文选用了两种不同规格的回油毛细管尺寸，在机组通过润滑油回油效率测试的前提下，试验对比APF不同工况下的能力和能效；其中由于名义制冷、低温中间制冷、低温最小制冷、名义制热、名义中间制热和名义最小制热的能效比对APF的影响较大5，因此主要对比分析上述六个工况的能效比；其中低温中间制冷和低温最小制冷为选测工况，本机组经过实测发现实测值比计算值更有利于提升APF，这一点与部分学者研究结果相同9,10。图2为上述六个工况在两种回油毛细管规格下的能力和能效对比。从图中可看出2#回油毛细管整体比1#回油毛细管的能效比要好，其中主要的原因是2#尺寸规格小于1#，其对应的流动阻力损失更大一些，因此回油毛细管造成的高低压旁通对机组能力和能效比的影响减小；更换尺寸规格更小的2#毛细管以后，机组的能力会比更换之前要高，再结合上述工况能效比越高对APF越有利的测试原则，在满足国标对实测能力的要求下，可适当降低压缩机频率，以尽量提升能效比。另外，从图中还可看出中间制冷和中间制热的能效比提升较高（5.06%和5.22%），名义制冷和名义制热较低（2.52%和2.26%）。分析原因如下，对于名义制冷和名义制热来说，压缩机处于高频运转状态，更换为压损较大的2#回油毛细管时，机组功耗会因压力比的增大而增加，但因高低压旁通效果减弱又会引起能力的提升，当能力提升比例大于功耗增加比例图1 系统循环图图2 两种毛细管规格下不同工况能力能效对比22 2023中国家电科技年会论文集时，机组能效比便会增加，但压力比比较大时其压机的等熵效率会变低，这也是名义制冷和名义制热两个高频工况能效比有所提升但增加不大的原因之一。相似的，中低频工况也可用上述原因进行分析。需要注意的是，除过制热工况外，所有制冷工况均有相应的关联工况，当机组能力因优化回油毛细管而升高，进而降低频率以提升能效时，需按照最新的频率再次运行其关联工况，以确保能力达到国标要求。经过优化回油毛细管规格尺寸，可有效提升各工况参数的能效比，APF由4.26提升至4.40，升幅比例为3.29%。2.2 室外换热器流路的影响 换热器散热能力的优劣直接影响空调系统的性能，其受管间距和排列方式、翅片类型和间距以及流路设计等方面的影响，其中前四个参数为最基础的换热器参数，经前期试验验证定型后就会制作模具并批量生产，轻易不会变动，而流路711是最容易更改且对换热器能力产生重要影响的关键因素，因此需要根据试验结果对流路进行优化设计。本次所涉及的新开发的16 HP顶出风室外机，其初版流路方案各工况的运行参数如表1所示，由于名义最小制冷和低温制冷对APF影响较小，其主要作为低温最小制冷和名义制冷的关联工况，因此本文咱不讨论上述两个工况的影响。从表1可看出对于制冷工况，其室外热交出口过冷度范围在1.778.67，由于出口过冷度较小，致使单位质量流量下的进出口焓差较低，并且高低压比（压力比）较大致使机组功耗较高，进而使各工况的能效比降低。为解决上述问题，优化版的流路采用我司提出的可变分流技术；制冷运行时，由于高压气态制冷剂流速较液态制冷剂快，其产生的压降也会较大，因此气态制冷剂在进入换热器时采用比初版流路方案更多的通路，制冷剂流速会随初始流通面积增加而减小，进而起到减小压降的效果；随着气态制冷剂冷凝成液态，制冷剂流速会逐渐降低，此时需通过减少流通面积来使流速增加，优化后的流路将两根管合并成一路，并增加过冷段；如此，液态制冷剂流量也会比初版流路流速快，其制冷剂与铜管壁始终保持较高的换热系数，有助于制冷剂高过冷度的形成，进而起到提升能力的效果。制冷运行时，通过单向阀和单向电磁阀的共同作用，其上下换热器为串联连接，下换热器充当过冷段，而制热运行时，上下换热器为并联连接，两电子膨胀阀独立调控制冷剂流量，相比单电子膨胀阀，其调试更精确，并且由于减少了分液器的孔数，其分液器成本大大降低；同时对于制热时的制冷剂来说，由于进入蒸发器时为气液两相态制冷剂，其流速相对较低，因此需减少流路以提升流速，等到制冷剂在管路后程由两相态变成气态时，其流速增加，由于低压侧制冷剂对压降十分敏感，为避免过大压降造成的热力损失，需在流路后半程将管路一分为二，从而降低高干度区制冷剂的流速。图3为优化前后流路，图4和图5为初版流路和优化后流路各工况参数对比图，从图中可看出，流路优化后的室外换热器过冷度比初版要高3.108.11，这进一步增加了单位质量流量的比焓差。制热稳态运行时的Ps涨幅在0.22 bar0.55 bar，一方面可有效避免名义制热运行时结霜，另一方面是Pd会随Ps增大，进一步扩大冷凝器中制冷剂与空气之间的传热温差，但压力比反而会减小，进而降低功耗。采用新版流路方案后制冷和制热所有工况的能效比均有所提升，其中制冷EER升幅范围在2.90%7.56%，制热COP升幅为1.60%12.61%。其中对APF影响较大的中间工况能效升幅范围在7.00%12.61%，其升幅比例是十分可观的。综上所述，采用可变分流技术并优化流路，APF由4.40增加至4.77，涨幅比例为8.41%。2.3 低温制热的影响按照目前APF的计算公式，低温制热的换热量对APF的影响远高于功率的影响5，且该工况并未有其他关联工况，因此通过该工况提升APF的着重点是提升其制热量。由于低温制热的室外侧为低温高湿工况，因此机组运行时通常图3 室外换热器优化前与优化后对比表1 初版流路方案下不同工况的运行参数流路工况频率（Hz）能力（kW）能效比（W/W）高低压（bar(g)）热交出口过冷度（）初版流路名义制冷9842.8532.88330.5/9.238.67名义中间制冷4021.7564.86328.34/12.634.79低温中间制冷4023.8206.22624.9/12.34.15低温最小制冷2414.6026.94322.8/12.81.77名义制热11047.7663.55220.1/5.97/名义中间制热5424.2385.17416.45/6.88/名义最小制热2912.5365.34415.37/7.16/低温制热12035.9052.39617.65/4.84/232023中国家电科技年会论文集会出现结霜-融霜的过程，根据GB/T 18837201512中的规定，该运行状态为非稳态制热。按照该国标的取数标准，三小时的数据采集阶段分为未发生和发生除霜循环两种模式。由于换热器成本较高，各个企业均存在降成本的压力，在机组满足舒适性和可靠性的基础上会尽量降低换热器的成本，因此数据采集阶段的三小时内通常存在结霜-融霜的过程，故本文仅讨论数据采集阶段发生除霜循环的情况。该阶段发生13次完整除霜循环的时长范围如表2所示。表中的除霜周期已考虑预处理阶段（10 min）和平衡阶段（60 min）所需的时间。当运行过程含有除霜循环时，其制热量大小由制热运行时的能力、时长以及除霜时长共同决定。图6为制热时长和除霜时长优化之前的运行情况，由于平均除霜周期为68.3 min，故数据采集阶段为两个完整除霜周期。从图中可知，第三四除霜周期中制热量低于平均制热量的时长占比分别为41.01%和37.11%，由于该段时间占比较长，其拉低了整个除霜周期的平均制热量。并且优化前的平均制热量Qavg=ext,f(2)=34.037 kW，小于0.7781ful(7)=36.960 kW。根据APF计算中有关低温制热能力的规定12，当ext,f(2)，小于0.7781ful(7)时，两者之间的差值由电辅热进行补充，由于电辅热的热效率低于1，采用该种方法计算出的APF较低，因此需尽量提高低温制热的平均制热量。在机组硬件已定的情况下，需尽量提升制热运行时的能力，并减小除霜时间占整个除霜循环时长的比例。图7为优化制热运行时长和除霜时间以后的机组运行情况。优化后的平均除霜周期为45 min，在数据采集阶段含有三个完整除霜周期，上述三个除霜周期中的制热量低于平均制热量的时长占比分别为26.44%、21.43%和21.03%，该占比明显低于优化之前；同时平均除霜时间也由优化前的4 min 30 s减少至3 min 43 s。经过优化制热运行图4 流路优化前后对比-制冷图5 流路优化前后对比-制热图6 优化前不同除霜周期（同时间尺度）的运行曲线图7 优化后不同除霜周期（同时间尺度）的运行曲线表2 不同除霜次数所对应的除霜周期范围数据采集阶段除霜次数除霜周期（min）整个运行过程除霜次数183.33t1252250t83.3334341.67t50524 2023中国家电科技年会论文集时间和除霜时长，取数阶段的平均制热量由之前的34.037 kW提升至36.975 kW，升幅比例达8.63%，并且由于优化后的平均制热量高于0.7781ful(7)，避免了计算APF时采用电辅热来填补差值，有效提升了APF，其APF值由4.77升至4.85，增幅比例为1.68%。如图8所示，经上述三种方法的优化，其APF由初版的4.26提升至4.85(Wh)/(Wh)，其APF由二级能效升至一级能效。图8 不同优化方法下的APF值3 结论本文在新开发顶出风室外机的基础上，通过优化系统部件（回油毛细管和换热器流路）以及低温制热的除霜循环时长，将APF由4.26提升至4.85(Wh)/(Wh)，综合涨幅为12.91%，使空调机组由初版的二级能效升至一级能效。其中优化回油毛细管、优化换热器流路以及优化低温制热除霜循环时长所带来的增幅分别为3.29%、8.41%和1.68%。其中优化室外换热器流路对提升APF最有效，主要原因是提升了对APF影响较大的中间工况的能效比。而对于低温制热，单纯通过优化制热运行时长和除霜时长便可使APF提升1.68%，这也是需要关注的重点。参考文献1 李皖皖,王飞,王海霞,等.变频空调器全年能效系数APF提升的理论研究J.低温与超导,2020,48(06):66-71.2 赵德印.多联式空调（热泵）机组APF能效标准分析J.制冷与空调,2017,17(10):1-7.3 GB 214542021多联式空调（热泵）机组能效限定值及能效等级S.北京:中国标准出版社,2021.4 沈佳敏.变频空调器提升APF的快速匹配算法及动态特性预测D.上海:上海交通大学,2019.5 肖彪,何林,舒宏,等.多联式空调机组APF影响因素的研究J.流体机械,2017,45(06):83-86.6 张恒,高永坤,孟建军,等.影响多联机APF的关键要素研究J.制冷学报,2022,43(04):103-112.7 欧硕文,尔驰玛.基于日本APF评价方法的一种偏向于中间能效的蒸发器流路研究J.家电科技,2022(03):58-62.8 陈君.变频空调器全年能源消耗效率APF提升研究J.制冷与空调,2021,21(12):14-16+22.9 张云,谢培钦,陈孚江,等.R32热泵型变频空调性能与能效的试验研究J.流体机械,2021,49(08):15-20.10 吴阿明,张伟,姚亮,等.热泵型房间空调器性能试验分析J.制冷与空调,2022,22(02):91-93+99.11 张立智,杨晓,刘丙磊,等.提升热泵型变频空调器APF技术途径的试验研究J.制冷与空调,2017,17(08):72-77.12 GB/T 188372015多联式空调（热泵）机组S.北京:中国标准出版社,2016.