關(guān)于超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)的研究

上海日立電器有限公司 李愛國 樂紅勝 米廷燦

將來的城市是熱泵之城？歐洲熱泵協(xié)會EHPA以熱泵諸如低能耗高能效、可靠成熟的技術(shù)、屬于可再生能源、無排放污染、使得“廢熱”可用、符合歐洲節(jié)能和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)等幾大優(yōu)點，預(yù)言將來的城市是熱泵之城。中國《家用和類似用途熱泵熱水器》、《家用和類似用途CO2制冷劑熱泵熱水器用全封閉型電動機(jī)-壓縮機(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺，中國熱泵聯(lián)盟也呼吁以將熱泵納入可再生能源。

為什么熱泵如此受到專家們的追捧呢？熱泵產(chǎn)生熱能的75%來自水、陸、空這些人類日常環(huán)境中，而一般來講這些不過都是不可用的“廢熱”。由熱力學(xué)知識可知，當(dāng)溫度等于環(huán)境溫度時，物質(zhì)熱能中可做功的部分即等于零，成為“廢熱”。熱泵的原理是通過冷媒介質(zhì)吸收環(huán)境中的熱量，經(jīng)過壓縮升溫，施放到所需加熱的介質(zhì)中去，使得“廢熱”可用。當(dāng)這些熱量用過后還將耗散到環(huán)境中，可以再被熱泵吸收。這就是熱泵被稱為可再生能源的原因，而所消耗的能量僅僅是人們得到熱量的25%。

1 超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)開發(fā)背景

1.1 節(jié)能減排壓力

國務(wù)院常務(wù)會議通過的《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》提出，到2015年實現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年下降17%的目標(biāo)。

根據(jù)主流科學(xué)家的觀點，溫室氣體主要就是二氧化碳的排放會讓我們的賴以生存的地球正在變得越來越溫暖，冰川融化、南北極的悄然消失，我們親身感受到酷暑、嚴(yán)寒、洪水、干旱帶來的種種威脅。而中國不僅是世界上能源消耗的大國，也是溫室氣體排放的大國，正是因為如此，中國提出了二氧化碳減排的目標(biāo)，這也是第一次把溫室氣體的排放寫入我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃。

新《方案》要求十二五期間我國將探索建立碳排放交易市場，即不同的企業(yè)都有自己碳排放的配額，有的企業(yè)超額排放，有的企業(yè)指標(biāo)卻用不完，這樣前者就可以向后者購買它用不完的指標(biāo)?？梢妼砉?jié)能減排的壓力會傳遞給各個企業(yè)，通過碳交易來推動和促進(jìn)可再生能源產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展。

1.2 熱泵熱水器的節(jié)能優(yōu)勢

相較傳統(tǒng)的電、燃?xì)?、太陽能熱水器，熱泵熱水器更為?jié)能，這一點在很多文章上均有介紹。本文想要強(qiáng)調(diào)的是，熱泵與空調(diào)雖然均采用逆卡諾循環(huán)原理，但兩者的實際運行狀態(tài)并不同。主要不同點在于，實際運行中熱泵是一個變工況的過程，其冷凝溫度隨水溫從低到高持續(xù)攀升，其蒸發(fā)溫度隨一年四季環(huán)境溫度不同跟著急劇改變。

需要強(qiáng)調(diào)的是，空調(diào)用壓縮機(jī)不能直接應(yīng)用于熱泵領(lǐng)域，熱泵熱水器實際使用時的嚴(yán)酷工況已經(jīng)超出了現(xiàn)有空調(diào)壓縮機(jī)的可靠性保證范圍。已有不少采用空調(diào)壓縮機(jī)的熱泵熱水器返回品中出現(xiàn)泵體異常磨耗，電機(jī)燒毀等情況。

1.3 熱泵的國家能效標(biāo)準(zhǔn)即將頒布

在已經(jīng)發(fā)布的《家用和類似用途熱泵熱水器》基礎(chǔ)上，國家即將推出熱泵熱水器能效標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)初步討論，熱泵熱水器能效標(biāo)準(zhǔn)將以《家用和類似用途熱泵熱水器》中規(guī)定的能效為入門能效，以0.2為一個等級，共計五個等級。據(jù)悉，除了熱泵熱水器國標(biāo)規(guī)定測試工況能效等級提升外，還可能引入季節(jié)能效比概念。

關(guān)于熱泵的季節(jié)能效比SPF介紹如下：

季節(jié)能效計算是為了在一定的時間跨度內(nèi)（通常是一年），在不斷變化的運行條件下，評估耗能系統(tǒng)基于時間的性能。該計算方法的輸入數(shù)據(jù)通常是穩(wěn)態(tài)值，這在一個特定的運行條件下或運行條件在一定的范圍內(nèi)有效。通過全年運行工況的累積測試，可計算各工況的瞬時效率；而根據(jù)整個時間跨度內(nèi)的各個瞬時值的權(quán)重計算，可最終綜合得出其性能。

一般采用多個典型工況點進(jìn)行測試，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驙顟B(tài)分布圖賦予各典型工況點不同的權(quán)重，然后計算綜合能效SPF。比如我們可以以熱泵熱水器國標(biāo)中的低溫運行工況、最小運行工況、名義工況、最大運行工況等四個工況點為典型工況點，在當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度分布圖中得出相應(yīng)系數(shù)。然后以加權(quán)方式計算綜合能效SPF。

計算綜合能效時，要注意采用輔助電加熱或其他加熱方式時，需要考慮其對整個季節(jié)能效比SPF的影響。表1舉例說明了當(dāng)國標(biāo)名義工況下COP為4.1時，無輔助電加熱系統(tǒng)的SPF可能是2.8，而有輔助電加熱系統(tǒng)的SPF只有2.11(假設(shè)水溫50℃以上使用電加熱)。

這樣熱泵系統(tǒng)的能效比只有2.8，是否與太陽能不相上下呢？實際上，太陽能的季節(jié)能效比計算要考慮光照強(qiáng)度在一年中的實際分布曲線，而不單指單一的名義工況點。就陰雨天和冬季的光照強(qiáng)度這兩點來看，如果太陽能納入季節(jié)能效比計算，預(yù)計其季節(jié)能效比SPF會低于1.8。

表1 國標(biāo)名義工況下COP與含輔助電加熱的SPF值對比

2 超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)開發(fā)

2.1 超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)設(shè)計理念

1）全新結(jié)構(gòu)設(shè)計

超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)根據(jù)高負(fù)荷、高壓比兩大極端惡劣工況以及全年的高壓運行特點，在保證高負(fù)荷、高壓比下壓縮機(jī)可靠性的前提下，吸收最新高能效的技術(shù)模塊，進(jìn)行全新的泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配。

2）全工況性能的提升

空調(diào)主要用來夏季制冷，其冷凝溫度、蒸發(fā)溫度相對固定。當(dāng)然空調(diào)也可以制熱運行，事實上當(dāng)空調(diào)制熱時它就變成熱泵了?？照{(diào)性能現(xiàn)在一般僅以單一進(jìn)行計算，對比優(yōu)劣。所以，空調(diào)提高性能主要提高這一工況下的性能，而熱泵需要提高全工況的性能。

3）高可靠性考核試驗

超過4800h的長期高負(fù)荷和高壓比的加速壽命試驗，以及400臺壓縮機(jī)以上的多工況考核，確保熱泵熱水器專用壓縮機(jī)的可靠性，充分滿足熱泵熱水器在使用壽命及穩(wěn)定性上的要求。

2.2 超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

1）全新零部件

超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)WHP1900BUV-H6AU與原機(jī)種WHP1900BSV-H6AU相比，機(jī)種名稱雖然只差一個字母，制熱量相同，但卻幾乎沒有幾件相同部件(僅底角、儲液器這兩個熱泵系統(tǒng)所用的安裝部件相同)。以上軸承、氣缸為例，原機(jī)種采用的不帶端環(huán)的粉末冶金上軸承和圓形鑄鐵氣缸，超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)WHP1900BUV-H6AU采用的是帶端環(huán)的鑄鐵上軸承和球拍型粉末冶金氣缸。上軸承的設(shè)計一方面適應(yīng)了高效電機(jī)疊高對軸承強(qiáng)度的要求，另一方面在排氣結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化，提高了容積效率和指示效率。氣缸的設(shè)計一方面優(yōu)化了排氣DV孔，另一方面也消除了氣缸焊接對氣缸變形的影響，從而提高了機(jī)械效率和指示效率（參見圖1、圖2、圖3）。從試驗結(jié)果中可以看出，在經(jīng)過零部件的改善后，機(jī)械效率、指示效率和容積效率提高了2%～3%。

圖1 上軸承變更前后3D圖

圖2 氣缸變更前后3D圖

圖3 優(yōu)化后氣缸DV孔速度矢量(StarCD軟件)

2）全新電機(jī)性能設(shè)計

與原機(jī)型相比，WHP1900BUV-H6AU效率曲線除了整體提高3%～4%外，曲線更平坦（參見圖4），提高了冬季和加熱各過渡工況的運行效率，從而最大化提高熱泵機(jī)種的季節(jié)能效比，讓用戶在一年四季的使用中真真切切體會到整體效率的大幅度提升。

圖4 超高效機(jī)種與原機(jī)種效率曲線對比圖

3）全新焊接工藝設(shè)計

原機(jī)種為氣缸焊接品，在電機(jī)提高效率的同時電機(jī)疊高也增加了，電機(jī)疊高的增加提高了電機(jī)對軸承強(qiáng)度的要求。通過CAE軟件ANYSYS進(jìn)行軸承受力及變形分析，可以看出，采用新型軸承和氣缸、焊接位置從氣缸轉(zhuǎn)移到上軸承后，轉(zhuǎn)子的受力變形降低到容許范圍內(nèi)。焊接位置變更后，殼體打孔位置、焊接設(shè)備的參數(shù)均需要做相應(yīng)的調(diào)整。

通過以上新技術(shù)新工藝等最新研發(fā)模塊的加入，超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)WHP1900BUVH6AU的綜合能效相比原機(jī)種提高了5%～7%，達(dá)到甚至超過了國家熱泵熱水器能效標(biāo)準(zhǔn)的最高級指標(biāo)，為熱泵熱水器廠家的能級提升給與了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

3 超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)開發(fā)總結(jié)

產(chǎn)品的高效化一直是我們追求的目標(biāo)，隨著各零部件高效模塊的不斷創(chuàng)立和革新，以及新材料新工藝的不斷加入，在新設(shè)計的壓縮機(jī)中可以融入更多最新研究成果。上海日立在家用和商用熱泵熱水器專用壓縮機(jī)開發(fā)完成的基礎(chǔ)上，配合國家熱泵熱水器能效標(biāo)準(zhǔn)的出臺，通過對壓縮機(jī)軸承、氣缸等泵體關(guān)鍵要素的研究和改善，熱泵熱水器專用壓縮機(jī)的性能得到大幅度提高，在以季節(jié)能效比為標(biāo)準(zhǔn)的計算方案中位居行業(yè)領(lǐng)先地位。同時，超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)在可靠性問題上保持了原機(jī)種的優(yōu)點，順利通過了嚴(yán)酷的加速壽命試驗，為熱泵行業(yè)向高效化邁進(jìn)提供了支持和保證。經(jīng)過上述各方面的綜合設(shè)計，保證了超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)在性能、可靠性、穩(wěn)定性等各方面的優(yōu)異表現(xiàn)。

4 結(jié)束語

圖5 氣缸焊接與上軸承焊接工藝對轉(zhuǎn)子變形量影CAE分析對比

從世界范圍內(nèi)看，綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是二十一世紀(jì)人類面臨的兩個重大課題,在有限資源和環(huán)境保護(hù)嚴(yán)格要求的雙重制約下，發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球熱點和難點問題。從中國國內(nèi)情況來看，能源也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。《“十二五”控制溫室氣體排放工作方案》已經(jīng)獲得國務(wù)院常務(wù)會議通過，到2015年實現(xiàn)單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2010年下降17%的目標(biāo)，各行各業(yè)當(dāng)前都面臨著巨大的減排壓力。熱泵熱水器尤其是超高效熱泵熱水器作為節(jié)能減排效果突出的產(chǎn)品，越來越受到社會的關(guān)注、客戶的擁護(hù)。超高效熱泵熱水器專用壓縮機(jī)的推出，適應(yīng)了國家節(jié)能政策，必將受到市場的青睞。