基于補(bǔ)氣增焓的空氣源熱泵機(jī)組噪聲識(shí)別及優(yōu)化

李鐘昀， 莊琪， 閆麗俊， 張賀

（青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司，山東青島266000）

0 引 言

隨著節(jié)能與環(huán)保問(wèn)題愈發(fā)受到重視，作為PM2.5主要來(lái)源的北方傳統(tǒng)燃煤供熱方式愈發(fā)難以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，各地制定了一系列“煤改電”政策加速淘汰燃煤供暖。作為重點(diǎn)推廣對(duì)象的空氣源熱泵機(jī)組具有高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝等特點(diǎn)，但市面上的空氣源熱泵機(jī)組低溫制熱能力較低，限制了其在嚴(yán)寒區(qū)域的推廣使用，而且運(yùn)行時(shí)噪聲普遍較大，特別是安裝在商場(chǎng)、辦公樓、廠房屋頂時(shí)，具有極強(qiáng)穿透力的中低頻噪聲和振動(dòng)會(huì)沿著建筑結(jié)構(gòu)傳遞，對(duì)室內(nèi)工作生活環(huán)境造成較大干擾，這已成為城市中一類普遍性的噪聲污染問(wèn)題[1-3]。

針對(duì)上述背景，我公司擬研發(fā)基于補(bǔ)氣增焓的空氣源熱泵機(jī)組（28 kW），旨在提升煤改電市場(chǎng)空氣源熱泵機(jī)組的低溫制熱能力、能效及制冷能效值，以應(yīng)對(duì)煤改電市場(chǎng)、別墅以及中小項(xiàng)目需求，因此對(duì)控制噪聲水平提出更高的要求。

本文首先介紹了基于補(bǔ)氣增焓的空氣源熱泵機(jī)組（28 kW）項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的變更點(diǎn)制定了噪聲試驗(yàn)方案，針對(duì)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)單體及整臺(tái)熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的噪聲特性開(kāi)展了研究，重點(diǎn)闡述了風(fēng)機(jī)噪聲、補(bǔ)氣管振動(dòng)、壓機(jī)四倍頻及水模塊冷媒流動(dòng)音等問(wèn)題的改善優(yōu)化方案，為類似的噪聲與振動(dòng)問(wèn)題的解決提供依據(jù)和參考，也希望對(duì)熱泵機(jī)組的研發(fā)設(shè)計(jì)工作有一定的幫助。

1 項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)

1.1 室外機(jī)設(shè)計(jì)方案

1）系統(tǒng)。核心部件壓縮機(jī)采用廣日補(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)CA65KHDG-D1K2，且增加相應(yīng)的補(bǔ)氣回路，補(bǔ)氣板式換熱器采用丹佛斯16片板式換熱器，取消油分離器、高壓儲(chǔ)液器、低壓傳感器，增加低壓開(kāi)關(guān)。2）電控。針對(duì)煤改電市場(chǎng)昆蟲(chóng)進(jìn)入基板，導(dǎo)致基板短路燒毀問(wèn)題，基板增加防瓢蟲(chóng)、椿蟲(chóng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；同時(shí)為提升機(jī)組能效，采用雙直流電動(dòng)機(jī)。3）軟件。增加補(bǔ)氣控制。4）結(jié)構(gòu)。外形尺寸為1650 mm×1100 mm×390 mm（高×寬×厚），因匹配板式換熱器，中隔板增加固定孔。

1.2 水模塊設(shè)計(jì)方案

1）結(jié)構(gòu)。采用立式框體結(jié)構(gòu)，外形尺寸為890 mm×520 mm×320 mm（高×寬×厚）。2）系統(tǒng)。換熱器為符合市場(chǎng)需求，采用防凍能力更強(qiáng)的殼管換熱器，內(nèi)置膨脹水箱（不小于10 L）、排氣閥、安全閥、水流開(kāi)關(guān)、線控器；輔助電加熱、水泵、水過(guò)濾器均采用外置方式；為保證制冷能效，采用電子膨脹閥節(jié)流。3）電控。增加水泵用外部繼電器和保險(xiǎn)絲。4）線控器。采用煤改電專用線控器，并對(duì)其功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，加入一鍵電輔、一鍵hotstart控制。

室外機(jī)和水模塊系統(tǒng)循環(huán)圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 室外機(jī)系統(tǒng)循環(huán)圖

圖2 水模塊系統(tǒng)循環(huán)圖

2 噪聲試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，室外機(jī)風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)均是新引進(jìn)設(shè)備，而機(jī)組主要噪聲源即為風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)，因此室外機(jī)重點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)機(jī)單體、壓機(jī)單體以及整機(jī)噪聲測(cè)試。水模塊采用殼管換熱器，且通過(guò)電子膨脹閥節(jié)流，因此重點(diǎn)關(guān)注冷媒音和傳遞音。本項(xiàng)目噪聲試驗(yàn)方案參照國(guó)標(biāo)《GB/T 25127.2-2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組 第2部分：戶用及類似用途的熱泵（冷水）機(jī)組設(shè)計(jì)》。

噪聲測(cè)試在半消音試驗(yàn)室進(jìn)行，采用LMS聲振測(cè)試系統(tǒng)，如圖3所示。該系統(tǒng)由安裝LMS Test Lab軟件的測(cè)試筆記本、LMS SCADAS數(shù)采前端、1/2 in傳聲器、PCB三軸加速度傳感器、傳輸線纜和傳聲器支架組成，集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)模態(tài)與聲學(xué)試驗(yàn)等功能。

1）風(fēng)機(jī)單體噪聲。室外機(jī)結(jié)構(gòu)采用成熟的框體，因此風(fēng)機(jī)單體噪聲測(cè)試主要關(guān)注各風(fēng)機(jī)擋位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)新電動(dòng)機(jī)與框體風(fēng)道流場(chǎng)的匹配程度。連接調(diào)速工裝，根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速表手動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使上下風(fēng)機(jī)按照規(guī)定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)（壓縮機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）。根據(jù)《JB/T 4330-1999》附錄C的規(guī)定測(cè)試各個(gè)風(fēng)機(jī)擋位運(yùn)轉(zhuǎn)下的噪聲情況，測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。由于框體高度為1650 mm＞1000 mm，麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)高度為1.5 m。4個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)計(jì)算公式為

圖3 LMS聲振測(cè)試系統(tǒng)

2）壓機(jī)單體噪聲。根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB/T 15765-2014房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》要求，將壓縮機(jī)單體裝上自身配用的橡膠墊，放置于半消聲試驗(yàn)室的中央位置，壓縮機(jī)采用非剛性管接入置于半消聲試驗(yàn)室外的代用制冷系統(tǒng)，運(yùn)行工況為吸氣溫度18.3 ℃，吸氣壓力為0.995 MPa（蒸發(fā)溫度為7.2 ℃），排氣壓力3.358 MPa（冷凝溫度為54.4 ℃）。壓機(jī)單體噪聲測(cè)試采用半球面十點(diǎn)法，半球面的半徑為1 m，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)點(diǎn)位置如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)點(diǎn)位置

圖5 壓機(jī)噪聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)點(diǎn)位置

3）整機(jī)噪聲。整機(jī)噪聲測(cè)試包括室外機(jī)和水模塊，噪聲測(cè)試方法與風(fēng)機(jī)單體噪聲一致，即4個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)距離機(jī)組1 m，高度1.5 m，噪聲均值取四點(diǎn)聲壓級(jí)能量平均值。室外機(jī)測(cè)試工況為制熱掃頻（室外15 ℃，水溫36 ℃）、標(biāo)準(zhǔn)、過(guò)負(fù)荷和除霜。水模塊測(cè)試工況為標(biāo)準(zhǔn)制冷、標(biāo)準(zhǔn)制熱。

3 噪聲識(shí)別及優(yōu)化

3.1 風(fēng)機(jī)噪聲

1）試驗(yàn)問(wèn)題。對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的判定指標(biāo)為各個(gè)面OAPEAK≥標(biāo)準(zhǔn)值（10），且聽(tīng)感無(wú)異常。而實(shí)測(cè)各個(gè)面OAPEAK最小值與標(biāo)準(zhǔn)值的對(duì)比如圖6所示，從圖中可以看出風(fēng)機(jī)4擋和9擋運(yùn)行時(shí)，MIN（OA-PEAK）明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值。

2）問(wèn)題分析。風(fēng)機(jī)4擋運(yùn)行時(shí)MIN（OA-PEAK）=7.55，考慮到現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)感可接受且該擋位使用頻率較低，故不做整改；風(fēng)機(jī)9擋運(yùn)行時(shí)，MIN（OA-PEAK）=6.02，機(jī)組有明顯的共振嗡嗡聲，分析圖7所示4個(gè)面的FFT頻譜可以看出，出現(xiàn)了77 Hz的峰值頻率，噪聲幅值最大可達(dá)30.3 dB(A)。通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行仿真模態(tài)分析，電動(dòng)機(jī)支架在80 Hz存在一階模態(tài)固有頻率，轉(zhuǎn)速倍頻與該固有頻率接近，導(dǎo)致共振產(chǎn)生。

圖6 實(shí)測(cè)各個(gè)面OA-PEAK最小值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比

圖7 風(fēng)機(jī)9擋運(yùn)行時(shí)4個(gè)面的FFT頻譜

3）解決對(duì)策。在不影響能力的前提下，將9擋轉(zhuǎn)速由306 r/min微調(diào)整為290 r/min后，避開(kāi)電動(dòng)機(jī)支架固有頻率，嗡嗡聲消失，噪聲可接受。

3.2 補(bǔ)氣管振動(dòng)

1)試驗(yàn)問(wèn)題。整機(jī)制熱掃頻時(shí)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，補(bǔ)氣管振動(dòng)劇烈，壓縮機(jī)倍頻幅值高，特別是高頻90 Hz以上運(yùn)行時(shí)，幅值最大到60 dB（A）以上。

2)問(wèn)題分析。管路的激勵(lì)源可以分為結(jié)構(gòu)激勵(lì)和流體激勵(lì)。結(jié)構(gòu)激勵(lì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)直接傳遞，比如補(bǔ)氣管和壓縮機(jī)剛性連接，導(dǎo)致振動(dòng)直接傳遞到補(bǔ)氣管路。流體激勵(lì)是當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到臨界限值（一般Re≥2000），冷媒以湍流的形式流動(dòng)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，激勵(lì)管路振動(dòng)[3]。補(bǔ)氣管振動(dòng)劇烈一方面是因?yàn)楣苈放c激勵(lì)源剛性連接，另一方面是因?yàn)閴毫γ}動(dòng)。

3）解決對(duì)策?？紤]優(yōu)化補(bǔ)氣管路管型，并增加擴(kuò)張式消音器以形成緩沖腔來(lái)減弱壓力脈動(dòng)的影響，降低振動(dòng)。補(bǔ)氣管路走向的優(yōu)化主要嘗試增加柔性設(shè)計(jì)，采用U形彎設(shè)計(jì)以增加管路的彈性，改變管路固有頻率，減小管路的振動(dòng)位移。對(duì)重新設(shè)計(jì)的管路采用動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析，通過(guò)對(duì)管路模擬壓縮機(jī)激振源，施加一倍和二倍頻激勵(lì)，確認(rèn)管路的振動(dòng)情況，以優(yōu)化設(shè)計(jì)出振動(dòng)相對(duì)較小的管路走向。

擴(kuò)張式消音器主要參數(shù)是消音器的長(zhǎng)度l、進(jìn)口直徑D1、擴(kuò)張腔直徑D2和出口管徑D3，考慮到消音器進(jìn)口管路連接板式換熱器，應(yīng)盡可能保持柔性以減小振動(dòng)，D1為9.7 mm。而出口管路連接壓縮機(jī)，考慮到支撐作用，D3為12.7 mm。進(jìn)出口直徑不同的消音器消音量計(jì)算公式為

根據(jù)流體力學(xué)，查表制冷劑R410A熱力計(jì)算物理性質(zhì)參數(shù)表可得：定壓比熱為CP=1.267 kJ/(kg·℃)，定容比熱為CV=0.873 kJ/(kg·℃)，制冷劑的密度為ρ=45.97 kg/m3。補(bǔ)氣的絕對(duì)壓力為P=1.3×Ps=1.09 MPa，聲音在冷媒中的傳播速度c為

通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)補(bǔ)氣管脈動(dòng)頻率主要為壓機(jī)倍頻（150～400 Hz），為確保對(duì)脈動(dòng)頻率的消音量，最大消音頻率按照300 Hz計(jì)算，消音器的長(zhǎng)度l為

圖8 消音曲線對(duì)比

圖9 消音器參數(shù)

根據(jù)我公司現(xiàn)有消音器通用化尺寸要求，選定消音器長(zhǎng)度l為100 mm，通過(guò)Matlab分別仿真計(jì)算D2為40 mm、50 mm和60 mm的消音曲線，如圖8所示。結(jié)合室外機(jī)內(nèi)部安裝空間和消音量，選定D2為50 mm。為了消除圖中所示的1000 Hz等奇數(shù)倍通過(guò)頻率，插入長(zhǎng)度為擴(kuò)張部分長(zhǎng)度1/2的內(nèi)插管。消音器詳細(xì)尺寸參數(shù)如圖9所示。

綜合上述整改方案后，優(yōu)化前后的補(bǔ)氣管路走向?qū)Ρ热鐖D10所示。整機(jī)制熱掃頻驗(yàn)證，壓機(jī)高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，倍頻音明顯改善，以壓機(jī)95 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)為例，整改前后各個(gè)面噪聲1/3倍頻程對(duì)比如圖11所示。從圖中可以看出正面OA值降了2.4 dB(A)，主要影響聽(tīng)感的二倍頻幅值降了17 dB(A)；壓機(jī)面OA 值 降 了1.3 dB(A)，二倍頻幅值降了9.3 dB(A)；背面OA值降了5.4 dB (A)，二倍頻幅值降了13.8 dB (A)；側(cè)面OA 值降了4.8 dB(A)，二倍頻幅值降了18.3 dB(A)。

圖10 優(yōu)化前后的補(bǔ)氣管路走向?qū)Ρ?/p>

圖11 整改前后各個(gè)面噪聲1/3倍頻程對(duì)比

3.3 壓機(jī)四倍頻

1）試驗(yàn)問(wèn)題。兩臺(tái)整機(jī)噪聲的一致性較差，第一臺(tái)整改合格后，驗(yàn)證第二臺(tái)整機(jī)，85 Hz以上高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，壓機(jī)四倍頻明顯高于第一臺(tái)，差值普遍在6～7 dB(A)，噪聲不可接受。

2）問(wèn)題分析。在第二臺(tái)整機(jī)管路上嘗試緊固管路降低振動(dòng)，壓機(jī)四倍頻并沒(méi)有明顯改善，初步懷疑是第二臺(tái)壓機(jī)單體不良。首先將第一臺(tái)整機(jī)的壓機(jī)換到第二臺(tái)整機(jī)上，壓機(jī)四倍頻明顯減小。然后對(duì)兩臺(tái)壓機(jī)單體在壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行噪聲測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置為圖5的測(cè)點(diǎn)2～5。壓機(jī)90 Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩臺(tái)壓機(jī)四倍頻362 Hz噪聲幅值對(duì)比如圖12所示，差值最大的測(cè)點(diǎn)能相差10 dB(A)，確認(rèn)根源為第二臺(tái)壓機(jī)單體不良。

圖12 兩臺(tái)壓機(jī)四倍頻362 Hz噪聲幅值對(duì)比

3）解決對(duì)策。對(duì)單體不良的第二臺(tái)壓機(jī)通過(guò)聲學(xué)刷LMS SoundBrush進(jìn)行聲源定位，鎖定壓機(jī)四倍頻聲源為電動(dòng)機(jī)和底部油池處，如圖13所示。與壓縮機(jī)廠家溝通后，廠家以此為方向進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)在小批制作時(shí)手工壓入吸油管的工藝不穩(wěn)定，將生產(chǎn)工藝改為設(shè)備壓入，工藝穩(wěn)定性較好，持續(xù)抽檢關(guān)注壓機(jī)四倍頻的穩(wěn)定性，噪聲保持較好。我公司對(duì)批量生產(chǎn)的壓機(jī)進(jìn)行單體和整機(jī)噪聲抽檢驗(yàn)證，未出現(xiàn)異常。

3.4 水模塊冷媒音

1）試驗(yàn)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)制冷和標(biāo)準(zhǔn)制熱運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，水模塊冷媒音較大，導(dǎo)致實(shí)測(cè)噪聲值不滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入噪聲值要求。

2）問(wèn)題分析。冷媒音一般是壓力損失導(dǎo)致，容易發(fā)生在壓力急劇變化的位置。針對(duì)冷媒音問(wèn)題，可以采用在聲源部位表面粘貼阻尼塊，使聲源部位的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能耗散，從而降低冷媒音。由于冷媒音遍及整個(gè)水模塊管路，機(jī)械故障聽(tīng)診器無(wú)法鎖定聲源，因此使用聲學(xué)刷LMS SoundBrush對(duì)水模塊的冷媒音進(jìn)行聲源定位，鎖定聲源位置為電子膨脹閥附近，如圖14所示。

圖13 壓機(jī)四倍頻聲源定位結(jié)果

圖14 水模塊冷媒音聲源定位結(jié)果及阻尼塊包裹位置

3）解決對(duì)策。考慮到線體工藝包裹方式的可操作性，主要對(duì)電子膨脹閥閥前的管路包裹阻尼塊，如圖14所示。阻尼塊包裹后，標(biāo)準(zhǔn)制冷和標(biāo)準(zhǔn)制熱的冷媒音有所改善，實(shí)測(cè)噪聲值均滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入噪聲值要求，以標(biāo)準(zhǔn)制熱為例，阻尼塊包裹前后的噪聲對(duì)比如圖15所示。從圖中可以看出，整改后正面OA值降了1.5 dB(A)，殼管面OA值降了3 dB(A)，背面OA值降了3 dB(A)，側(cè)面OA值降了1.8 dB(A)。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖15 標(biāo)準(zhǔn)制熱工況阻尼塊包裹前后各個(gè)面噪聲對(duì)比

本文主要總結(jié)了基于補(bǔ)氣增焓的空氣源熱泵機(jī)組研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的典型噪聲問(wèn)題，通過(guò)理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)介紹了風(fēng)機(jī)噪聲、補(bǔ)氣管振動(dòng)、壓機(jī)四倍頻以及水模塊冷媒流動(dòng)音的振動(dòng)噪聲特性和解決對(duì)策，為類似噪聲與振動(dòng)問(wèn)題的解決提供依據(jù)和參考。本文的主要研究結(jié)論如下：1）針對(duì)成熟風(fēng)道流場(chǎng)變更電動(dòng)機(jī)后出現(xiàn)的風(fēng)噪，適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速點(diǎn)避讓電動(dòng)機(jī)支架固有頻率，可以有效減小共振音；2）針對(duì)補(bǔ)氣管振動(dòng)問(wèn)題，優(yōu)化補(bǔ)氣管路管型，并增加擴(kuò)張式消音器以形成緩沖腔可以有效減弱壓力脈動(dòng)的影響，降低振動(dòng)和噪聲；3）針對(duì)壓機(jī)四倍頻問(wèn)題，通過(guò)聲源定位鎖定聲源為油池吸油管工藝不良，改良工藝可以有效降低壓機(jī)四倍頻；4）針對(duì)水模塊冷媒音問(wèn)題，通過(guò)聲源定位鎖定聲源為電子膨脹閥附近，聲源位置附近包裹阻尼塊，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能耗散，可以有效改善冷媒音。