R32熱泵型變頻空調(diào)性能與能效的試驗(yàn)研究

張 云，謝培欽，陳孚江，陳海飛

（1.江蘇新科電器有限公司，江蘇常州 213176；2.常州大學(xué)，江蘇常州 213016）

0 引言

變頻空調(diào)器因其高效節(jié)能已經(jīng)成為家用空調(diào)器市場的主導(dǎo)產(chǎn)品［1］。同時(shí)R32具有較低的GWP值和較弱的可燃性，相比于R410A和R22有較大的制冷量和較高的能效比，因此已成為了替代R410A和R22的環(huán)保制冷劑［2-3］。邵雙全等［4］試驗(yàn)驗(yàn)證了變頻空調(diào)系統(tǒng)在變化工況下采用電子膨脹閥的性能比采用毛細(xì)管的高，且更加節(jié)能。虞中旸等［5］試驗(yàn)分析了以R32為制冷劑在低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。

國家新頒布的GB/T 21455—2019《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級》［6］，以全年能源消耗率（APF）為能效等級標(biāo)準(zhǔn)，將其原有的能效等級提高了一個檔次。張立智等［7］提出了提升熱泵型變頻空調(diào)器APF的有效技術(shù)途徑包括：合理設(shè)計(jì)換熱器流程流路、增加換熱面積、采用小管徑換熱器、合理的室內(nèi)外機(jī)風(fēng)量，以及優(yōu)化壓縮機(jī)頻率等。沈佳敏等［8］將國家標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)雜的APF隱式定義轉(zhuǎn)化為簡單的APF顯式計(jì)算公式，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和空調(diào)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制得到優(yōu)化的約束方程來獲取APF的最大值。

本文通過試驗(yàn)平臺和相關(guān)試驗(yàn)監(jiān)控軟件來調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度、內(nèi)外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及優(yōu)化壓縮機(jī)頻率等研究電子膨脹閥的開度對系統(tǒng)性能影響，并通過正交試驗(yàn)的方法獲取最優(yōu)的APF。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)樣機(jī)選用新科KFRd-72LW-BpNYC+1圓筒柜機(jī)（一級能效機(jī)），其配置美芝KTM240D43UMT壓縮機(jī)。依據(jù)GB/T 21455—2019（下文簡稱新國標(biāo)），APF調(diào)至≥4.2，且按公司內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)試，階段各單點(diǎn)實(shí)測能力須大于銘牌標(biāo)定額定能力的98%。由于較低頻率下的電子膨脹閥可調(diào)范圍較小，為了提高壓縮機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電子膨脹閥的調(diào)節(jié)精度，節(jié)流組件采用電子膨脹閥外加輔助毛細(xì)管［9-10］。

1.2 試驗(yàn)室裝置

新科10匹防爆試驗(yàn)室，由合肥通用機(jī)械研究院有限公司監(jiān)制，試驗(yàn)條件符合GB/T 7725—2004的要求，焓差室系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 焓差試驗(yàn)室原理Fig.1 Schematic diagram of enthalpy difference laboratory

1.3 試驗(yàn)條件

依據(jù)GB/T 21455—2019，當(dāng)轉(zhuǎn)速可控型房間空調(diào)器的額定制冷實(shí)測能力大于7 100 W時(shí)，采用t點(diǎn)法；計(jì)算過程中需要分別測量額定制冷、額定中間制冷、25%額定制冷、（可選擇試驗(yàn)：低溫額定制冷、低溫額定中間制冷、低溫25%額定制冷），額定制熱、額定中間制熱、25%額定制熱以及額定低溫制熱等7個（或10個）工況下的制冷量（制熱量）及消耗功率來計(jì)算APF的值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對于熱泵空調(diào)系統(tǒng)理論循環(huán)中壓縮機(jī)的功率、換熱量、排氣溫度計(jì)算如下［11］。

壓縮機(jī)的實(shí)際輸入電功率：

制冷量：

制熱量：

排氣溫度：

式中 qm——制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；

k——壓縮機(jī)等熵指數(shù)；

Ps，Pd——壓縮機(jī)吸、排氣壓力，Pa；

v1——吸氣比容，m3/kg；

η——壓縮機(jī)指示效率；

h1，h2——壓縮機(jī)吸、排氣口焓值，kJ/kg；

h4，h5——節(jié)流前、后焓值，kJ/kg；

Ts，Td——壓縮機(jī)吸、排氣溫度，℃。

2.1 額定制冷工況下電子膨脹閥的開度對系統(tǒng)性能的影響

在額定制冷試驗(yàn)工況下，壓縮機(jī)的給定頻率和內(nèi)、外機(jī)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，研究電子膨脹閥的開度對機(jī)組系統(tǒng)性能系數(shù)的影響。

如圖2所示，隨著電子膨脹閥開度逐漸增大，額定制冷量和額定功率呈現(xiàn)先增后減再升高的現(xiàn)象，而額定制冷系數(shù)EER先降低再升高，后又下降出現(xiàn)最高點(diǎn)，但總體變化幅度不大。系統(tǒng)的排氣溫度逐漸降低，冷凝器出口溫度逐漸上升，這是因?yàn)殚y體的開度增大，導(dǎo)致系統(tǒng)中制冷劑的流量增加占主導(dǎo)地位，系統(tǒng)中的制冷量和功率都逐漸增大；隨著閥體開度的逐漸增大，系統(tǒng)中冷凝壓力降低，蒸發(fā)壓力升高，蒸發(fā)器的換熱溫度差降低，此時(shí)系統(tǒng)的壓縮比降低占主導(dǎo)地位，系統(tǒng)的功率和制冷量都有所下降，功率的下降幅度高于制冷量的下降幅度，所以EER升高。但閥體步伐開到一定程度后系統(tǒng)中的制冷劑流量逐漸增大，導(dǎo)致功率和制冷量再度上升，功率的上升幅度大于額定制冷量的上升幅度，系統(tǒng)的EER再次出現(xiàn)下降趨勢。

圖2 額定制冷工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響Fig.2 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated refrigeration conditions

2.2 額定中間制冷工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響

在額定制冷試驗(yàn)工況下，壓縮機(jī)保持最優(yōu)的低頻率，內(nèi)、外機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，調(diào)節(jié)電子膨脹的開度。

如圖3所示，隨著電子膨脹閥開度在一定范圍內(nèi)逐漸增大，額定中間制冷量逐漸下降，額定中間功率都是先逐漸減少再有所回升，系統(tǒng)中冷凝器出口的溫度幾乎不變，排氣溫度逐漸降低。此時(shí)系統(tǒng)的壓縮比下降占主導(dǎo)地位，蒸發(fā)器和冷凝器中的制冷劑液體含量較多，蒸發(fā)器和冷凝器的換熱效率較低，系統(tǒng)的壓縮下降占主導(dǎo)地位，所以額定中間消耗功率和額定中間制冷量都有所下降，系統(tǒng)中額定中間制冷系數(shù)EERhaf變化較小，總體趨勢下降。

圖3 額定中間制冷工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響Fig.3 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate refrigeration conditions

2.3 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響

在額定制熱試驗(yàn)工況下，壓縮機(jī)處于最優(yōu)頻率且內(nèi)、外機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，調(diào)節(jié)電子膨脹的開度。

如圖4所示，隨著電子膨脹開度逐漸增大，額定制熱量和額定功率逐漸下降，系統(tǒng)的排氣溫度逐漸降低，蒸發(fā)器出口溫度逐漸上升。此時(shí)系統(tǒng)的壓縮比下降占主導(dǎo)地位，系統(tǒng)的功率和制熱量都有所下降，但制熱額定功率下降幅度較大，所以系統(tǒng)中額定制熱系數(shù)COP逐漸升高。隨著電子膨脹閥的開度再次增加，額定制熱量下降幅度增大，系統(tǒng)的COP將有所降低。

圖4 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響Fig.4 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated heating condition

2.4 額定中間制熱工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響

如圖5所示，在額定制熱工況下，壓縮機(jī)處于低頻率且內(nèi)外機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著電子膨脹開度逐漸增大，額定中間制熱量和額定中間功率逐漸下降，系統(tǒng)的排氣溫度逐漸降低，蒸發(fā)器出口溫度逐漸上升，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的壓縮比下降占主導(dǎo)地位。在此過程中制熱額定功率下降幅度較大，系統(tǒng)中額定中間制熱系數(shù)COPhat總體升高。

圖5 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統(tǒng)性能的影響Fig.5 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate heating condition

3 各試驗(yàn)工況下單點(diǎn)實(shí)測值對系統(tǒng)APF的影響

通過正交計(jì)算各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出最高的制冷季節(jié)能源消耗率SEER、制熱季節(jié)能源消耗率HSPF以及全年能源消耗率APF，且各試驗(yàn)工況下均有最優(yōu)電子膨脹閥開度，見表1，其中CD系數(shù)默認(rèn)0.25。

表1 計(jì)算最優(yōu)的SEER，HSPF以及APF值Tab.1 The calculated optimal SEER，HSPF and APF values

3.1 額定制冷工況下制冷量和消耗功率對系統(tǒng)APF的影響

由于機(jī)組是變頻熱泵型，各試驗(yàn)工況下調(diào)試的參數(shù)點(diǎn)相互獨(dú)立不受影響，改變室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來增加或降低系統(tǒng)的制冷量和耗功率，測得數(shù)據(jù)并計(jì)算得到APF值，見表2，3。從表2，3可看出，在額定制冷工況下，其它工況下單點(diǎn)實(shí)測最優(yōu)值不變，額定制冷工況下，保持額定制冷和額定中間制冷相應(yīng)的最優(yōu)的頻率和膨脹閥開度不變，降低室外風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)測到相同的EER時(shí)，額定制冷量降低31.6 W，降低率0.44%，額定消耗功率減少9.2 W，減少率0.5%，此時(shí)APF升高0.01，所以在保證單點(diǎn)能力滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)，相同的EER下，應(yīng)選擇功率和換熱量較小的那組數(shù)據(jù)，其APF為最優(yōu)；同時(shí)也表明，在額定制冷工況下，額定制冷消耗功率對APF的影響較大。對于額定中間制冷工況，在相同的EERhaf和SEER下，應(yīng)選取最大的額定中間制冷量來保滿足性能參數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

表2 額定制冷工況下改變室外機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速所得APF值Tab.2 The APF values obtained by changing the fan speed of the outdoor unit under the rated refrigeration experiment

表3 額定中間制冷工況下改變室外機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速所得APF值Tab.3 The APF values obtained by changing fan speed of outdoor unit under rated intermediate refrigeration experiment

3.2 額定制熱工況下制熱量和消耗功率對系統(tǒng)APF的影響

在其它工況下單點(diǎn)實(shí)測最優(yōu)值不變，額定制熱工況下，內(nèi)、外機(jī)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，改變壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率和電子膨脹閥開度，在滿足單點(diǎn)制熱能力的情況下，實(shí)測到不同COP和相同的APF，見表4。

表4 不同壓縮機(jī)頻率和電子膨脹閥開度下的APF值Tab.4 The APF values obtained from compressor frequency and effect of electronic expansion valve adjustment

由表中數(shù)據(jù)可見，COP值最高時(shí)系統(tǒng)APF值并非是最優(yōu)，第3組額定制熱量相對于第2組額定制熱量增加了265.4 W，提升了2.92%；額定制熱消耗功率增加了134.7 W，提高了5.1%，雖然3組數(shù)據(jù)所計(jì)算出的APF值相同，但是第3組數(shù)據(jù)所計(jì)算出HSPF值最高，所以在調(diào)試額定制熱試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)的額定制熱量，才能得出更高APF值。

3.3 實(shí)測低溫額定制冷試驗(yàn)對系統(tǒng)APF的影響

在保持表1中最優(yōu)數(shù)據(jù)不變，系統(tǒng)在最優(yōu)額定制冷、中間制冷、25%額定制冷狀態(tài)下，實(shí)測低溫額定制冷量和消耗功率等性能參數(shù)來計(jì)算APF值，見表5。從表5可見，實(shí)測數(shù)據(jù)并計(jì)算得到的APF值比表1中最優(yōu)APF值高0.2。

表5 實(shí)測低溫制冷所得APF值Tab.5 The APF values calculated by the measured low-temperature cooling experiment

4 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)工況穩(wěn)定情況下，增加電子膨脹閥的開度，系統(tǒng)的額定制冷量有所提高，但額定中間制冷量、額定制熱量、額定中間制熱量都下降；對系統(tǒng)的EER和COP影響較小，對系統(tǒng)的EERhaf和COPhaf影響較大。

（2）額定制冷工況下，額定制冷消耗功率相對于額定制冷量對APF的影響較大，相同的EER下，應(yīng)選擇額定消耗功率較小的數(shù)據(jù)時(shí)，其APF值為最優(yōu)。對于額定中間制冷，在相同EERhaf和SEER下，應(yīng)選取最大的額定中間制冷量來保證系統(tǒng)在該狀態(tài)點(diǎn)下有足夠的制冷量。

（3）在額定制熱時(shí)，系統(tǒng)的COP最高對應(yīng)的APF值并非最大值。在調(diào)試額定制熱試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡量提高系統(tǒng)的額定制熱量，這樣才能得到最優(yōu)APF值。

（4）在實(shí)測最小制冷和最小制熱滿足單點(diǎn)能力要求的情況下，應(yīng)選取最大的制冷系數(shù)和制熱系數(shù)來計(jì)算相應(yīng)的APF值。同時(shí)實(shí)測低溫制冷試驗(yàn)所得各性能參數(shù)有助于APF值的提高。