技术探讨：如何提升多联机的APF？

全季节能效比(APF)是反映空调器在规定工况下全年耗电量与输出冷热量之比的综合性能系数。  

APF代表了在制冷模式和制热模式下的加权平均效率,体现了机组在不同季节、不同工况的综合节能性能。APF值越高,表明空调系统在全年运行过程中的总耗电量越少,节能效果越佳。

随着建筑能耗比重的不断攀升,各国纷纷出台公共建筑节能标准,提高空调系统能效成为必然要求。以我国为例,新版《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2015)规定,多联式空调机组的APF值不应低于4.0。可见,APF已成为评价多联机组能效等级的硬性指标。  

对于工程设计和设备选型,选用APF值高的机型,可减少建筑全生命周期的能耗费用,为业主创造更多经济效益。对于空调制造商而言,开发并推广高APF产品,可在市场竞争中赢得更多商机。此外,提升APF有利于减少电网高峰负荷,促进供需平衡,助力国家"双碳"目标的实现。  

室外换热器是多联机组的另一个关键部件,其作用是将压缩机排出的高温高压气体冷凝放热,使制冷剂凝结成液态并降温过冷。室外换热器的传热性能直接影响冷凝压力和温度,进而影响机组的制冷效率和APF。

室外换热器多采用翅片管束式结构,制冷剂在铜管内流动,空气在翅片间流过,二者发生对流换热。影响室外换热器换热效果的主要因素包括:管壁导热系数、翅片间距、制冷剂分布、空气流量等。其中,制冷剂在管路中的流动分配状况,对强化传热至关重要。

传统的室外换热器多采用并联盘管结构,即所有回路管径相同、长度相等,彼此并联连接。这种布置方式虽简单可靠,但难以适应多联机组的变工况运行,易发生制冷剂分配不均。为此,学者提出了一系列流路优化策略:

在室外机入口处设置分歧管,将制冷剂均匀分配到各并联支路。姜澄宇等研究了分歧管内插入物的形状、数量对制冷剂分配的影响,发现蜂窝状插入物能使气相速度分布更加均匀。金红光等采用正交试验,优选出了分歧管的最佳长径比,压降减小8.2%,APF提高5.4%。

1.降低冷凝温度
优化后的流路能有效消除"气阻"效应,减小管内压降,从而降低冷凝压力和温度。冷凝温度每下降1K,多联机的COP值可提高2~4%,APF也随之升高。

2.提高过冷度
合理的流路设计能够促进气液两相分离,延长过冷区,增加过冷度。研究表明,过冷度每提高1K,多联机的制冷量可增加1~2%,APF显著提高。

3.均化热负荷分配
串并联等优化流路可使各区域的热负荷均衡匹配,避免局部过热或液击,延长压缩机和电子膨胀阀的寿命,维持机组长期稳定的高效运行。

4.适应变工况调节
分歧管和相变控制技术可根据冷热负荷的波动,自适应调节室外机的流路阻力,在各种工况下动态优化制冷剂分配,稳定APF水平。

可见,优化室外换热器流路对提升多联机APF至关重要。设计人员应结合机组的实际工况,量身定制最佳的管路布置方案,以充分发挥换热器的节能效益。

多联机组低温制热的强化措施主要包括提高压缩机排气温度、优化除霜策略、采用喷气增焓等,在改善制热量的同时,也会对APF产生复杂的影响:

1.高温排气的影响
低温工况下,压缩机吸气密度小,为维持供暖所需的热量,可适当提高排气温度。但排气温度过高,会加剧压缩机磨损,引起润滑油碳化劣变,降低机组可靠性。因此,应权衡制热量与机组寿命,将排气温度控制在安全范围内,才能保证APF不下降。

2.除霜策略的影响
室外换热器在低温高湿环境下易结霜,需定期融霜,而除霜过程伴随着能量损失。除霜策略的优劣直接影响多联机组的整体能耗。采用加热器辅助、热气旁通等适宜方式,可缩短除霜时间,减少对制热的影响。优化除霜参数,控制最佳融霜终止点,可在满足制热舒适度的前提下,将APF维持在较高水平。

3.喷气增焓的影响
喷气增焓技术是通过在压缩机吸气腔内喷入适量高温气体,提高吸气焓值,减小压缩比,以改善低温制热性能。研究表明,喷气增焓回路可使低温制热量提高15%以上,但机组的输入功率也有所增加。因此,需优化喷气量和喷气温度,在显著提高制热量的同时,将功耗控制在合理水平,以维持APF的稳步提升。

综合考虑上述影响因素,可采取以下技术措施来强化多联机组的低温制热性能,提升其全季APF水平:

1.两段式压缩
采用串联的低压和高压压缩机,可显著提高压缩效率,降低排气温度。梁斌等研究表明,两段压缩的制热量可提高20%,APF提高15%以上。王玮等通过优化中间冷却器设计,使两段式压缩机的性价比进一步提升。

2.自适应除霜控制
根据环境温湿度、冷媒温度等参数,自适应调节除霜启动和终止时间,可在保证制热效果的同时减少除霜能耗。何江等采用模糊控制,优化压缩机转速和电子膨胀阀开度,使除霜时间缩短23%,APF提高12%。

3.多级喷气增焓
增加喷气增焓的级数,引入多个高温气源,可进一步减小压缩比,提高低温制热量。朱晶煜等研究了双级喷气增焓旁通回路,在-20℃时的制热量提高17.8%,APF提高11.3%。姚兆丰等对比了单级和两级气液分离式喷气增焓性能,发现两级喷气可使-25℃的APF提高23%以上。

4.组合强化技术
将上述两段压缩、自适应除霜、多级喷气等方法联合应用,协同强化低温制热性能。宋俊等提出了一种两级压缩双级喷气增焓除霜热泵系统,在-30℃时的平均COP达到了2.0以上。裴玉龙等设计了喷气增焓-蒸发冷却复合除霜系统,使-25℃的日均APF提高21%。

总之,低温制热技术的不断进步,为多联机组的全季节运行效率带来新的提升空间。设计人员需综合权衡制热性能与能效水平,因地制宜地选择强化措施,以最大限度地发挥多联机的供暖节能效益。

1.压缩比
压缩比是压缩机排气压力与吸气压力之比,代表了压缩机的升压能力。在其他因素不变时,压缩比越大,压缩机效率越低。因此,降低冷凝压力、提高蒸发压力,控制压缩比在合理范围内,是提高压缩机效率的关键。

2.电机效率
压缩机的驱动电机效率也是影响整机能耗的重要因素。目前,永磁同步电机以其高功率密度、宽调速范围等优势,在变频多联机中得到广泛应用。优化电机定子绕组、转子磁钢材料,减小铁耗和铜耗,可显著提升电机效率。

3.机械效率
压缩机的机械效率主要取决于摩擦损失和泄漏损失。合理选择主轴承、连杆轴承的类型和尺寸,改善润滑和密封性能,可减小摩擦功耗。优化气阀结构,减小间隙,控制泄漏回流,可提高压缩机容积效率。

4.中间压力
对于多级压缩机,中间级吸排气压力匹配与否直接影响压缩效率。优化气体分配器结构,调节喷嘴尺寸,控制中间压力在最佳范围,可最大限度减小压缩功。

针对上述影响因素,国内外学者开展了大量研究,提出了一系列提升多联机压缩机效率的关键技术:

1.气液分离技术
在压缩机吸气管路中设置气液分离器,可有效防止液体进入气缸,减少液击磨损,提高容积效率。李宏亮等研究了旋转式气液分离器的内部流场,优化了进出口夹角,使分离效率提高5%以上。王磊等采用CFD仿真,对比了旋流型和叶片型分离器的性能,发现叶片型分离器可使压缩机效率提高3.2%。  

2.无油润滑技术
传统的压缩机多采用润滑油润滑,油的粘附会恶化换热,增大功耗。采用无油润滑技术,以干式气体轴承取代含油轴承,既可消除油膜热阻,又能减小摩擦损失。张华龙等试验了无油润滑螺杆压缩机,发现在低压比工况下效率可提高8%以上。陈照炜等优化了无油离心压缩机的轴承结构,使稳定运行范围拓宽20%。

3.变容积比技术
传统定容积比压缩机难以适应多联机组的宽工况波动,而变容积比技术可根据负荷需求实时调节压缩机的有效排气量,在各工况下维持高效运行。宋金红等研制了滑阀式变容积比涡旋压缩机,容积比可在1.810时,绝热效率均在80%以上。

4.压缩机串并联
大型多联机组可采用多个压缩机并联运行,灵活适应负荷变化。但并联时的气量分配不均会导致部分压缩机效率下降。串联压缩机可通过合理匹配级间容积比、优化中间冷却等方式,在较宽压比范围内维持高效。近年来,一些学者提出了串并联压缩机的新方案,兼顾了容量调节灵活性和压缩效率的双重需求。

采用上述关键技术,可显著提高多联机压缩机的综合效率,进而带动机组整体能效和APF水平的提升。主要体现在以下几个方面:

1.减少换热不可逆损失
气液分离和无油润滑技术可有效抑制由液体夹带和油膜引起的换热恶化,提高冷凝和蒸发过程的换热系数,减小温差损失。王磊等的试验表明,采用气液分离和无油润滑的压缩机,在标准工况下的APF可提高6.8%。

2.降低压缩功耗
提高机械效率可直接降低压缩机轴功,减小电机输入功率。变容积比技术可在满足制冷制热需求的前提下,最小化压缩功,使机组在宽工况下的能耗都接近最优。孙大鹏等研究发现,采用两级压缩变容积比压缩机的多联机组,在变工况运行时的日平均APF可提高12%以上。

3.削峰填谷
变频调速和串并联技术赋予了压缩机更大的容量调节范围和更快的响应速度,可根据电网需求削峰填谷,在电价波动时优化运行策略。张国庆等提出了一种基于时间电价的多联机组优化控制方法,通过合理安排压缩机启停时序,可使日电费节省8%,APF提高5%。

4.提高部分负荷效率
多联机组全年大部分时间是在部分负荷下运行,因此压缩机在低频时的效率对提升APF至关重要。气液分离、无油润滑等技术可减小频繁启停导致的"气液"和"油液"混杂,使压缩机在低频时维持高效。李科等优化了喷气增焓压缩机的部分负荷特性,使其在20%负荷时的COP仍维持在3.0以上。