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(huì)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(diǎn)，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(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》等標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，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(shí)可知，當(dāng)溫度等于環(huán)境溫度時(shí)，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(huì)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(shí)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(diǎn)，溫室氣體主要就是二氧化碳的排放會(huì)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?yàn)槿绱?，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(huì)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(huì)傳遞給各個(gè)企業(yè)，通過碳交易來推動(dòng)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(diǎn)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(shí)際運(yùn)行狀態(tài)并不同。主要不同點(diǎn)在于，實(shí)際運(yùn)行中熱泵是一個(gè)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(shí)際使用時(shí)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(gè)等級(jí)，共計(jì)五個(gè)等級(jí)。據(jù)悉，除了熱泵熱水器國標(biāo)規(guī)定測試工況能效等級(jí)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(jì)算是為了在一定的時(shí)間跨度內(nèi)（通常是一年），在不斷變化的運(yùn)行條件下，評(píng)估耗能系統(tǒng)基于時(shí)間的性能。該計(jì)算方法的輸入數(shù)據(jù)通常是穩(wěn)態(tài)值，這在一個(gè)特定的運(yùn)行條件下或運(yùn)行條件在一定的范圍內(nèi)有效。通過全年運(yùn)行工況的累積測試，可計(jì)算各工況的瞬時(shí)效率；而根據(jù)整個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)的各個(gè)瞬時(shí)值的權(quán)重計(jì)算，可最終綜合得出其性能。

一般采用多個(gè)典型工況點(diǎn)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(diǎn)不同的權(quán)重，然后計(jì)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(yùn)行工況、最小運(yùn)行工況、名義工況、最大運(yùn)行工況等四個(gè)工況點(diǎn)為典型工況點(diǎn)，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(jì)算綜合能效SPF。

計(jì)算綜合能效時(shí)，要注意采用輔助電加熱或其他加熱方式時(shí)，需要考慮其對(duì)整個(gè)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(shí)，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(shí)際上，太陽能的季節(jié)能效比計(jì)算要考慮光照強(qiáng)度在一年中的實(shí)際分布曲線，而不單指單一的名義工況點(diǎn)。就陰雨天和冬季的光照強(qiáng)度這兩點(diǎn)來看，如果太陽能納入季節(jié)能效比計(jì)算，預(yù)計(jì)其季節(jié)能效比SPF會(huì)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(duì)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(jì)理念

1）全新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(yùn)行特點(diǎn)，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(jì)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(duì)固定。當(dāng)然空調(diào)也可以制熱運(yùn)行，事實(shí)上當(dāng)空調(diào)制熱時(shí)它就變成熱泵了?？照{(diào)性能現(xiàn)在一般僅以單一進(jìn)行計(jì)算，對(duì)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(yàn)

超過4800h的長期高負(fù)荷和高壓比的加速壽命試驗(yàn)，以及400臺(tái)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(gè)字母，制熱量相同，但卻幾乎沒有幾件相同部件(僅底角、儲(chǔ)液器這兩個(gè)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(jì)一方面適應(yīng)了高效電機(jī)疊高對(duì)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(jì)一方面優(yōu)化了排氣DV孔，另一方面也消除了氣缸焊接對(duì)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(yàn)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(jì)

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(yùn)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(huì)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(duì)比圖

3）全新焊接工藝設(shè)計(jì)

原機(jī)種為氣缸焊接品，在電機(jī)提高效率的同時(shí)電機(jī)疊高也增加了，電機(jī)疊高的增加提高了電機(jī)對(duì)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(jí)指標(biāo)，為熱泵熱水器廠家的能級(jí)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(jì)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(tái)，通過對(duì)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(jì)算方案中位居行業(yè)領(lǐng)先地位。同時(shí)，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(diǎn)，順利通過了嚴(yán)酷的加速壽命試驗(yàn)，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(jì)，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(duì)轉(zhuǎn)子變形量影CAE分析對(duì)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(gè)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(diǎn)和難點(diǎn)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?！丁笆濉笨刂茰厥覛怏w排放工作方案》已經(jīng)獲得國務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過，到2015年實(shí)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(huì)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。