飛波

(1 天津大學(xué)熱能研究所 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300072； 2 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

近年來(lái)空氣源熱泵在清潔供暖中開始發(fā)揮重要作用。由于中國(guó)地域遼闊，氣候有多個(gè)分區(qū)，無(wú)論冬夏工況，溫度變化均較大，空氣源熱泵的壓縮機(jī)需要能進(jìn)行變工況調(diào)節(jié)。在寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，空氣源熱泵需要采用較大壓縮比的壓縮機(jī)，同時(shí)，為適合較低的環(huán)境溫度范圍，需要具有可以和系統(tǒng)進(jìn)行變?nèi)萘俊⒆儔嚎s比調(diào)節(jié)的特性。此外，應(yīng)具有較高的COP，尤其在中間溫度區(qū)域(50%、75%負(fù)荷區(qū)域)，適應(yīng)部分負(fù)荷下的調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)是適合不同氣候條件的空氣源熱泵的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓縮機(jī)發(fā)展歷程

早期房間空調(diào)器使用的全封閉壓縮機(jī)為活塞式。活塞式壓縮機(jī)零件較多，機(jī)械損失大，有較大的相對(duì)余隙容積，容積系數(shù)低，進(jìn)排氣閥節(jié)流損失大，小型活塞沒(méi)有活塞環(huán)，泄漏損失更大。為解決活塞式壓縮機(jī)的上述問(wèn)題，提高系統(tǒng)效率，逐步開發(fā)了轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，也稱為“旋轉(zhuǎn)活塞式壓縮機(jī)”，其運(yùn)行特點(diǎn)是壓縮氣體工質(zhì)時(shí)只進(jìn)不退，幾乎沒(méi)有余隙容積，零件很少，摩擦損失小。雖然其密封線比活塞式更長(zhǎng)，但通過(guò)提高加工精度，其泄漏損失較小。

1991年，輕工業(yè)部開始推行“節(jié)能空調(diào)”技術(shù)，發(fā)現(xiàn)某品牌[1]開發(fā)的KC18窗式空調(diào)器，在空調(diào)器國(guó)標(biāo)工況下EER達(dá)到3.3(最早國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定房間空調(diào)器產(chǎn)品合格的EER為2.2[2])，引起行業(yè)的廣泛關(guān)注。有關(guān)部門很快組織全國(guó)有條件的單位進(jìn)行技術(shù)測(cè)評(píng)，從市面上采購(gòu)3臺(tái)該樣機(jī)，上海某空調(diào)器廠測(cè)量壓縮機(jī)，天津大學(xué)負(fù)責(zé)制冷劑分析。有關(guān)部門表示如果是一項(xiàng)好技術(shù)，應(yīng)在全國(guó)推廣。結(jié)果表明：壓縮機(jī)是美國(guó)開利公司在韓國(guó)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，加工精度在微米級(jí)，電機(jī)效率也較高。但制冷劑采用的是R22和R115混合制冷劑。這兩種制冷劑適當(dāng)配比(48.8/51.2)即為R502，是一種當(dāng)時(shí)廣泛應(yīng)用于制冷和空調(diào)的共沸制冷劑，但因R115(ODP=0.4，GWP=7 200)屬于CFCs，與R12等正處于淘汰期，最終該項(xiàng)技術(shù)被否定了。

壓縮機(jī)效率的提升對(duì)該空調(diào)器整體COP的提高具有重要作用。如果當(dāng)時(shí)有R32等工質(zhì)介入，該技術(shù)會(huì)進(jìn)一步推廣。無(wú)論如何，高效轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)迅速占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)房間空調(diào)器市場(chǎng)。圖1所示為單缸轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。

1汽缸；2滾動(dòng)轉(zhuǎn)子；3滑片；4偏心軸；5框架；6汽缸蓋；7消聲器；8曲柄軸；9貯液器；10吸入管；11隔板；12管架；13 L管；14吸入口管；15閥門；16轉(zhuǎn)子；17定子；18容器；19上蓋；20底蓋；21支撐墊；22排氣管；23索環(huán)；24終端。圖1 單缸轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of single cylinder rotor compressor

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，渦旋式壓縮機(jī)逐步走向市場(chǎng)。渦旋式壓縮機(jī)最早誕生于1905年，由法國(guó)工程師Leon Creux發(fā)明。由于加工技術(shù)的限制，20世紀(jì)80年代初才開始批量生產(chǎn)[3]。1983年，日立發(fā)明制造了世界第一臺(tái)渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)并申請(qǐng)了專利，其在壓縮機(jī)生產(chǎn)和配件方面對(duì)中國(guó)保密5年以上[4]。美國(guó)愛(ài)默生(谷輪)公司[5]、歐洲丹佛斯公司[6]也研發(fā)了渦旋式壓縮機(jī)。

渦旋壓縮機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件渦盤嚙合，即動(dòng)盤不是轉(zhuǎn)動(dòng)而是擺動(dòng)，動(dòng)盤和靜盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較小，磨損較小，壽命更長(zhǎng)。具有體積小、重量輕、輸氣連續(xù)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。因其運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪音小，被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”[7]。這種壓縮機(jī)的關(guān)鍵是渦盤型線的加工精度，必須使用高精度數(shù)控渦盤銑床[8]。較早的加工方式是同一把刀具在同一臺(tái)銑床上先后加工出動(dòng)盤和靜盤，兩者配對(duì)，沒(méi)有互換性。后來(lái)由于機(jī)床已經(jīng)達(dá)到了較高加工精度，可以大量生產(chǎn)動(dòng)盤和靜盤。固定內(nèi)容積比(壓縮比)的渦旋壓縮機(jī)很快有取代轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的趨勢(shì)。渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤/靜盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)為常用的全封閉壓縮機(jī)，表1列舉了兩者各自的特點(diǎn)。

表1 轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)和渦旋式壓縮機(jī)對(duì)比Tab.1 Comparison of rotary compressors and scroll compressors

圖2 渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤/靜盤結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of brake disk and static disk of scroll compressor

2 壓縮機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電機(jī)、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)技術(shù)

為提高壓縮機(jī)效率，渦旋壓縮機(jī)由交流變頻、數(shù)碼渦旋最終發(fā)展到直流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用集束式稀土永磁同步電機(jī)[4]，在低頻和中頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率大幅提高；同時(shí)采用IPM(轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌式)技術(shù)，轉(zhuǎn)矩提升20%，電機(jī)效率進(jìn)一步提高，比交流電機(jī)及傳統(tǒng)直流電機(jī)更節(jié)能。電機(jī)轉(zhuǎn)子插入的永磁鐵，采用釹磁材料，轉(zhuǎn)子形狀被最優(yōu)化，在轉(zhuǎn)速控制中更高效，可以消除直流電動(dòng)機(jī)特有的電磁噪音。其集中式繞組定子，具有高度低、銅損低、效率高的優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為直流永磁電機(jī)和普通交流電機(jī)效率的對(duì)比。

針對(duì)R410A冷媒的高壓特性，日立于1983年研發(fā)了不對(duì)稱渦旋盤[4]，并強(qiáng)化了軸承結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部油分離功能，如圖4所示。相比傳統(tǒng)對(duì)稱渦旋技術(shù)具有：泄漏少，效率高；相鄰兩室壓差小，振動(dòng)小，更靜音；可防止過(guò)壓縮，壓縮機(jī)使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

圖3 渦旋壓縮機(jī)電機(jī)效率對(duì)比[4]Fig.3 Motor efficiency comparison of scroll compressor

圖4 不對(duì)稱渦旋盤[4]Fig.4 Asymmetric scroll

轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)也在不斷完善，磨床工藝的進(jìn)步，提高了加工精度；采用直流永磁變頻技術(shù)，頻率調(diào)節(jié)范圍大，工作效率高；采用雙轉(zhuǎn)子對(duì)稱布置技術(shù)加大壓縮機(jī)容量，使轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的容量幾乎與渦旋壓縮機(jī)相當(dāng)。研發(fā)的雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子180°對(duì)置，其偏心配重及兩個(gè)葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力相互抵消，因此運(yùn)轉(zhuǎn)平衡，排氣波動(dòng)小，效率較高。雖然還保留排氣閥片，有些排氣損失，但方便調(diào)節(jié)排氣壓力，為以后變工況運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

2．2 變壓比技術(shù)

最早的渦旋式壓縮機(jī)內(nèi)容積比固定，是定壓縮比的，僅針對(duì)房間空調(diào)器的固定工況。但渦旋壓縮機(jī)宣稱的“沒(méi)有進(jìn)氣閥、也沒(méi)有排氣閥”的先進(jìn)性，適合早年房間空調(diào)僅測(cè)量EER的情況，即僅測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)工況，不檢驗(yàn)變工況。很快因房間空調(diào)規(guī)定要測(cè)試SEER，多聯(lián)機(jī)等要測(cè)試IPLV而難于應(yīng)用。而轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)有排氣閥，其排氣壓力或壓縮比(內(nèi)容積比)可調(diào)，在變工況下具有明顯優(yōu)勢(shì)。此后，渦旋壓縮機(jī)也開始改進(jìn)，研究出帶有排氣閥的新類型，排氣閥分中間排氣[10]和最終排氣[11]兩種，中間排氣可能有多個(gè)，處于不同的渦線位置，主要是克服過(guò)壓縮。而最終排氣閥可以維持高背壓，當(dāng)壓縮比不夠時(shí)暫不排氣，進(jìn)行下一個(gè)壓縮周期，因在定容空間中封閉壓縮，兩次壓縮的氣體可以升至所需壓力，克服欠壓縮。這樣渦旋壓縮機(jī)在變壓縮比方面，有了較大提升，可以與轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)相當(dāng)。

2．3 噴氣增焓技術(shù)

為了在低環(huán)境溫度空氣源熱泵中實(shí)現(xiàn)較大的壓縮比，渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了“噴氣增焓”(EVI，enhanced vapor injection)技術(shù)，如圖5所示。通過(guò)在渦旋盤上適當(dāng)位置開一個(gè)補(bǔ)氣孔，并增加一個(gè)吸氣回路[12-13]，增加制冷劑質(zhì)量流量并加大主循環(huán)制冷劑的焓差，將壓縮機(jī)的壓縮過(guò)程由一次升級(jí)為兩次，提升壓縮效率，有效擴(kuò)展空氣源熱泵機(jī)組的運(yùn)行范圍。使空氣源熱泵機(jī)組可以在-20 ℃的低溫環(huán)境下快速啟動(dòng)；-15 ℃時(shí)可達(dá)到額定制熱能力，制熱量提高，COP提升5%。實(shí)際上是在平面渦旋中體現(xiàn)了類似螺桿壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣技術(shù)。但當(dāng)渦旋壓縮機(jī)具有中間排氣孔時(shí)，渦旋壓縮機(jī)在一個(gè)渦盤上第一圈密封空間開設(shè)噴氣增焓孔，在第二、三密封空間開設(shè)中間排氣孔，在100%工況時(shí)無(wú)需中間排氣，在75%工況及以下時(shí)需要中間排氣，要關(guān)閉噴氣增焓孔。否則因相對(duì)位置的變化會(huì)發(fā)生“過(guò)噴氣增焓”，即噴氣增焓口嚴(yán)重錯(cuò)位，不僅無(wú)利反而有害。

圖5 渦旋壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)Fig.5 Scroll compressor enhanced vapor injection system

轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的“噴氣增焓”性能不亞于甚至可能超過(guò)渦旋壓縮機(jī)的“噴氣增焓”性能。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)缸體容積被偏心輪和滑片分割成兩塊，一個(gè)是高壓腔，另一個(gè)是低壓腔。在轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)氣缸的適當(dāng)位置開補(bǔ)氣孔，在吸氣過(guò)程中該孔被轉(zhuǎn)子覆蓋，在壓縮過(guò)程中該孔與氣缸內(nèi)部開通，實(shí)現(xiàn)噴氣增焓。噴氣過(guò)程如圖6所示。因在低壓比下排氣口相對(duì)位置沒(méi)有發(fā)生變化，噴氣口和排氣口多種工況下均配合良好，不會(huì)發(fā)生“過(guò)噴氣增焓”。轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的加工相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的型線，容易實(shí)現(xiàn)高精度大批量生產(chǎn)，這也是轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

雙級(jí)壓縮的轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，有低壓轉(zhuǎn)子和高壓轉(zhuǎn)子兩個(gè)壓縮腔，相當(dāng)于兩個(gè)壓縮過(guò)程，可進(jìn)行中間冷卻以提高性能，這是很早就有的技術(shù)。

也可在轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)氣缸側(cè)面開設(shè)噴氣增焓孔，實(shí)現(xiàn)“噴氣增焓”，其開設(shè)的位置很重要。這項(xiàng)技術(shù)不是雙轉(zhuǎn)子雙級(jí)，而是“雙轉(zhuǎn)子單級(jí)對(duì)稱180°”，兩個(gè)氣缸各有一個(gè)噴氣孔[14-15]，如圖7所示，單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)耦合氣孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7 Internal structure of single-stage rotor compressor coupling stomatal

2．4 部分負(fù)荷下調(diào)節(jié)技術(shù)

圖8 單級(jí)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噴氣增焓系統(tǒng)Fig.8 Single-stage rotor compressor enhanced vapor injection system

IPLV(H)是檢驗(yàn)低環(huán)境溫度空氣源熱泵在整個(gè)采暖季節(jié)平均COP的指標(biāo)，其值越高，表明熱泵越省電。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，戶用及類似用途空氣源熱泵的IPLV(H)為2.3[16]，工業(yè)或商業(yè)用及類似用途空氣源熱泵的IPLV(H)為2.5[17]。提高IPLV(H)的措施主要是提高部分負(fù)荷下的能效比。壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)和控制方式是影響IPLV(H)的重要因素。為了更好地提高IPLV(H)，在嚴(yán)寒地區(qū)或寒冷與嚴(yán)寒交界地區(qū)，需要采用雙級(jí)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，格力公司針對(duì)普通雙轉(zhuǎn)子雙級(jí)壓縮機(jī)無(wú)法兼顧嚴(yán)寒地區(qū)的氣候條件和能效要求的問(wèn)題，研發(fā)了適用于更低室外溫度制熱的三轉(zhuǎn)子雙級(jí)變?nèi)莘e壓縮機(jī)[18]，如圖9所示。三轉(zhuǎn)子雙級(jí)變?nèi)萘繅嚎s機(jī)因可以進(jìn)一步增大吸氣量，表現(xiàn)最佳。在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)上實(shí)現(xiàn)了三個(gè)氣缸的泵體結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)低壓級(jí)氣缸和一個(gè)高壓級(jí)氣缸形成大排量的雙級(jí)壓縮機(jī)，當(dāng)環(huán)境溫度很低時(shí)(≤-20 ℃時(shí))，低壓縮級(jí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子同時(shí)吸氣，以保證足夠的排氣量，當(dāng)環(huán)境溫度大于-20 ℃時(shí)，用油壓裝置將一個(gè)氣缸的滑動(dòng)葉片鎖住，只有一個(gè)氣缸吸氣。依靠雙級(jí)容積比的切換實(shí)現(xiàn)壓縮效率的大幅提升，拓寬了熱泵空調(diào)的工作溫度范圍(-35～54 ℃)。該壓縮機(jī)采用熱風(fēng)采暖，提高不同環(huán)境溫度下的COP，如圖10所示。在標(biāo)準(zhǔn)[16-17]的測(cè)試條件下，IPLV(H)高達(dá)3.6，并可用于-30 ℃的嚴(yán)寒地區(qū)。54 ℃制冷工況下，制冷量比單級(jí)變頻空調(diào)提高122%～136%，能效提高44%～47%。

圖9 格力三轉(zhuǎn)子雙級(jí)變?nèi)萘繅嚎s機(jī)[18]Fig.9 Three-rotor two-stage variable capacity compressor of Gree

圖10 三轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)系統(tǒng)COP隨溫度的變化Fig.10 The COP of three-rotor compressor system changes with temperature

渦旋壓縮機(jī)在不斷發(fā)展完善。2017年，艾默生公司發(fā)布ZWW熱泵熱水專用變頻壓縮機(jī)[19]，通過(guò)優(yōu)化渦旋設(shè)計(jì)、應(yīng)用高能效的渦旋容積閥等技術(shù)，在-20 ℃的環(huán)境溫度下，供水溫度可達(dá)60 ℃，在-30 ℃的環(huán)境溫度下，能穩(wěn)定的維持50 ℃出水。蒸發(fā)溫度拓展至-35 ℃，滿足極端環(huán)境溫度時(shí)的可靠性。在系統(tǒng)制熱量為14 kW，出水溫度為41 ℃時(shí)，IPLV(H)可達(dá)3.1。

3 結(jié)論

壓縮機(jī)效率的提升對(duì)空氣源熱泵整體COP和IPLV(H)的提高具有重要作用。本文回顧了壓縮機(jī)的發(fā)展歷程，并對(duì)提升轉(zhuǎn)子和渦旋壓縮機(jī)效率的新技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)在電機(jī)方面：直流電機(jī)替代交流電機(jī)，提高了轉(zhuǎn)子和渦旋壓縮機(jī)的電機(jī)效率和頻率調(diào)節(jié)范圍。

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：渦旋壓縮機(jī)的不對(duì)稱渦旋盤設(shè)計(jì)，減小噪音與泄漏量，提高了壓縮機(jī)效率。轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的雙轉(zhuǎn)子對(duì)稱布置，增大了壓縮機(jī)的容量。

3)在變壓比方面：渦旋壓縮機(jī)是定壓比設(shè)計(jì)，只有帶排氣閥的渦旋壓縮機(jī)可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)變壓縮比。轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)有排氣閥，在變工況下具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4)在低溫供暖應(yīng)用方面：為滿足低環(huán)境溫度熱泵中實(shí)現(xiàn)較大的壓縮比，轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和渦旋壓縮機(jī)均可采用噴氣增焓技術(shù)。

本文受天津市科技計(jì)劃(16YFZCGX00080)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Tianjin Science and Technology Project(No. 16YFZCGX00080).)