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1、低温热泵用转子压缩机研究及应用阙沛祯珠海格力电器股份有限公司2023年4月7日三种低温热泵压缩机开发背景PARTPART 01PARTPART 02PARTPART 03CONTENTS目 录开发难点n 热泵是加速实现碳中和的关键技术,正在全球各地区加速部署,每年增长超10%,其中欧洲、北美、亚太地区增长最快。一、开发背景美国欧洲中国2021年以来,国务院、多部委累计31份文件为热泵发展提供战略指导。各省份连续发布一系列政策,大力推行供暖领域电气化。2022年欧盟“REPowerEU能源重构”在热泵方向经费投入大560亿美元爱尔兰:从2025年起禁止在新建筑中安装燃气锅炉。荷兰:计划到2030
2、年安装200万台热泵,并计划发放补贴。挪威:通过 ENOVA 计划向2300多个家庭发放补贴,德国:颁布建筑能源法规定除特殊情况外禁止德国在2026年后安装燃油锅炉。2022年美国通过通胀削减法案以补贴返现和税收抵免方式推进热泵普及。普通消费者购置热泵可获得最高约8000美元的补贴返现,购置热泵的税额抵扣大幅提高至2000美元。二、开发难点n 全球寒冷、严寒地区覆盖范围宽,室外环境温度最低至-40-35。空气源热泵在全球普及,需重点拓宽温度适用范围,解决低环温供热能力衰减、制热效率低、可靠性下降的技术难题。二、开发难点n 常规空气源热泵,在低温环境下应用困难的原因:(1)系统蒸发温度下降,吸气
3、密度大度下降,热泵系统的制热量急剧减少。(2)系统冷凝温度与蒸发温度的温差增大,压缩机压比增加,热泵系统的COP下降。(3)随着压缩比的不断增加,排气温度迅速升高,引起压缩机过热。因此,气温较低时,压缩机运行可靠性较差,甚至烧毁。三、三种G-EVI低温热泵转子压缩机n 为解决低温环境热泵应用难题,格力开发出三种低温热泵用转子压缩机,覆盖全球不同温区三缸双级变容积比压缩机技术G-EVI 1代单级补气增焓压缩机技术G-EVI 2代双级增焓压缩机技术G-EVI 3代三缸双级变容积比增焓压缩机技术-25以上环境稳定制热-30以上环境稳定制热-35以上环境强劲制热,并适合全气候 单级补气增焓压缩机适应环
4、境温度低至-25-251.1 单级补气增焓压缩机原理n 单级补气增焓压缩机及补气系统 在单级压缩机的基础上通过增加补气增焓结构,对压缩腔进行补气,增加压缩机吸气流量,以提高系统制热量,并降低排气温度。单级补气系统运行原理图闪蒸器冷凝器蒸发器二级节流阀新型补气压缩机一级节流阀1.2 单级补气增焓压缩机关键技术n 创新补气结构设计 发明了新型的大面积密封补气结构,大幅增加了补气孔可开设区域,突破补气孔设计的局限性,并且可解决补气回流问题,提升压缩机能效。1.2 单级补气增焓压缩机关键技术中压补气防回流补气结构高压排气吸气通道最大压缩补气角度压缩腔吸气腔异型补气口设计技术异型补气口n 大面积、高利用
5、率异形补气孔 有效扩充了补气口流通面积和补气角度,适应更宽的工况范围,进一步提升补气流量,提升制热量。独特补气口位置设计,喷射口面积最优化,实现最小补气面积,最优补气能力1.2 单级补气增焓压缩机关键技术n 高效油气分离专利技术 发明内部主动高效油气分离结构,结合电机回油通道的研究,有效解决在低环温、低吸气过热度下压缩机缺油问题,提升压缩机在极端环境下的可靠性。基于多相流原理采用流体仿真分析方法优化油气分离结构,压缩机吐油率可降低约20%20%。油气分离结构设计申请发明专利1313项项高效油气分离结构专利技术高效油气分离结构专利技术1.3 单级补气增焓压缩机应用4KW暖风机中应用:相比采用常规
6、单级压缩机,通过单级补气增焓,4KW暖风机-20制热能力提升26%,能效提升8%,-25低温下可稳定送热风。26%20%15%8%6%5%0%5%10%15%20%25%30%-20-12-7制热能力提升能效提升1.3 单级补气增焓压缩机应用产品覆盖1-10HP,应用于热泵采暖、出口北美超低温分体机、热泵干衣机、热泵烘干机等领域热泵采暖冷冻冷藏超低温分体机轻商领域1HP2HP3HP6HP10HP 双级增焓压缩机双级增焓压缩机适应环境温度低至-30-302.1 双级增焓压缩机原理n 针对-25-25以下超低温下单级压缩机压比过大,制热大幅衰减、可靠性下降的瓶颈问题,提出了在单台滚动转子式压缩机上
7、实现双级增焓的解决方案,建立带闪蒸器的两级节流中间不完全冷却的双级压缩循环。在单级压缩基础上增加一级,形成双级压缩,分解压比和压差。通过两级节流的中间补气(增焓),增加高压级的制冷剂循环流量,提高制冷/制热量,并降低排气温度。增焓部件闪蒸器双级增焓压缩机高压级制冷剂流量增加排气温度降低h单位质量制冷量提升qmiqmdqmd+qmi第二级压缩第一级压缩分解压比和压差2.1 双级增焓压缩机原理 提出了一种具有内置式中间腔结构的双级压缩形式,减小了恶劣工况下中间腔的热损失,提高了中间补气量。内置式中间腔双级增焓滚动转子式压缩机第一级压缩第二级压缩单机双级增焓压缩机冷凝器蒸发器节流机构2节流机构1经济
8、器中间腔高压中压低压双级增焓滚动转子式压缩机常规单级滚动转子式压缩机 高压缸低压缸高压低压中间补气第一级压缩第二级压缩一次压缩 压缩机有2个串联的气缸,制冷剂先经低压缸进行第一级压缩,一级排气同中压补气充分混合,再进入高压缸进行第二级压缩。2.1 双级增焓压缩机原理2.2 双级增焓压缩机关键技术n 双级增焓最佳容积比的设计581,1,TPTPfhhhPPhshhhhhhhhhWQCOPcecmheat44.24.44.64.850.30.40.50.60.70.80.911.11.2理论COP容积比最佳容积比工况:国家标准(GB/T15765-2014)B类压缩机制冷量试
9、验工况制冷剂:R32双级增焓压缩循环的理论性能系数COP:容积比是双级增焓压缩机高压级气缸工作容积Vhigh与低压级气缸工作容积Vlow的比值=Vhigh/Vlow,决定了压比的分配,是影响双级压缩热泵性能的关键参数;在制冷剂种类确定、工况参数给定时,存在一个最佳的容积比使得COP最优。VhighVlow双级压缩气缸分布 高压缸低压缸中间补气2.2 双级增焓压缩机关键技术 在宽环境温度范围内,热泵系统的工况变化大,环境温度变化时,最佳容积比随之变化。双级增焓压缩机的容积比需根据系统应用场合进行合理设计。不同环境温度下的最佳容积比0.30.40.50.60.70.80.9-25-20-15-10
10、-5051015最佳容积比环境温度/12hppcpm2pm1pe容积比直接决定高、低压两级的压比分配2.2 双级增焓压缩机关键技术n 中间腔优化设计 中间腔是双级增焓压缩机衔接低压级和高压级气缸的关键流道,降低级中间腔压力脉动和流动损失流动损失,保证了压缩机在宽温运行条件下高效运行。压缩过程的内部流路压力云图补气脉动研究测试样机 低压吸气口补气口中间腔中压流道双中间腔结构减小压力脉动双级压缩机中间腔结构优化补气止回阀高效补气-30制热-20制热-15制热-7制热2制热7制热制热能力(W)3HP热泵空调制热能力对比双级系统单级系统2.1 双级增焓压缩机应用n 在热泵空调上的应用 以3HP热泵空调
11、为例,在相同两器配置条件下,与单级系统相比,双级增焓系统的制热量和COP均具有显著优势,其中-20制热能力提升33%,制热能效同时提升9%,-30稳定制热。-20制热-15制热-7制热2制热7制热制热能效百分比3HP热泵空调制热能效对比单级系统双级增焓系统33%9%2.1 双级增焓压缩机应用n 双级增焓滚动转子式压缩机共4大系列14款压缩机型号,全面实现了产业化。该技术用于低温热泵空调有挂壁机、柜机、多联机、采暖热风机、低温热泵热水机组等多种产品形式,从国内拓展至北美、欧洲等多地销售。三缸双级变容积比增焓压缩机三缸双级变容积比增焓压缩机适应环境温度低至-35-353.1 三缸双级变容积比增焓压
12、缩机原理n 更低温、更高效、更大制热量的压缩机开发 使用单级补气增焓、双级增焓技术产品在寒冷地区较其它热泵空调产品在制热量和能效上有大幅提升。但在低至-35的严寒地区使用时,制热量还不足,且在单一容积比,在宽温范围运行时综合能效低。为满足全球更多严寒地区的低温采暖需求,开发出三缸双级变容积比增焓压缩机。双容积比双级压缩循环系统变容控制部件三缸双级变容压缩机阀1阀2三缸双级变容积比增焓压缩机3.1 三缸双级变容积比增焓压缩机原理双缸模式三缸模式冷凝器蒸发器闪蒸器高压缸低压缸1低压缸2一级节流阀二级节流阀系统循环为带闪蒸器的两级节流中间不完全冷却的双级压缩循环,通过双缸双级和三缸双级两种模式的切换
13、,实现双级增焓变容积比运行。基于双容积比的变容积比双级压缩系统原理图3.2 三缸双级变容积比增焓压缩机关键技术大压比工况的相对能效容积比曲线图小压比工况的相对能效容积比曲线图n 提出热泵宽温运行时综合制热能效最优的双容积比设计。在室外环境温度 -516 的常规制热工况,双缸模式容积比取0.720.88;在室外环境温度-35-5 的低温制热工况,三缸模式容积比取0.480.623.2 三缸双级变容积比增焓压缩机关键技术n 首创滚动转子式三缸双级泵体结构,在单台压缩机上实现双容积比的双级压缩。两个低压级气缸同时工作时,低压级工作容积扩大60%以上,实现小容积比运行,解决超低温制热能效低和吸气量不足
14、的问题。一个低压级气缸工作时,大容积比运行,满足常规制热高能效需求。三缸双级变容积比压缩机增焓部件变容控制部件变容切换机构高压级气缸大低压级气缸小低压级气缸双级增焓压缩机低压级气缸高压级气缸3.2 三缸双级变容积比增焓压缩机关键技术n 超低温压缩机泵体可靠性保障 从新材料应用、轴承设计、油位保障、油气分离、温升优化等方面创新设计,结合严酷的可靠性实验,实现压缩机运行最大压比可达20,保证压缩机在超低温宽范围强劲制热。-35超低温下压缩机油位保证设计新的排气路径设计,加快超低温环境压缩机升温严酷的长期可靠性验证新材料应用保障高频、高压比可靠运行双级压缩高速运行轴承可靠性设计及实验3.3 三缸双级
15、变容积比增焓压缩机应用-25-20-15-10-50510制热能效(W/W)环境温度/三缸双级变容积比双级压缩单级压缩-40-35-30-25-20-15-10-50510制热能力(W)环境温度/三缸双级变容积比双级压缩单级压缩n 6HP空气源热泵多联机系统中,应用三缸双级变容积比压缩机的新型空气源热泵能力及能效得到大幅提升-15制热量提高54%,相同制热量时COP提高38.6%;实现低至-25时的制热量不衰减;最低运行温度拓宽至-35。54%54%38.6%38.6%低至-35可稳定运行制热量对比*制热能效对比*低至-25制热量不衰减额定制热量16000W*测试依据:国标GB/T 25857
16、-2010;企标Q/GD 20.00.072-20163.3 三缸双级变容积比增焓压缩机应用研发了四大系列三缸双级变容积比压缩机,应用于分体式热泵空调、多联式热泵空调和热泵热水机组、北美超低温户式机等低温空气源热泵产品。全系列三缸双级变容比压缩机1.5HP2HP3HP6HP应用的低温热泵产品3.3 三缸双级变容积比增焓压缩机应用三缸双级变容积比压缩机可用于-35超低温制热的家用空气源热泵产品,可取消了辅助加热手段,解决了家用热泵空调低温供热不足能效不佳的关键问题,对寒冷地区建筑领域的节能减排有显著作用和重大的推广应用价值。举例:应用在蒙古国低温空气源热泵采暖应用及示范,在最低温达-40的蒙古国
17、等地区成功应用推广。“Heating Application and Demonstration of Low Ambient Temperature Air Source Heat Pump Heating in Mongolia”project led by Prof.Dr.Kirk R.Smith.在蒙古国乌兰巴托市的应用3.3 三缸双级变容积比增焓压缩机应用n 我国严寒地区的应用东北三省和内蒙古属于我国的严寒地区,冬季平均温度在-25-10,极端天气时最低温度接近-35。项目产品在吉林、黑龙江、辽宁、内蒙古等多地安装使用,用户对产品的制热性能满意。黑龙江省大庆市辽宁省抚顺市吉林省吉林市内蒙古锡林浩特市THANK YOU THANK YOU !