3  未来发展展望
  3.1  适应制冷剂低GWP(温室效应潜能)化
  2021年9月15日《〈关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书〉基加利修正案》(以下称《基加利修正案》)在我国正式生效,《基加利修正案》旨在加强对高GWP值的氢氟碳化物(HFCs)等非二氧化碳温室气体的管控,将未来30年HFCs的预计生产和消费量削减至少80%。
  2021年10月26日生态环境部等修订了《中国进出口受控消耗臭氧层物质名录》(以下简称《名录》),自2021年11月1日起,对《名录》中所列物质实行进出口许可证管理制度。R134a、R404A、R410A、R507A和R407C等目前普遍使用的高GWP值HFCs制冷剂将受到管控,未来可用的制冷剂主要有氨、空气、水、二氧化碳和碳氢类(HCs)等自然工质,以及R1234ze(E)、R1234yf、R1233zd(E)、R32等含氟烯烃类(HFOs)低GWP合成工质。由于涉及知识产权和分解物会污染环境等问题,再加上弱可燃性及热物性的天然缺陷,HFOs在我国使用会受到掣肘,因此,尽可能使用自然工质或近自然工质,才是我国在新一轮工质替代中最具可行性的明智选择。自然工质的热物性相差很大,其适用性往往限制在某个(些)应用领域或产品,即其使用将会有分领域专用化的趋势。未来在小型制冷/热泵装置中,CO2将成为住宅热泵的主要工质,HCs将成为家用制冷、轻商制冷和住宅空调的核心工质,而新能源车用热泵则会主要采用CO2或空气。作为核心部件的压缩机,要顺应制冷、热泵工质自然化的趋势,必须发展使用自然工质的压缩机。
  另外需要指出的是,R32可以看做是近自然工质,具有较低的GWP值,单位容积制冷量大,充注量小,R32设备的能效高,全寿命期气候性能(LCCP)优异;R32做为中小型制冷空调领域的替代技术选择方向之一,从安全性、经济性、环保性等方面综合评价具有明显的优点,在未来中长期内具有进一步推广的良好前景。
  目前我国自然工质压缩机所处的发展阶段相差较大,应用比较成熟的有冰箱、冰柜用R600a压缩机和热泵热水器用CO2压缩机。CO2压缩机进一步拓展的应用领域主要有热泵干衣机等新型住宅热泵和新能源车热泵,前者与热水器用压缩机相近,主要考虑容量和工况的差异来扩大产品系列和型号,而后者则是全新的产品,除了工作原理外,与热水器用压缩机几乎无相同之处。新能源用CO2压缩机目前为半封闭涡旋式,采用直流驱动和全铝结构,运行必须适应车载的工况和环境;从原理上看,滚动活塞式结构更适合新能源车的工况和环境,到目前为止还未看到有厂家选用,可能是其未有在燃油车空调使用的技术积累和制造经验造成的。除了R600a压缩机外,R290压缩机生产和应用也相对趋于成熟,而产量上与前者相差巨大,这可能是以前高GWP值HFCs受控政策的这只靴子未落地造成的,目前这只靴子已经落地,R290将是轻商制冷和住宅空调的首选工质。另一方面,R290的应用还会受到以下因素制约:一是整机如何有效规避R290可燃性带来的风险,对安装维修人员和使用者加强培训只是其最基本的措施,而创新结构和技术来增加产品安全性和使用容错性才是根本的出路;二是加强产品研发,完善产品种类和系列,目前HFCs压缩机的产品种类和系列,R290压缩机都应该有,因为二者用途相同、物性相近。特别指出的是,空气在新能源车热泵甚至是住宅热泵中应用的潜力巨大,空气不仅具有极好的安全性和环保性,而且其工作特性研究积累和制造技术进步将会显著提升其产品的技术经济性,因此,应当重视空气制冷/热泵技术及其压缩机的研发。
  3.2  适应住宅超低能耗化
  基于超低能耗的绿色建筑,是我国创建绿色生活的重要抓手。为此,住房和城乡建设部等发布了绿色建筑创建行动方案,预设目标为到2022年,当年城镇新建建筑中绿色建筑面积占比达到70%。而在“双碳”目标的驱动下,超低能耗住宅建筑将会加速发展,占比会越来越大。因此,服务于住宅的空调等设备必须进行全面改新,来适应超低能耗住宅。超低能耗住宅的空调负荷特性,与目前主流的普通建筑差异很大。首先,空调负荷仅为后者的三分之一左右,目前常见的制冷量为1.8~3.5 kW房间空调器,用于超低能耗住宅均显得超大,而超低能耗住宅相配的主要是目前市场比较少见的制冷量为0.5~1.5 kW空调器;其次,超低能耗住宅的漏气率很低,通风换气量要高于普通建筑,新风负荷偏大甚至远超空调负荷,特别是严寒和酷暑季节更是这样,因此,其机械通风将成为标配且其热回收率不低于75%;再次,超低能耗住宅的空调与新风处理设备一体化的趋势非常明显,国家标准GB/T 40438—2021热泵型新风环境控制一体机已经颁布,将会有力推动一体机在超低能耗住宅中的应用,并使之成为超低能耗住宅典型的空调机型。
  空调压缩机将会适应超低能耗住宅空调的变化而改变。首先,制冷量为0.5~1.5 kW的小容量空调压缩机品种和系列应增加,尽管这方面有家用除湿机压缩机在技术及制造上有积累,但是空调压缩机与之运行工况差异比较大,特别是除湿机没有制热运行工况,因此,小容量空调压缩机在技术及制造上仍需要进一步研发;其次,注重热泵型新风环境控制一体机用压缩机的研发,目前国内已有厂家研制出,独立吸、排气的双缸旋转压缩机,构成双回路热泵型新风环境控制一体机,但其仅是处于试制试用阶段,因此,需要加强这方面的研发,生产出全系列的独立吸、排气多缸压缩机,创新出我国特有的空调设备品种。
  3.3  适应驱动电源直流化
  在碳中和大势下,光伏、风电等新能源的开发及应用得到快速提升,而光伏发电成本近年大幅度降低,将成为实现零碳电力的主力军。为此,基于光伏技术构建的“光储直柔”新型建筑配电系统,正在进行研发和示范应用,将会助力净零能耗建筑的发展。该配电系统“光”是指建筑外壳光伏发电,“储”是指储电与储能,“直”是指直流(DC)供电,“柔”指柔性负载,即负载根据电网的供求关系自动改变其瞬间用电功率。包括制冷空调设备在内所有建筑用电设备,必须适应“光储直柔”配电系统,作为小型制冷空调核心用电部件的压缩机更是这样。首先压缩机的驱动电源为直流电,这种配电系统的母线电压通常为375 V,进入房内的电压通常为48 V或24 V,因此需要研发375 V、48 V或24 V直流驱动的压缩机;其次,压缩机能在较大范围内进行容量调节,特别是对于变频压缩机,要很好适应DC/DC变流器且变频范围更宽;其三,压缩机要与设备冷/热量使用及储存特性相协调或匹配。这样,压缩机的控制器研发则是重中之重,以保证其运转随电网波动的跟随性良好,另外,在极高速和极低速工况下压缩机运行稳定性和能效改进也需要深入研究,保证其在全速范围内的优良性能。
  目前,直流驱动压缩机市场上已有部分产品供应,但供应的品种和型号有限,而适合“光储直柔”配电系统应用的产品少之又少。因此,研发很好适应“光储直柔”配电系统的压缩机及其冷暖设备,是“碳中和”大势下的市场期许,发展前景广阔。
  3.4  适应热泵普及化
  热泵产品作为高效节能技术,将在我国“碳中和”进程中发挥巨大作用。近些年小型热泵在“煤改电”进程中发挥巨大的作用,应用量不断扩大,但是这种运动式推广也造成了部分产品性能不太完善,甚至粗制滥造的问题,因此,进一步改进热泵性能、研发出住宅供暖适宜的产品是用户的期许,更是稳固占有市场的保障。另一方面热水器、干衣机等用途的住宅热泵市场需求也很大,热泵热水器经过十多年发展,已经拥有近百亿的市场规模,而热泵干衣机市场容量巨大,而目前应用规模较小。供暖热泵制热运行的工况范围跨度大,因此,低温工况的能力提升和除霜改进的研发将会持续下去,还需要进一步研制兼顾舒适性和节能性的适宜散热末端型式。热泵热水器除了极低温环境制热能力提升等低温性能改善外,还应注重高温工况下高效化运行的研究,制热更快、能耗更低将是热水器持续追求的目标。热泵干衣机运行工况相对稳定,但其发展方向应该是更高的能效比和性价比。
  为住宅热泵研发和制造高性能的压缩机,是小型压缩机未来发展的重要领域。低温制热能力强同时高温运行电耗低的压缩机是热泵热水器合意的机器,这就要求压缩机能在宽压力比范围内都能高效运行,最好能根据工况改变压缩比,比如单级压缩、双级压缩交替运行。干衣机热泵压缩机,要根据干衣需求进行专门设计,保证其性能特性与衣服干燥特性的良好匹配。
  3.5  适应高能效比的要求
  为了追求小型制冷空调设备更高的能效比,其压缩机变频范围会越来越宽。变频压缩机容量调节范围宽、能很好跟随负荷的变化,不仅控温精度高,且全工况运行的节能性优越,在空调器中的应用已有普及之势,而在冰箱、冰柜中应用也非常普遍。2020年7月1日开始实行的GB 21455—2019《房间空气调节器能效限定值及能效等级》,进一步促进压缩机的变频化发展,变频范围预期可达10~120 Hz甚至更宽。
  小型制冷空调设备使用地的气候特征,会严重影响到其运行能耗及能效,现在空调器能效等级评价趋于全年化,即按照全年运行规律来评价其能效水平。因此,像冰箱一样分地域研发、制造空调将会势在必行,这就需要为各地域空调针对性地研发适宜的压缩机。
  3.6  新型压缩机的发展
  小容量涡旋压缩机回归。目前,小型制冷设备主要用活塞压缩机,空调器主要用旋转压缩机,而小容量涡旋压缩机的市场空间近年来基本上被旋转压缩机挤压殆尽。小容量涡旋压缩机退出市场的主要原因是价格因素,涡旋压缩机性能优异、结构简单,价格偏高主要是加工要求高所致。随着加工技术进步以及人工智能应用普及,小容量涡旋压缩机价格偏高这一限制条件将有望被冲抵,使得小容量涡旋压缩机回归可能性极大。
  线性压缩机,在结构和原理上具有很大优势,而目前的应用面却有限,这主要是受其能效比不突出、运行稳定性及变工况适应性较差的限制。未来,随着线性电机的技术进步和压缩机理的深入研究,线性压缩机发展的限制因素会逐步克服,其应用应会得以扩大。
  不同型式复合的压缩机,具有单一型式不具备的优点,在一些适宜的应用场合会得到发展。例如,涡旋压缩机与旋转压缩机共轴驱动的复合压缩机,构成二级压缩机时能发挥各自的优势,一、二级容积比配置会更合理;另外,还可以做压缩-膨胀机使用,充分回收节流过程的压力能。
  传统型式的小型压缩机在改进性能、拓宽用途驱动下还会衍生出新结构。旋转压缩机,在传统单缸、双缸机的基础上,又衍生出三缸、四缸机,为了改善低温工况制热性能,又研发出补气压缩、双级压缩、变容双级压缩等机型,以及双吸气、独立吸排气的双缸机;双吸气的活塞压缩机也具有独特的优势,其研发应该受到重视。
  需要指出的是,尽管以上对小型制冷空调设备及其压缩机未来发展的影响因素分析为独立考量,但这些因素往往同时会出现并叠加在一起影响压缩机的未来发展,因此,应全面综合地考虑以上影响因素,而不应孤立地看待。
  4  结束语
  本文在介绍活塞压缩机、滚动活塞压缩机和涡旋压缩机特点的基础上,调研了不同类型压缩机的市场概况、适用工质、容量范围,讨论了其产品现状与技术研发,并分析了其未来发展的影响因素及方向。主要结论如下:
  1)全封闭活塞压缩机在家用冰箱、冷柜中的应用占有绝对优势,较小容量机器用R600a为工质,较大容量机器用R290为工质,而R134a和R404A将逐步退出;低温用途COP接近2,中温用途可达2.5,高温用途接近3;技术发展主要是变频机型扩大应用和运行范围拓宽。
  2)滚动活塞压缩机在房间空调、住宅热泵中的应用占有绝对优势,空调压缩机用R32为工质,未来将可能采用R290,而R410A将逐步退出,热泵压缩机将采用R744;COP大多为3~4;技术发展主要是拓宽压缩机的变频范围,降低噪声,扩展应用领域和工况范围。
  3)涡旋压缩机主要用于单元式空调机和热泵冷(热)水机组,工质目前以R410A为主,R32应用会逐步扩大,其COP值多集中在3.2~3.5之间,由于价格较高的因素,其较小容量机器市场空间逐步被滚动活塞压缩机挤占。
  4)在碳中和的背景下,小型制冷压缩机要适应制冷剂低GWP化、住宅超低能耗化、驱动电源直流化、热泵普及化的发展趋势,进一步扩大变频范围来适应能效水平提升,在改进性能和拓宽用途驱动下会持续研发新结构压缩机。涡旋压缩机应注重结构及型线优化及加工过程简化,使中小机型的价格更具竞争力,而线性压缩机应注意改善其动力性能和变工况适应性,以及线性电机的技术进步。