多聯(lián)機(jī)用壓縮機(jī)的低負(fù)荷性能實(shí)驗(yàn)研究

闕沛禎 魏會(huì)軍 牛玉婷

（1.珠海格力節(jié)能環(huán)保制冷技術(shù)研究中心有限公司 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組（以下簡(jiǎn)稱多聯(lián)機(jī)）為一臺(tái)或數(shù)臺(tái)室外機(jī)連接多臺(tái)室內(nèi)機(jī)的空調(diào)機(jī)組，具有美觀、節(jié)省空間、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍逐漸從酒店、學(xué)校等公共建筑擴(kuò)展到到別墅、普通家庭等住宅建筑。統(tǒng)計(jì)表明[1-3]，多聯(lián)機(jī)已占中央空調(diào)50 %以上的市場(chǎng)份額，對(duì)建筑能耗的影響越來(lái)越大。據(jù)國(guó)家七部委聯(lián)合發(fā)布的《綠色高效制冷行動(dòng)方案》中要求，到 2022年多聯(lián)機(jī)的能效水平需提升40 %，節(jié)能需求急迫。

壓縮機(jī)作為多聯(lián)機(jī)的核心部件，其能效水平對(duì)于多聯(lián)機(jī)實(shí)際使用能耗起著至關(guān)重要的作用。多聯(lián)機(jī)的多末端工作形式?jīng)Q定了其在大部分時(shí)間處于非滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，多聯(lián)機(jī)有近60 %的時(shí)間在30 %以下負(fù)荷運(yùn)行。而壓縮機(jī)在低頻低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，效率大幅下降，易頻繁啟停。因此，對(duì)多聯(lián)機(jī)用壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行能效特點(diǎn)研究十分重要。

王興[5]對(duì)各廠家多聯(lián)機(jī)用變頻渦旋壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行性能總結(jié)出六點(diǎn)方法，借鑒了傳統(tǒng)制冷與空調(diào)能量調(diào)節(jié)形式，也利用了現(xiàn)代電子控制方法，為用變頻渦旋壓縮機(jī)多聯(lián)機(jī)低負(fù)荷能效提升提供參考。但這些改善方式尚不能從根本上解決渦旋壓縮機(jī)低負(fù)荷能效較低的問(wèn)題，且有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。張霞[6]對(duì)比了渦旋壓縮機(jī)與轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的差異，認(rèn)為在全工況制冷及制熱下，變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)運(yùn)行頻率更廣且能效更高，綜合能效更優(yōu)，且在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)模式下，相對(duì)于渦旋優(yōu)勢(shì)較為明顯。徐嘉[7]等人總結(jié)提出了三種壓縮機(jī)變?nèi)菁夹g(shù)，包括多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)、變頻技術(shù)以及壓縮機(jī)工作腔卸載技術(shù)。其中多臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，變頻技術(shù)現(xiàn)已通用，而壓縮機(jī)工作腔卸載技術(shù)即為本文所述變?nèi)輭嚎s機(jī)技術(shù)。文章表明變頻與變?nèi)菁夹g(shù)結(jié)合能夠有效提升壓縮機(jī)中間點(diǎn)及最小制冷能力時(shí)的能效，具有一定參考意義，但該文章尚未對(duì)壓縮機(jī)低負(fù)荷能效進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)多聯(lián)機(jī)用變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、變頻渦旋壓縮機(jī)以及格力電器股份有限公司研發(fā)的變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比研究，分析不同壓縮機(jī)在低負(fù)荷工況下的能效水平，為開發(fā)高效節(jié)能多聯(lián)機(jī)時(shí)壓縮機(jī)的選型工作提供參考指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)用壓縮機(jī)類型及原理簡(jiǎn)介

目前多聯(lián)機(jī)用壓縮機(jī)主要包括變頻渦旋壓縮機(jī)、變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)以及格力的變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)，均屬于容積式壓縮機(jī)。

變頻渦旋壓縮機(jī)在8HP以上商用多聯(lián)機(jī)中使用廣泛[3]，其通過(guò)動(dòng)盤與靜盤相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)形成封閉容積的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)的壓縮，具有結(jié)構(gòu)精密，靜音穩(wěn)定等特點(diǎn)。排量一定，可通過(guò)頻率調(diào)節(jié)能力輸出。

隨著轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的大型化發(fā)展，部分商用機(jī)型開始選用常規(guī)變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)由兩氣缸組成，運(yùn)行時(shí)利用偏心曲軸，帶動(dòng)活塞在兩氣缸內(nèi)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)縮小工作容積，達(dá)到壓縮目的，其排量一定，可通過(guò)頻率調(diào)節(jié)能力輸出。

格力變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)除常規(guī)雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)特點(diǎn)外，還具有容積可變功能。如圖1，變?nèi)輾飧椎膲嚎s和空轉(zhuǎn)之間轉(zhuǎn)換是通過(guò)壓力控制系統(tǒng)和滑塊鎖止機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。即在滑塊上開設(shè)有凹槽，下軸承開設(shè)有鎖止機(jī)構(gòu)，此鎖止機(jī)構(gòu)包括可以上下運(yùn)動(dòng)的銷釘，以及銷釘?shù)撞康膹椈伞．?dāng)負(fù)載較低時(shí)，銷釘上端和下端導(dǎo)入低壓氣體，壓力平衡，在彈簧力作用下銷釘向上運(yùn)動(dòng)，銷釘鎖止滑塊，使滑塊和滾子分離，變?nèi)輾飧卓蛰d不壓縮，實(shí)現(xiàn)單缸運(yùn)行模式。當(dāng)處于中高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，銷釘上端通入了高壓，下端維持低壓，銷釘在上下端壓差作用下克服彈簧力向下運(yùn)動(dòng)，滑塊被解鎖，使滑片和滾子貼合，變?nèi)輭嚎s運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)雙缸運(yùn)行模式。

圖1 變頻變?nèi)輭嚎s機(jī)容積切換原理圖

現(xiàn)選取A公司生產(chǎn)的排量為72 cc（以下簡(jiǎn)稱A72）變頻渦旋壓縮機(jī)，B公司生產(chǎn)的排量為65 cc（以下簡(jiǎn)稱B65）變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)以及珠海格力電器股份有限公司研發(fā)的排量為80 cc（以下簡(jiǎn)稱H80）的等雙缸變頻變?nèi)輭嚎s機(jī)（即卸載一缸排量降為40 cc）作為樣機(jī)進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2 壓縮機(jī)方法和測(cè)試工況

測(cè)試原理和測(cè)試方法與GB 5773-86《容積式制冷壓縮機(jī)性能測(cè)試》中規(guī)定的第二制冷劑量熱器法相同。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

多聯(lián)機(jī)是基于全屋熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，其選用壓縮機(jī)首要滿足最大負(fù)荷輸出，可以考慮超配130 %[2]，故排量一般選擇較大。在實(shí)際使用中，多聯(lián)機(jī)運(yùn)行范圍較為寬范，其負(fù)荷率覆蓋100 %至10 %以下，而不同負(fù)荷率下壓縮機(jī)運(yùn)行工況存在較大差異。

為客觀評(píng)估壓縮機(jī)性能，首先進(jìn)行了同頻率ARI工況測(cè)試，該工況可基本反映壓縮機(jī)中高負(fù)荷性能。測(cè)試工況和測(cè)試結(jié)果如下表所示。在運(yùn)行頻率均為60 Hz的情況下，變頻渦旋壓縮機(jī)A72能效略優(yōu)于結(jié)果近似的變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)B65和H80，可判定三臺(tái)壓縮機(jī)中高負(fù)荷水平相當(dāng)（如表2）。

為更好模擬低負(fù)荷運(yùn)行情況，選取制冷量為33.5 kW的同一系統(tǒng)下實(shí)際運(yùn)行不同負(fù)荷率的6種工況對(duì)實(shí)驗(yàn)壓縮機(jī)進(jìn)行單機(jī)測(cè)試（如表1）。在工況1、2下，壓縮機(jī)處于極低負(fù)荷（低于10 %）狀態(tài)，而渦旋A72壓縮機(jī)最低運(yùn)行頻率為10 Hz，其理論制冷量已遠(yuǎn)大于所需冷量，故未進(jìn)行升頻。其后的工況負(fù)荷率逐步增加，頻率選定以排量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，具體工況及各款壓縮機(jī)運(yùn)行頻率如表3。

表1 ARI測(cè)試工況

表2 ARI測(cè)試結(jié)果

表3 低負(fù)荷能效測(cè)試工況及壓縮機(jī)運(yùn)行頻率

3 壓縮機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行能效測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 低負(fù)荷性能測(cè)試結(jié)果

壓縮機(jī)能效隨工況即負(fù)荷情況發(fā)生變化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到圖3～圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖3為壓縮機(jī)低負(fù)荷工況下能效變化曲線。整體上，隨負(fù)荷降低，變頻渦旋A72壓縮機(jī)能效呈現(xiàn)大幅下降趨勢(shì)，變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)B65及H80相對(duì)而言較為穩(wěn)定。在負(fù)荷率16 %以下（工況1、2、3），變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)H80單缸與B65相比優(yōu)勢(shì)明顯，能效最大提升30 %；整體均優(yōu)于變頻渦旋壓縮機(jī)A72（能效最大提升近90 %）。隨著負(fù)荷加重（負(fù)荷率至30 %以上），渦旋壓縮機(jī)A72能效逐步上升，略高于轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。

圖3 壓縮機(jī)低負(fù)荷能效

圖4 壓縮機(jī)低負(fù)荷制冷量

圖5 壓縮機(jī)低負(fù)荷容積效率

圖4、5分別為壓縮機(jī)低負(fù)荷工況下的制冷量及容積效率變化。結(jié)合圖3可以看出，各款壓縮機(jī)低負(fù)荷能效變化規(guī)律基本與容積效率變化趨勢(shì)一致。故低負(fù)荷工況下的能效主要與壓縮機(jī)泄露呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。以輕負(fù)荷工況2為例，此時(shí)變頻渦旋A72壓縮機(jī)制冷量低，容積效率僅為52 %。變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)B65容積效率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，表示頻率降低，泄露增加。在負(fù)荷率16 %以下，變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)H80憑借單缸小排量高頻率的優(yōu)勢(shì)，使容積效率提升至90 %左右；同一工況（工況3）下，其單缸制冷量明顯高于雙缸，容積效率也突破常規(guī)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)限制，進(jìn)一步提高。

3.2 性能測(cè)試結(jié)果分析

多聯(lián)機(jī)用壓縮機(jī)一般采用變頻技術(shù)降低頻率，保證不停機(jī)狀態(tài)下的低冷量輸出。而變頻技術(shù)的應(yīng)用不論是在省電方面還是在提高房間舒適性方面均有一定效果。但隨著運(yùn)行頻率的降低（即轉(zhuǎn)速的降低），壓縮機(jī)的能效依然會(huì)下降。當(dāng)運(yùn)行頻率已降至最低，輸出最小冷量依然過(guò)大時(shí)，仍只能選擇停機(jī)再啟動(dòng)。

有研究表明[7]，變頻渦旋壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的壓縮性能欠佳，主要原因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速引起的內(nèi)壓力降低導(dǎo)致的泄漏量增大，與圖3～5實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。變頻渦旋壓縮機(jī)A72在低負(fù)荷工況下的能效遠(yuǎn)低于變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)B65及H80，其主要原因在于容積效率的大幅降低。

而轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的低頻內(nèi)泄漏雖不如渦旋壓縮機(jī)一般嚴(yán)重，但轉(zhuǎn)速降低帶來(lái)的泄漏量仍不可忽視。轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)主要利用結(jié)構(gòu)緊湊的各部件間的配合間隙的油膜密封來(lái)防止泄漏[8]。降低轉(zhuǎn)速不利于油膜的形成與密封。同時(shí)，低轉(zhuǎn)速低負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的下降以及損耗的增加。

在低負(fù)荷工況下，變?nèi)菁夹g(shù)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在兩方面：

1）與常規(guī)雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相比，卸載其中一個(gè)氣缸可以拓寬變?nèi)輭嚎s機(jī)的冷量輸出范圍，即同排量同頻率情況下，變?nèi)輭嚎s機(jī)單缸輸出冷量為常規(guī)壓縮機(jī)的一半以下，可真正實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷不停機(jī)。

2）同冷量輸出下，相較于常規(guī)雙轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，變?nèi)輭嚎s機(jī)可通過(guò)卸載其中一個(gè)氣缸降低排量方式提高運(yùn)行頻率，加大轉(zhuǎn)速。一方面，隨著轉(zhuǎn)速升高，油膜更易生成。良好的油膜狀態(tài)會(huì)使密封性增強(qiáng)，壓縮機(jī)內(nèi)泄露減少，進(jìn)而提升容積效率。另一方面，隨著轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)效率會(huì)出現(xiàn)提升。當(dāng)負(fù)荷率處于16 %以下時(shí)，對(duì)比H80和B65壓縮機(jī)的容積效率和能效可發(fā)現(xiàn)，能效提升幅度更大。除去泵體摩擦損耗降低，提升部分應(yīng)為電機(jī)效率的提升。故如圖3所示，在負(fù)荷率16 %以下，變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)H80單缸運(yùn)行頻率高于變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)B65，能效大幅提升。

4 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用于同一多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的不同壓縮機(jī)進(jìn)行了低負(fù)荷性能測(cè)試，分析了低頻低負(fù)荷對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，并得出如下結(jié)論：

1）多聯(lián)機(jī)用變頻渦旋壓縮機(jī)、變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)及變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)在中高負(fù)荷下性能差異不大，渦旋壓縮機(jī)有一定優(yōu)勢(shì)。

2）在低負(fù)荷工況下轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)性能顯著優(yōu)于渦旋壓縮機(jī)，主要是變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)低頻容積效率高于渦旋壓縮機(jī)。

3）變?nèi)輭嚎s機(jī)可以通過(guò)容積和頻率同步調(diào)節(jié)，有效提升壓縮機(jī)的容積效率和電機(jī)效率，從而提升低負(fù)荷能效并拓寬冷量輸出范圍。

因此，若多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)期處于中高負(fù)荷下運(yùn)行的商用場(chǎng)合，選用渦旋壓縮機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)；若應(yīng)用于長(zhǎng)期處于低負(fù)荷下運(yùn)行的家用及辦公等場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)選變頻轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機(jī)在此種場(chǎng)合下的能效和能力輸出范圍都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。