渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

周翾，李征濤，華正豪，洪謝文，陳永杰

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渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

周翾*，李征濤，華正豪，洪謝文，陳永杰

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

渦旋式制冷壓縮機(jī)在制冷空調(diào)行業(yè)已有廣泛的應(yīng)用，而變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)可以幫助渦旋式制冷壓縮機(jī)進(jìn)一步拓寬壓縮機(jī)市場(chǎng)。本文將目前應(yīng)用廣泛的壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行分類整理，總結(jié)出適用渦旋式制冷壓縮機(jī)的幾種變?nèi)萘糠椒ǎ⒄砹俗冾l技術(shù)、數(shù)碼渦旋技術(shù)、冷媒噴射/泄出技術(shù)等變?nèi)萘糠椒ǖ膰鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀。指出了渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的兩個(gè)最新運(yùn)用方向：變頻噴氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)與新能源汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并整理了最新研究成果。

渦旋壓縮機(jī)；容量調(diào)節(jié)；變頻技術(shù)；噴氣增焓

0 引言

渦旋壓縮機(jī)具有體積小、能耗低、運(yùn)行可靠、壓縮效率高等特點(diǎn)，單臺(tái)排量范圍有2.1~78 m3/h，單臺(tái)功率范圍達(dá)(1~60) hp，多臺(tái)并聯(lián)最大可達(dá)120 hp，冷量范圍約有(1.70~417.5) kW[1]，憑借渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)，渦旋壓縮機(jī)逐漸打開輕商用制冷壓縮機(jī)市場(chǎng)，在小排量范圍內(nèi)小功率渦旋壓縮機(jī)可與大功率轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)展開競(jìng)爭(zhēng)，在大排量范圍內(nèi)大功率渦旋壓縮機(jī)又能與螺桿式壓縮機(jī)展開角逐[2]。從市場(chǎng)份額上來[3-7]，我國渦旋式壓縮機(jī)的市場(chǎng)需求量從2012年開始呈直線增長趨勢(shì)如圖1，這主要得益于渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的迅速發(fā)展帶來的總體成本下降。

目前渦旋制冷壓縮機(jī)也正努力朝拓寬冷凍冷藏和熱泵行業(yè)市場(chǎng)的方向發(fā)展。本文以上述渦旋壓縮機(jī)的現(xiàn)階段發(fā)展為背景，論述了迄今為止渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合實(shí)際情況淺述了現(xiàn)階段渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的運(yùn)用領(lǐng)域與發(fā)展方向。

圖1 2012—2016年渦旋式制冷壓縮機(jī)銷售情況

1 渦旋壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)的原理

渦旋壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)的原理同其他壓縮機(jī)類似，實(shí)際是通過改變制冷劑流量從而改變壓縮機(jī)制冷量以適應(yīng)變化的負(fù)荷，根據(jù)壓縮機(jī)的制冷量公式：

0=·1··D(1)

式中：

——壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

1——吸氣密度，m3/kg；

——壓縮機(jī)的排氣量，m3/min；

D——制冷劑進(jìn)、出蒸發(fā)器的比焓差，kJ/kg。

可以看出，通過改變式中壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、吸氣密度或比焓差都可以改變制冷量。基于上述原理可將壓縮機(jī)基本調(diào)節(jié)方式分為：吸氣節(jié)流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和工作容積調(diào)節(jié)[7]。文獻(xiàn)[1]對(duì)近年來壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行了較完善的分類與介紹，其中渦旋式壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)技術(shù)也得到了發(fā)展與衍生，目前為止，提高單臺(tái)渦旋式壓縮機(jī)壓縮容量的方式可分為轉(zhuǎn)速控制和機(jī)械變?nèi)菘刂苾纱箢?，多臺(tái)渦旋式壓縮機(jī)采取外部多機(jī)并聯(lián)分級(jí)調(diào)節(jié)方式與雙渦旋壓縮機(jī)內(nèi)部并聯(lián)的調(diào)節(jié)方式，分類見圖2。

圖2 渦旋式壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)方式分類示意圖

2 渦旋壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)的方式與相關(guān)技術(shù)研究

2.1 變頻調(diào)節(jié)

2.1.1 變頻控制技術(shù)

變頻技術(shù)的核心包括逆變器、微控制器、近脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）和變頻壓縮機(jī)。逆變器能將直流電輸出為交流電，目前通常采用集成了智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）與功率因素校正（Power Factor Correction，PFC）環(huán)節(jié)的逆變技術(shù)；微控制器目前使用數(shù)字信號(hào)處理的方式（Digital Signal Processor，DSP），該控制方式簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大[9-10]。直流變頻壓縮機(jī)使用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配合脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、單PWM、PAM/PWM這3種調(diào)制方式調(diào)節(jié)可調(diào)矩形波的通電時(shí)間和不通電時(shí)間來改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速從而改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)制冷劑流量的變化。

數(shù)碼渦旋技術(shù)是一種特殊的變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)，2001年11月谷輪公司正式向市場(chǎng)推出了數(shù)碼渦旋變?nèi)菘刂萍夹g(shù)[1]，它既是變頻調(diào)節(jié)技術(shù)的一種，因其采用PWM技術(shù)控制電磁閥的開啟與閉合時(shí)間以及電磁閥開啟的程度。同時(shí)它也借鑒了吸氣回流的壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)技術(shù)，通過控制兩個(gè)渦旋盤由于背壓?jiǎn)适Ф撾x貼合的狀態(tài)下存在的軸向間隙使氣體發(fā)生內(nèi)部泄漏，氣體在壓差作用下返回吸氣腔，此時(shí)壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)下無實(shí)際容量壓縮。由兩個(gè)渦旋盤的貼合與分離造成了數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)的兩個(gè)工作周期：“負(fù)載期”和“卸載期”，根據(jù)PWM控制兩個(gè)周期的時(shí)間比從而控制壓縮機(jī)的容量，與開停調(diào)節(jié)不同的是，在控制容量過程中數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)始終保持著額定轉(zhuǎn)速[9-11]。

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)與數(shù)碼渦旋技術(shù)是目前真正主導(dǎo)市場(chǎng)的主流變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)，兩種技術(shù)的特點(diǎn)在于避免了頻繁開停而造成的電能損失，控制方式簡(jiǎn)單，容量調(diào)節(jié)范圍寬，缺點(diǎn)為成本較高，對(duì)于小排量渦旋式壓縮機(jī)控制精度較高，而對(duì)于大壓比的大排量渦旋式壓縮機(jī)通常還是采取冷媒噴射等其他變?nèi)菁夹g(shù)。

2.1.2 變頻調(diào)節(jié)壓縮機(jī)運(yùn)行的性能

渦旋壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)容量技術(shù)的關(guān)鍵在于找到壓縮機(jī)匹配目標(biāo)負(fù)載的最佳頻率。在模型方面，WINANDY[12]最先設(shè)計(jì)了包含理想等溫面的渦旋壓縮機(jī)完整運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型（圖3），該模型假定了一個(gè)理想等溫的壓縮機(jī)壁面，進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑將與此壁面進(jìn)行熱量的交換，并在此基礎(chǔ)上，將制冷劑進(jìn)出壓縮機(jī)壓縮過程分為4個(gè)階段：制冷劑升溫過程、等熵壓縮過程、恒定容積絕熱壓縮過程和制冷劑降溫過程。制冷劑升溫過程中，制冷劑蒸汽由吸入狀態(tài)（su）吸收壁面?zhèn)鬟f的熱量變成壓縮前狀態(tài)（su1），然后進(jìn)入到壓縮過程，壓縮過程中制冷劑狀態(tài)為壓縮過程狀態(tài)（in），制冷劑在經(jīng)過壓縮之后變成高溫高壓的壓縮后狀態(tài)（ex1），此時(shí)由于制冷劑的溫度高于理想的壓縮機(jī)壁面，所以制冷劑被冷卻到排氣狀態(tài)（ex）后，排出壓縮機(jī)。

通過將冷凝和蒸發(fā)壓力、進(jìn)氣溫度、環(huán)境溫度和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（50 Hz）作為輸入，該模型能夠預(yù)測(cè)壓縮機(jī)的排氣溫度、制冷劑流量、環(huán)境損失以及壓縮機(jī)電功率，是目前主要運(yùn)用的一種壓縮機(jī)完整運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型。CUEVAS等[13-14]在該模型基礎(chǔ)上做了變轉(zhuǎn)速渦旋壓縮機(jī)的模擬與實(shí)驗(yàn)研究，他們發(fā)現(xiàn)有無逆變器參數(shù)對(duì)模型輸出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響都很小，說明該模型同樣可適用于變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)的模擬研究。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，目前國內(nèi)外的重點(diǎn)研究對(duì)象圍繞變頻渦旋壓縮機(jī)的制冷能力和輸入功率與頻率的關(guān)系展開。綜合數(shù)據(jù)表明，壓縮機(jī)頻率在25 Hz~75 Hz范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)性能突出。APREA等[15]對(duì)R714A變頻渦旋壓縮機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果顯示，當(dāng)冷凝溫度分別為40 ℃與30 ℃時(shí)，壓縮機(jī)最佳匹配頻率為35 Hz與25 Hz，且對(duì)比定轉(zhuǎn)速50 Hz時(shí)節(jié)能近30%。CUEVAS等[14]針對(duì)工作頻率在35 Hz~75 Hz的渦旋壓縮機(jī)做了模擬與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮機(jī)完整運(yùn)行過程模型

在壓縮機(jī)的吸氣和排氣過程中存在制冷劑的傳熱過程，即加熱和冷卻。如圖4所示，縱坐標(biāo)的正值表示制冷劑的吸熱過程，負(fù)值表示制冷劑放熱過程，而圖4中的橫坐標(biāo)則表示壓縮機(jī)中的排氣壓力與吸氣壓力之比。在35 Hz到45 Hz的低轉(zhuǎn)速區(qū)主要會(huì)因?yàn)橹评鋭┑膬?nèi)泄漏而引起的容積效率小幅下降，當(dāng)頻率上升至75 Hz，機(jī)電損耗增大也會(huì)引起壓縮機(jī)效率小幅下降，系統(tǒng)在75 Hz到35 Hz轉(zhuǎn)速下降低幅度只在2%~5%以內(nèi)。PANATO等[16]分析了不同制冷劑在壓縮機(jī)頻率從35 Hz~75 Hz改變時(shí)的工作性能，結(jié)果表明配合電子膨脹閥的不同開度，不同制冷工質(zhì)的系統(tǒng)制冷系數(shù)（Coefficient of Performance，）均能達(dá)到2.0以上。

多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分析表明，渦旋式壓縮機(jī)在頻率35 Hz~70 Hz下，可以表現(xiàn)出較好的工作性能和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)密封技術(shù)也可以很大程度地減少內(nèi)泄漏并提高變頻渦旋壓縮機(jī)的制冷。

圖4 35 Hz~75 Hz頻率范圍內(nèi)壓縮機(jī)的工作性能

2.2 機(jī)械變?nèi)菘刂?/h3>

2.2.1 冷媒噴射/泄出技術(shù)

冷媒噴射與泄出技術(shù)是通過改變進(jìn)出壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量以及氣體密度來機(jī)械控制壓縮機(jī)容量改變的調(diào)節(jié)技術(shù)。冷媒噴射技術(shù)常見于噴氣增焓渦旋式壓縮機(jī)，通過采用準(zhǔn)二級(jí)壓縮中間冷卻的原理，將流出冷凝器的制冷劑進(jìn)行分流，部分噴入壓縮機(jī)提高制冷劑流量，解決高壓縮比及高排氣問題，為寒冷地區(qū)冬季制熱量不足，效率低下以及排氣溫度過高等問題提高解決辦法[1]。

冷媒噴射技術(shù)較好地解決了渦旋壓縮機(jī)在大壓比工況下容積效率低和制熱量不足等問題，相反，冷媒泄出技術(shù)可以通過減少制冷劑流量的方法降低小壓比工況下壓縮容量過大的問題[1,17]。渦旋式壓縮機(jī)冷媒泄出技術(shù)的原理是在渦旋壓縮機(jī)中段合適位置與制冷系統(tǒng)低壓側(cè)之間設(shè)置可控的旁通通道，將制冷劑氣體在減容需求時(shí)重新引入壓縮機(jī)低壓側(cè)。國內(nèi)清華大學(xué)的王寶龍等[17]最先對(duì)冷媒泄出技術(shù)進(jìn)行了模擬與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，制冷劑流量最大降幅在35%的情況下，系統(tǒng)能效比最大升幅可達(dá)45%。但是目前國外針對(duì)冷媒噴射和泄出技術(shù)的研究重點(diǎn)仍處于可行性研究，距離該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還存在很大空間。

2.2.2 噴氣增焓渦旋壓縮機(jī)運(yùn)行的性能

從壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)的角度來看，噴氣增焓渦旋壓縮機(jī)（Scroll Compressor of Enhanced Vapor Injection，SCEVI）對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在最優(yōu)中間壓力下的補(bǔ)氣量方面。馬致遠(yuǎn)等[18]就補(bǔ)氣量對(duì)經(jīng)濟(jì)器系統(tǒng)的影響做了綜合分析，以系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為參考依據(jù)確定最佳補(bǔ)氣量，當(dāng)蒸發(fā)溫度在-15 ℃以下時(shí)，相對(duì)補(bǔ)氣量在0.2~0.5比較適宜，當(dāng)蒸發(fā)溫度在-15 ℃以上時(shí)，中間補(bǔ)氣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響效果不明顯。

戎衛(wèi)國等[19]對(duì)SCEVI進(jìn)行了熱力學(xué)分析，并比較了特定工況下二級(jí)節(jié)流帶SCEVI熱泵與普通單級(jí)渦旋壓縮機(jī)（Normal Scroll Compressor，NSC）熱泵循環(huán)的性能，發(fā)現(xiàn)前者的制熱量與制熱系數(shù)明顯要高許多，SCEVI的補(bǔ)氣量隨著補(bǔ)氣壓力的升高而逐漸減小，同時(shí)壓縮機(jī)耗功量也逐漸減小，制熱系數(shù)隨補(bǔ)氣壓力的升高，先增大后減?。▓D5），當(dāng)補(bǔ)氣壓力在400 kPa~600 kPa時(shí)，系統(tǒng)的制熱系數(shù)可達(dá)4.2以上。

張劍飛等[20]利用大連三洋壓縮機(jī)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)噴氣渦旋壓縮機(jī)（Scroll Compressor of Vapor Injection，SCVI）與NSC的各性能參數(shù)都進(jìn)行了較詳細(xì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。雖然制冷量隨蒸發(fā)溫度降低而下降，但SCVI的制冷量仍明顯高于NSC，且制冷能力相對(duì)提高15%。隨著蒸發(fā)溫度繼續(xù)下降至-20 ℃時(shí)，SCVI的能效相比，NSC可提高至19%；隨著蒸發(fā)溫度的下降，相對(duì)補(bǔ)氣量增加，對(duì)排氣溫度的改善也越明顯。OQUENDO等[21]對(duì)比了SCVI與雙級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)（Two-stage Reciprocating Compressors，TSRC）的工作性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著冷凝溫度由30 ℃上升至70 ℃的過程中，壓比7.5處為SCVI與TSRC性能的分界線，當(dāng)壓比小于7.5時(shí)，SCVI壓縮效率高出TSRC近23%，并且制冷也高出TSRC近14%，最高可達(dá)3.9，當(dāng)壓比大于7.5時(shí)，TSRC的壓縮效率高出2.5%且高出SCVI 5%~18%。當(dāng)蒸發(fā)溫度降低，SCVI的壓縮機(jī)功耗增加同時(shí)制熱明顯下滑，但由于補(bǔ)氣量的增加，SCVI的制熱量還是略高于TSRC的制熱量。

圖5 供熱系數(shù)隨補(bǔ)氣壓力的變化

2.3 多機(jī)并聯(lián)技術(shù)

多機(jī)并聯(lián)壓縮機(jī)的原理就是在部分目標(biāo)冷量下停掉部分壓縮機(jī)，滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)其余壓縮機(jī)以滿足冷量需求。并聯(lián)壓縮機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是解決壓縮機(jī)的回油問題，壓縮機(jī)并聯(lián)回路中，由于各壓縮機(jī)排油速度不同導(dǎo)致最終回油不均勻，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使壓縮機(jī)缺油而燒壞的結(jié)果。目前回油技術(shù)研究重點(diǎn)主要放在回路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制熱模式下回油方式的設(shè)計(jì)。WINANDY等[22]和宋培剛等[23]分別討論了制冷與制熱模式下的回油方式，提出了制熱模式下不換向回油的方法，可以有效提高回油效果并且不會(huì)降低系統(tǒng)制熱能力。MA等[24]和FRASTER等[25]優(yōu)化了單體渦旋壓縮機(jī)的回油通道，在壓縮機(jī)內(nèi)部開設(shè)兩個(gè)回油口對(duì)潤滑油進(jìn)行分流。劉群生等[26]提出了“高壓差回油”的油平衡方案，通過文獻(xiàn)[27]基于油平衡理論進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較也證明了這種回油方式的可行性。

吳偉軍等[28]以空氣源并聯(lián)渦旋式熱泵機(jī)組為例，與同冷量空氣螺桿式熱泵機(jī)組進(jìn)行對(duì)比，并聯(lián)渦旋式熱泵機(jī)組的能力系數(shù)達(dá)97.7%，相比螺桿式高出近16.13%，且能效比也大幅提升，部分壓縮機(jī)運(yùn)行情況下，并聯(lián)渦旋式熱泵機(jī)組的能效比可達(dá)3。在節(jié)能方面，優(yōu)化并聯(lián)渦旋壓縮機(jī)組的控制與卸載方式是減少能耗的重要解決方法。近年來，對(duì)于并聯(lián)機(jī)組的研究重點(diǎn)從提高制冷量與能效系數(shù)向優(yōu)化系統(tǒng)的控制方法等方向延伸，新的控制模型與并聯(lián)思路成為研究熱點(diǎn)。在成本方面，優(yōu)化并聯(lián)方式和壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少成本主要手段，由于并聯(lián)渦旋式壓縮機(jī)組相比并聯(lián)螺桿式壓縮機(jī)組，每單位制冷量需要較少的功率，通常通過改進(jìn)或減少機(jī)組尺寸來滿足變化的負(fù)載和瞬態(tài)部分以減少成本是較合理的辦法[29-32]。

3 渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘空{(diào)節(jié)技術(shù)的綜合應(yīng)用

3.1 變頻增焓低溫空氣源熱泵

在北方低溫嚴(yán)寒地區(qū)采用熱泵供暖是替代傳統(tǒng)燃煤供暖的最佳方式之一，空氣源熱泵具有高效節(jié)能、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，沒有燃燒廢氣的排放并且能源利用率接近鍋爐的2倍，是有效控制PM2.5的重要手段。但是常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組在低溫下運(yùn)行狀況不容樂觀，當(dāng)溫度低于-15 ℃就會(huì)出現(xiàn)壓縮比增高、容積效率降低、制熱量不足、制熱系數(shù)降低等狀況。將噴氣增焓與渦旋壓縮機(jī)變頻技術(shù)有機(jī)結(jié)合，不但可以解決低溫下排氣溫度高、制熱系數(shù)低下的問題，還可以提高空氣源熱泵在嚴(yán)寒地區(qū)的適用性和經(jīng)濟(jì)性，是近幾年解決北方供暖問題的高效手段，也是極具發(fā)展前景的技術(shù)。

DARDENNE等[33]提出了帶有噴氣機(jī)制的變頻渦旋壓縮機(jī)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⊿emi-em Model），在EVI系統(tǒng)中，該模擬需要包括制冷劑流量和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在內(nèi)等10個(gè)參數(shù)來模擬制冷劑由進(jìn)氣口吸入到從排氣口排出的過程，在各特定工況下該模型準(zhǔn)確度高達(dá)89%。DECHESNE等[34]提出了一種基于空氣源熱泵的動(dòng)態(tài)模型，該模型以變速蒸汽噴射渦旋壓縮機(jī)和R410a為工作流體，利用等體積效率、等熵效率以及噴氣質(zhì)量與流速之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來建立，該模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度良好。ZENDEHBOUDI等[35]同樣也考慮了中間補(bǔ)氣和排氣量與噴氣流速的關(guān)系，但他通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）和模糊推理算法（Adaptive Neuro Fuzzy Inference System，ANFIS）兩種方法來建立變頻增焓渦旋壓縮機(jī)模型，后者模擬的數(shù)據(jù)相對(duì)更好。

在變頻增焓空氣源熱泵運(yùn)行方面，HEO等[36]的實(shí)驗(yàn)顯示-15 ℃、-5 ℃、5 ℃下變頻增焓渦旋壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速50 Hz~100 Hz下運(yùn)行時(shí)的制熱能力比常規(guī)EVI系統(tǒng)高10%；艾默生公司于2015年更新的ZW系列壓縮機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)8,400 r/min，數(shù)據(jù)顯示，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)在室外-15 ℃的環(huán)境下，變頻噴氣增焓系統(tǒng)在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)7,200 r/min時(shí)，機(jī)組制熱量為24.5 kW，與7 ℃工況下制熱量相比并無衰減，同時(shí)相比普通并聯(lián)機(jī)組制熱能力可高20%[37-39]。蔡亞平[40]和黃俊軍等[41]利用艾默生設(shè)計(jì)的變頻增焓渦旋壓縮機(jī)研究分析了原搭載R410A制冷劑的壓縮機(jī)直接采用R32制冷劑時(shí)的工作性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在保證排氣溫度和系統(tǒng)壓力在允許范圍內(nèi)提高壓縮轉(zhuǎn)速可提高制熱能力，打開噴氣增焓的系統(tǒng)在-15 ℃環(huán)境下制熱能力相對(duì)提高45.9%，另外噴氣增焓系統(tǒng)可降低壓縮機(jī)排氣溫度，并且可使壓縮機(jī)在最低-20 ℃的環(huán)境溫度下運(yùn)行。文獻(xiàn)[42-46]模擬評(píng)測(cè)和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了變頻增焓渦旋壓縮機(jī)結(jié)合空氣源熱泵在低溫制熱方面體現(xiàn)優(yōu)越性。目前，變頻增焓渦旋壓縮機(jī)的研究已相對(duì)成熟，主要問題在于煤改政策的實(shí)行以及空氣源熱泵在北方嚴(yán)寒地區(qū)的廣泛推廣與運(yùn)行。

3.2 電動(dòng)汽車噴氣增焓熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車可以通過輸出高品位的電能來直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作。獨(dú)立式電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)由于具有體積小、耗電量少、壓縮效率高等特點(diǎn)，是作為新能源汽車車用電動(dòng)壓縮機(jī)的首選。而將渦旋壓縮機(jī)變?nèi)萘考夹g(shù)運(yùn)用在新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是由于電池可以直接輸出高品位電能來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，為適應(yīng)汽車在不同環(huán)境下行駛所需的負(fù)荷，可利用變頻壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)技術(shù)來調(diào)節(jié)制冷量范圍，以適應(yīng)各種路段和四季溫度不同情況下的工況；另一方面是針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)由于常規(guī)電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱量嚴(yán)重不足提出了電動(dòng)汽車采用變頻增焓熱泵系統(tǒng)提高制熱量的研究方向。

對(duì)于車載空調(diào)來說，提高系統(tǒng)的制熱量遠(yuǎn)比提高系統(tǒng)制熱重要的多。KWON等[47]在模擬中將用于蒸發(fā)分流部分制冷劑的經(jīng)濟(jì)器改成了小型換熱器，系統(tǒng)的制熱量還是取決于中間補(bǔ)氣壓力，當(dāng)冷凝溫度由0 ℃上升至36 ℃，相比普通熱泵制熱量提升14%~44%，但壓縮機(jī)耗電量由2.16 kW上升至2.39 kW，因此當(dāng)冷凝溫度上升時(shí)，壓縮容量的增量遠(yuǎn)大于換熱量的減少，制熱下降。但由于車載渦旋壓縮機(jī)的體積更小，要想增加更多制熱量可在壓縮機(jī)吸氣口附近開設(shè)兩個(gè)補(bǔ)氣口；針對(duì)該方法，QIN等[48]搭建了渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，兩個(gè)補(bǔ)氣口夾角呈120°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，帶雙補(bǔ)氣口的車載熱泵制熱量較傳統(tǒng)熱泵制熱量可最高提升28.6%，同時(shí)噴氣孔尺寸越大，制熱量越大；但由于這種方式大幅增加了制冷劑流量，在增加壓縮容量的同時(shí)也增加了壓縮功以及電耗，但是并未給出壓縮機(jī)電耗的對(duì)比。張劍飛等[20]對(duì)帶有中間補(bǔ)氣功能的渦旋式壓縮機(jī)理論循環(huán)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，帶有中間補(bǔ)氣功能的壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度為-5 ℃~-20 ℃之間變化時(shí)，其能力提升約15%~30%，能效比提升約9%~19%，功耗僅上升約10%。唐景春等[49]搭建了電動(dòng)汽車空調(diào)準(zhǔn)雙級(jí)渦旋式壓縮機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并在5種不同室外環(huán)境溫度工況下對(duì)比了單級(jí)與準(zhǔn)雙級(jí)渦旋壓縮機(jī)的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫工況下，準(zhǔn)雙擊渦旋壓縮機(jī)的排氣制冷流量提高了12.9%~17.4%，系統(tǒng)制熱量提高了7.3%~8.3%，制熱性能提高了7.6%~8.2%。

與傳統(tǒng)固定式家用熱泵[50]不同，汽車在行駛路程遭遇的不同環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的工況要比家用空氣源熱泵運(yùn)行工況復(fù)雜得多，并且車載空氣源熱泵要求的體積更小質(zhì)量更輕，結(jié)構(gòu)更加緊湊，抗震性能要求更強(qiáng)，因此由家用熱泵空調(diào)向車載熱泵空調(diào)[51]的過渡充滿困難。但我國積累了較多的變頻技術(shù)與噴氣增焓熱泵的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，集中更多模擬與實(shí)驗(yàn)研究后，相信會(huì)加快這一轉(zhuǎn)變過程。

4 結(jié)語

目前市場(chǎng)上單臺(tái)渦旋式壓縮機(jī)主流變?nèi)萘考夹g(shù)依然以變頻技術(shù)與數(shù)碼渦旋為主，噴氣增焓技術(shù)又是拓寬壓縮范圍的有效手段，多機(jī)并聯(lián)壓縮機(jī)可滿足市場(chǎng)對(duì)大排量大功率渦旋式壓縮機(jī)的需求。進(jìn)一步優(yōu)化壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)并降低變?nèi)萘繙u旋壓縮機(jī)的運(yùn)行成本，可提高渦旋壓縮機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子式、螺桿式壓縮機(jī)等大型制冷壓縮機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力，拓寬渦旋壓縮機(jī)在制冷空調(diào)行業(yè)的市場(chǎng)，并在未來運(yùn)用于更多的領(lǐng)域。

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Research Status of Variable Capacity Regulation Technology for Scroll Compressors

ZHOU Xuan*, LI Zhengtao, HUA Zhenghao, HONG Xiewen, CHEN Yongjie

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Scroll refrigeration compressors have been widely used in the refrigeration and air conditioning industry. Variable capacity control technology can help scroll refrigeration compressors to widen the compressor market. The widely used compressor variable capacity adjustment technology is classifed, and several variable capacity control methods for scroll refrigeration compressors are summarized, and the domestic and international research status of variable capacity methods such as frequency conversion technology, digital scroll technology, refrigerant injection and discharge technology were summarized. the lastest research results and the two latest application directions of the variable capacity adjustment technology of scroll compressor were pointed out, including variable frequency jet booster air source heat pump system and new energy vehicle heat pump air conditioning system; the latest research results were summarized.

Scroll compressor; Capacity control; Frequency conversion technology; Jet enhancement

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.203

*周翾（1992-），男，在讀碩士研究生。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，郵編：200093。聯(lián)系電話：18817305327。E-mail：476417254@qq.com。