輕商冷柜壓縮機由定頻切換變頻時的系統(tǒng)匹配實驗研究

宋雪娜 李鶴 王雙飛

思科普壓縮機（天津）有限公司 天津 301700

1 引言

目前，我國正在積極加快生態(tài)文明建設(shè)，促進綠色消費，推動高質(zhì)量發(fā)展，努力參與全球環(huán)境治理，這對制冷行業(yè)的發(fā)展也提出了新的要求。根據(jù)多部委聯(lián)合頒發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》要求，到2022年，商用冷柜、冷藏陳列柜的能效準入水平要提高20%，綠色高效產(chǎn)品市場占有率要提高20%；到2030年，能效準入水平要再提高15%，綠色高效產(chǎn)品的市場占有率提高40%[1]。對于輕商冷柜來說，能效的提升已是迫在眉睫的需求。

變頻壓縮機因為具有高能效、低功耗、寬冷力覆蓋范圍，低噪音、低震動，柜內(nèi)溫度波動小，高可靠性、高穩(wěn)定性等特點，成為輕商冷柜提高能效時首先考慮選用的壓縮機類型。變頻壓縮機可以根據(jù)柜體的熱負荷調(diào)整轉(zhuǎn)速，熱負荷大時以高轉(zhuǎn)速大冷量快速將柜內(nèi)溫度拉到設(shè)定溫度，熱負荷低時以低轉(zhuǎn)速低功率保持冷柜以低能耗的狀態(tài)運行。與定頻壓縮機制冷系統(tǒng)相比較，變頻壓縮機制冷系統(tǒng)具有制冷量可變、制冷劑流量可變、運轉(zhuǎn)率高等特點。在制冷系統(tǒng)匹配上，變頻壓機系統(tǒng)的節(jié)流裝置和換熱器需要兼顧高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時的制冷要求。在冷柜溫控和輔助耗能部件如風(fēng)扇、除霜加熱器、防凝露加熱器的控制上，需要根據(jù)變頻壓縮機高運轉(zhuǎn)率的特點進行適當改善，以進一步減少柜體的能耗。

本文以一臺高端不銹鋼廚房柜為對象，匹配Secop R290變頻壓縮機SLVE18CN進行了實驗，研究了制冷系統(tǒng)從定頻壓縮機改為變頻壓縮機時需要對制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行的優(yōu)化，并通過能耗實驗檢驗了優(yōu)化措施對能耗的影響。

2 實驗設(shè)備和方法

本文所研究的冷柜為立式三門不銹鋼冷凍柜，如圖1所示，外尺寸為2050 mm×830 mm×1630 mm，毛容積2000 L，設(shè)計適用環(huán)境為氣候類型4（30℃/55%RH）。柜內(nèi)采用風(fēng)機強制對流換熱，翅片式蒸發(fā)器位于柜內(nèi)頂部，壓縮機和冷凝器位于冷柜底部。節(jié)流原件采用毛細管，蒸發(fā)器的化霜采用電加熱方式。

圖1 不銹鋼廚房冷凍柜實物圖

冷柜的制冷系統(tǒng)如圖2所示。實驗開始前應(yīng)在制冷系統(tǒng)各部位布置傳感器，以監(jiān)測系統(tǒng)各部位的溫度和壓力變化。系統(tǒng)優(yōu)化時需要參考的指標一般有：壓縮機的吸排氣壓力和溫度，換熱器進口、中間和出口的溫度，冷柜內(nèi)部的溫度，壓縮機負荷率，系統(tǒng)運行的功率等等。

圖2 冷柜制冷系統(tǒng)圖

3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

3.1 變頻壓縮機的選型

定頻壓縮機系統(tǒng)切換變頻壓縮機時，通常選用最高轉(zhuǎn)速的制冷量與原來的定頻壓縮機相近的變頻壓縮機，以滿足冷柜的最大制冷量需求。本文研究的冷柜原裝壓縮機為某型號排量為27.8 cc的R290定頻壓縮機，選型時挑選了最高轉(zhuǎn)速制冷量與原裝壓機相近，但COP更高的變頻壓縮機SLVE18CN。兩臺壓縮機的冷量對比如表1所示。

表1 壓縮機制冷量(ASHRAE LBP)

3.2 毛細管和制冷劑充注量的優(yōu)化

定頻制冷系統(tǒng)更換變頻壓縮機時，需要對毛細管和制冷劑充注量進行優(yōu)化。變頻制冷系統(tǒng)因為壓縮機轉(zhuǎn)速可變，工況的變化比定頻壓縮機系統(tǒng)更為復(fù)雜。毛細管和制冷劑充注量的選擇不但要考慮環(huán)境因素，還要考慮不同轉(zhuǎn)速的影響。

因為不同毛細管規(guī)格對應(yīng)的制冷劑最佳充注量也不同，通常先確定毛細管的規(guī)格，然后再進行制冷劑充注量優(yōu)化。變頻壓縮機制冷系統(tǒng)的毛細管流量和制冷劑充注量確定通常采用以下流程：

（1）計算壓縮機在冷柜常用工況下中高轉(zhuǎn)速的制冷量和所需毛細管流量，一般選擇轉(zhuǎn)速范圍2/3處對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

（2）用毛細管流量計測量系統(tǒng)原始毛細管的流量，調(diào)整毛細管的長度，使其滿足所需的流量。

（3）確認冷凝器出口液體溫度過冷度，合適的毛細管過冷度一般為1～2℃。

（4）在壓縮機最大轉(zhuǎn)速、持續(xù)運轉(zhuǎn)條件下調(diào)整充注量，由少到多。記錄并繪制制冷系統(tǒng)各部位的溫度、壓縮機吸排氣壓力和系統(tǒng)功率的變化曲線。合適的充注量既能滿足蒸發(fā)器出口過熱度小的要求，又能使系統(tǒng)功率較低。

（5）確認當前毛細管和充注量是否滿足高環(huán)溫高轉(zhuǎn)速、低環(huán)溫低轉(zhuǎn)速和常用運行環(huán)境的運行要求。

本實驗所研究的冷柜常用的運行環(huán)境溫度和濕度是氣候類型4（30℃/55%RH），柜內(nèi)溫度控制在-18℃±2℃。SLVE18CN變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速范圍為4500 r/min～2200 r/min，據(jù)此選定了用于計算毛細管流量的運行工況和壓縮機轉(zhuǎn)速，并用Secop毛細管流量計算工具計算了相應(yīng)的毛細管流量，見表2。

表2 毛細管流量計算

隨后的毛細管流量測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)的原始毛細管在10 bar壓差下的流量為25.8 L/min，截短20 cm后流量達到26.2 L/min，達到了計算出的流量范圍。經(jīng)運行測試確認，冷凝器出口的過冷度在1～2℃范圍內(nèi)，毛細管的流量是合適的。

最佳制冷劑充注量是通過實驗所測得的制冷劑充注量-溫度/功率曲線來選擇。如圖3所示，在4500 r/min轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)蒸發(fā)壓力對應(yīng)的溫度和系統(tǒng)功率隨充注量的變化不顯著，但蒸發(fā)器出口過熱度變化明顯。當制冷劑充注量小于180 g時，蒸發(fā)器出口溫度明顯高于蒸發(fā)器入口和中部。當制冷劑充注量到180 g及以上時，蒸發(fā)器中部及出口溫度曲線基本重合，出口過熱度在1℃以下。如圖4所示，在2200 r/min轉(zhuǎn)速下，蒸發(fā)壓力對應(yīng)溫度、功率和蒸發(fā)器溫度都隨制冷劑增加有明顯變化。雖然制冷劑充注量在大于200 g時，蒸發(fā)器出口過熱度較小。但制冷劑充注量大于180 g時，蒸發(fā)壓力對應(yīng)溫度和系統(tǒng)功率明顯上升。考慮到這臺冷柜在穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2200 r/min，充注量的選擇應(yīng)保證2200 r/min時的功率較低。因此最佳充注量確定為180 g。之后進行的高轉(zhuǎn)速拉溫和穩(wěn)定運行測試也顯示180 g充注量可以滿足高負荷和低負荷時的要求。

圖3 充注量-溫度/功率曲線[4500 RPM]

圖4 充注量-溫度/功率曲線[2200 RPM]

3.3 化霜控制的優(yōu)化

電加熱化霜控制參數(shù)包括化霜周期、化霜加熱時間、化霜加熱停止條件、滴水時間、化霜滴水后蒸發(fā)風(fēng)扇的開啟條件等。電加熱化霜方式用于化霜的熱量中僅15%有效，其余85%用于加熱蒸發(fā)器盤管[2]?；訜徇^程中，蒸發(fā)器上的溫度分布是不均勻的，蒸發(fā)器下端靠近加熱管的區(qū)域溫度相對較高[3]，而距離加熱管較遠的區(qū)域溫度較低較難清除結(jié)霜。化霜控制優(yōu)化關(guān)鍵是在保證蒸發(fā)器結(jié)霜能得到及時清除的前提下，盡量減少化霜加熱引入柜內(nèi)的熱量。因為這部分熱量增加了柜內(nèi)熱負荷，引起柜內(nèi)溫度的波動，對冷柜能耗的優(yōu)化有負面的影響。本文研究的冷凍柜的化霜加熱管設(shè)置在蒸發(fā)器下方，功率為950 W，化霜過程采用時間和溫度參數(shù)控制，蒸發(fā)器溫度探頭設(shè)置在距離化霜加熱管較遠的蒸發(fā)器入口處?；K止溫度為6℃，化霜加熱終止后2 min蒸發(fā)風(fēng)扇開啟。實際測試顯示，原始設(shè)置下能夠保證蒸發(fā)器上的結(jié)霜及時清除，但化霜后蒸發(fā)風(fēng)扇開啟時，蒸發(fā)器中部的溫度還在15℃左右，蒸發(fā)器上的熱量被風(fēng)扇吹進了柜內(nèi)，引起M包的溫度顯著上升，也使化霜后的拉溫時間較長。

為降低化霜后卷入柜內(nèi)的熱量，對蒸發(fā)風(fēng)扇開啟條件進行了優(yōu)化。測試發(fā)現(xiàn)，當蒸發(fā)風(fēng)扇開啟條件改為蒸發(fā)器溫度探頭達到0℃時，卷入冷柜內(nèi)的熱量大大減少。如表3所示，M包的溫升、化霜后的拉溫時間以及穩(wěn)定運行耗電量都有明顯改善。

表3 電加熱化霜控制參數(shù)優(yōu)化

3.4 輔助部件的能耗優(yōu)化

冷凍柜的一些輔助部件的能耗也對其整體能耗有顯著影響，尤其對于隨著壓縮機的開停一起開停的附件，如冷凝風(fēng)扇、防凝露加熱器等，由于變頻壓縮機的運轉(zhuǎn)率較高，這些部件的運轉(zhuǎn)率和耗電量也會跟著增加，這樣就會抵消一部分變頻壓縮機帶來的能效提升。

本文將冷柜原裝的低效率冷凝風(fēng)扇電機更換為高效電機后，冷凝風(fēng)扇功率由62 W降低到25 W，下降59.7%。若按照壓縮機78%的運轉(zhuǎn)率估計，采用高效率電機的冷凝風(fēng)扇每天可節(jié)約0.693 kW·h。

冷柜門框的防凝露加熱絲原來的控制邏輯為跟隨壓縮機一起開停。實驗中發(fā)現(xiàn)，運轉(zhuǎn)過程中門框外表面的溫度上升到45℃，不但耗費電能，而且向柜內(nèi)導(dǎo)入了額外的熱負荷。當將防凝露加熱絲的開啟周期設(shè)定為5 min～10 min，開啟率設(shè)定為40%時，即可使冷柜門框外表面的溫度在凝露溫度以上。若按照壓縮機運轉(zhuǎn)率78%估計，更改控制邏輯后，防凝露加熱絲每日的能耗可以節(jié)約1.806 kW·h。

4 耗電量測試結(jié)果

本文按照前述的分析對冷凍柜的系統(tǒng)進行了優(yōu)化，并按照SBT 10794.2-2012《商用冷柜 第2部分：分類、要求和試驗條件》的規(guī)定的方法檢驗了冷凍柜更換變頻壓縮機前后的耗電量變化，按照GB 26920.2-2015《商用制冷器具能效限定值和能效等級 第2部分：自攜冷凝機組商用冷柜》的規(guī)定進行了能效等級計算。測試顯示，當原來的定頻壓縮機更換為變頻壓縮機，并且對毛細管和制冷劑充注量進行了優(yōu)化后，冷凍柜的日耗電量降低了23%，能耗等級由3級上升為1級。在此基礎(chǔ)上再對化霜控制進行了合理優(yōu)化，并且采用高效率冷凝風(fēng)扇電機和對防凝露加熱器控制邏輯進行優(yōu)化后，日耗電量降低達37%。

5 結(jié)論

本文以某型號不銹鋼廚房冷凍柜為載體，研究了輕商冷柜由定頻壓縮機切換為變頻壓縮機時需要對制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助部件的優(yōu)化，并且對優(yōu)化前后進行能耗測試對比，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）匹配合適的變頻壓縮機可以顯著降低冷柜的整體能耗，使冷柜的耗電量降低23%，能效等級由3級提升到1級；

（2）對毛細管流量和制冷劑充注量的優(yōu)化能使變頻壓縮機的運行工況更為合理，有利于降低能耗；

（3）對化霜控制參數(shù)的優(yōu)化可以有效減少化霜加熱后卷入柜內(nèi)的熱量，使化霜后的拉溫時間由27 min降低為18 min，穩(wěn)定運行耗電量降低9%；

（4）對主要耗電的輔助部件的功率和控制邏輯的優(yōu)化可以有效降低附件的耗電量，疊加變頻壓縮機的節(jié)能效果，能使冷柜整體能耗降低達37%。