350 kW變頻螺桿式冷水機(jī)組變工況性能分析

范峻銘，蔣鵬*，關(guān)旭，楊光，孟偉，李璐伶

(1.深圳市燃?xì)廨斉浼案咝Ю霉こ碳夹g(shù)研究中心，廣東 深圳 518049； 2.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，廣東 深圳 518049)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的建筑能耗占全國總能耗的46%，而空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的40%左右[1]。在夏季用電高峰期，空調(diào)用電負(fù)荷甚至高達(dá)城鎮(zhèn)總體用電負(fù)荷的40%。這一方面導(dǎo)致夏季用電高峰期時會出現(xiàn)電網(wǎng)不堪負(fù)荷，甚至拉閘限電的現(xiàn)象；另一方面以煤電為主體的電能供應(yīng)將引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，開發(fā)采用高效制冷系統(tǒng)和設(shè)備是建筑節(jié)能的重要舉措。

目前的制冷方式主要有蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷和熱電制冷三種[2]。吸收式制冷利用蒸汽、熱水和煙氣等的余熱，通過溴化鋰的濃度變化來制冷，具有廢熱再利用及再生熱的優(yōu)點(diǎn)，但這種系統(tǒng)體積較大，制冷能效較低，應(yīng)用較少。熱電式空調(diào)則利用溫差電效應(yīng)，即帕爾貼效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)制冷，其體積小、噪音低，但它的制冷能效值較其他兩種系統(tǒng)低，且設(shè)備價格昂貴。

蒸汽壓縮式制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹閥等四個部件構(gòu)成，是最為常見的制冷方式。其制冷循環(huán)過程為：制冷壓縮機(jī)先從蒸發(fā)器吸入低溫低壓的制冷劑蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)絕熱壓縮成為高溫高壓的過熱蒸汽，再壓入冷凝器中定壓冷卻，并向冷卻介質(zhì)放出熱量，然后冷卻為過冷液態(tài)制冷劑，液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥(或毛細(xì)管)絕熱節(jié)流成為低壓液態(tài)制冷劑，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸收空調(diào)循環(huán)水(空氣)中的熱量，從而冷卻空調(diào)循環(huán)水(空氣)達(dá)到制冷的目的，流出的低壓制冷劑再被吸入制冷壓縮機(jī)，如此循環(huán)工作[3]。鑒于其制冷工作性能和應(yīng)用場合，根據(jù)壓縮機(jī)的機(jī)構(gòu)可將蒸汽壓縮式制冷分為活塞式、離心式和螺桿式冷水機(jī)組等。永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組專為提升效率和降低運(yùn)行成本而設(shè)計(jì)[4]，冷水換熱器為高效降膜式換熱器，冷媒為環(huán)保冷媒 R134a，其制冷量為120～600 Rt。此外，其結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、能量調(diào)節(jié)范圍廣且故障率低、維修方便，在中、小型冷水機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)階段，永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的研究主要集中于變頻壓縮機(jī)在滿負(fù)荷時的運(yùn)行能效[5]和較大制冷量的螺桿機(jī)組的滑閥與變頻調(diào)節(jié)運(yùn)行性能這兩方面[6]。在預(yù)測螺桿式機(jī)組制冷性能方面，Gordon等[7]構(gòu)建了基于熱力學(xué)第一和第二定律的數(shù)學(xué)模型,并用不同的螺桿式制冷系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，表明其所構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，均方根差僅1.9%。與熱力學(xué)模型相比，采用多變量多項(xiàng)式模型預(yù)測COP的均方根誤差更小[8]。此外，基于“黑箱模型”的徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和多層感知機(jī)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也被用于電制冷系統(tǒng)COP模型，該模型以制冷容量、冷卻水和冷凍水的入口溫度作為輸入變量，經(jīng)過深度學(xué)習(xí)后，所構(gòu)建的COP預(yù)測模型準(zhǔn)確度高于多項(xiàng)式擬合模型[9]。Zendehboudi等[10]則利用響應(yīng)面法耦合非支配排序遺傳算法對以R450A作為制冷介質(zhì)的蒸汽壓縮循環(huán)的COP進(jìn)行了優(yōu)化。

由于500 kW制冷量以下的永磁同步變頻螺桿式冷水機(jī)組的變工況特性鮮有報道，因此本文選取某國產(chǎn)350 kW永磁同步變頻高效螺桿式冷水機(jī)組作為研究對象，搭建了變工況實(shí)驗(yàn)平臺，研究了不同壓縮機(jī)負(fù)載功率對機(jī)組制冷性能的影響，并分析了冷凍水出口溫度和冷卻水進(jìn)口溫度對機(jī)組制冷性能的影響。

1 350 kW變頻高效螺桿式冷水機(jī)組

螺桿式壓縮機(jī)冷水機(jī)組具有結(jié)果簡單、能耗低、能量調(diào)節(jié)范圍廣且故障率低、維修方便的特點(diǎn)，在中、小型冷水機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。所測試的變頻螺桿式冷水機(jī)組外形如圖1所示，其工藝流程如圖2所示。該制冷采用了帶經(jīng)濟(jì)器的二次吸氣制冷循環(huán)。流出冷凝器的制冷劑液體分為兩支，一小支流經(jīng)過節(jié)流膨脹閥降溫后，返回經(jīng)濟(jì)器中吸熱產(chǎn)生閃發(fā)性氣體，再經(jīng)中間補(bǔ)氣口進(jìn)入壓縮機(jī)的腔體內(nèi)，與原有氣體混合后繼續(xù)被壓縮；另外一支流經(jīng)節(jié)流元件降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器制冷，實(shí)現(xiàn)了“二級壓縮”，提高了能效[11]。如圖3所示，常規(guī)的蒸汽壓縮循環(huán)的能效(COP1)表達(dá)式為：

圖1 變頻螺桿式冷水機(jī)組外形圖

圖2 變頻螺桿式冷水機(jī)組系統(tǒng)流程圖

設(shè)定進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量比例為x，則帶經(jīng)濟(jì)器的制冷循環(huán)COP2的計(jì)算式為：

式(1)～(2)中：h0～h7為 節(jié) 點(diǎn)0～7的 比 焓(kJ/kg)，如圖3所示x表示進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量比例。

圖3 帶經(jīng)濟(jì)器的冷水機(jī)組壓力-焓值圖

對比式(1)和式(2)可知，COP2＞COP1。這主要是因?yàn)檫M(jìn)入蒸發(fā)器前的制冷劑過冷，使得單位質(zhì)量的制冷劑制冷量增加，所以雖然制冷劑流量減少，但總的制冷量還是提升的。同時，補(bǔ)氣壓力高于壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力，使得這部分制冷劑氣體無需壓縮，因此壓縮功降低。

為實(shí)現(xiàn)螺桿式冷水機(jī)組的制冷量的調(diào)節(jié)，采用電機(jī)變頻技術(shù)結(jié)合滑閥調(diào)節(jié)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)制冷量在10%～100%之間連續(xù)變化。根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行特性[12-13]：

式(3)～(4)中：n為電 機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；f為電機(jī)的電源頻率(Hz)；P為電機(jī)的極對數(shù)；s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率；n0和n1分別為設(shè)計(jì)工況下和實(shí)際工況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；N0和N1分別為設(shè)計(jì)工況下和實(shí)際工況下電機(jī)消耗功率(kW)。

電機(jī)變頻可有效改變壓縮機(jī)的容積流量。此外，如式(3)和式(4)所示，發(fā)電機(jī)的頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān)。輸入功率的變化率是轉(zhuǎn)速變化率的3次方，只要轉(zhuǎn)速減少，輸入功率就會變化到很小的值，以達(dá)到節(jié)能的效果。電機(jī)的冷卻采用的是進(jìn)氣冷卻方式，吸入的低溫制冷劑進(jìn)入轉(zhuǎn)子腔，流經(jīng)電機(jī)進(jìn)行冷卻。

壓縮機(jī)的變頻無法調(diào)節(jié)內(nèi)壓縮比，這造成壓縮機(jī)內(nèi)外壓比不等，引起過壓縮或欠壓縮，導(dǎo)致壓縮機(jī)性能下降。為避免這一現(xiàn)象，現(xiàn)采用變頻配合滑閥調(diào)節(jié)來控制制冷量?；y調(diào)節(jié)是在兩個轉(zhuǎn)子之間設(shè)置一個軸向可移動的下置滑閥，移動滑閥可改變轉(zhuǎn)子的有效長度，使部分制冷劑氣體未經(jīng)壓縮就通過旁通流到壓縮機(jī)的吸氣側(cè)，從而使輸出氣得到控制?；y的移動由供油壓力推動，回油管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥，通過溫度傳感器、控制器來調(diào)節(jié)電動閥開度，從而控制推動活塞油壓缸壓力的大小。

壓縮機(jī)能量調(diào)節(jié)變頻驅(qū)動的原理為：根據(jù)冷水溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸發(fā)、冷凝壓力、蒸發(fā)壓力的變化同步調(diào)節(jié)電機(jī)頻率、滑閥位置、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、內(nèi)容積比以始終保持最佳匹配，進(jìn)而保證機(jī)組在最佳的工況下運(yùn)行。通過監(jiān)測冷水實(shí)際出水溫度與設(shè)定值的偏差, 根據(jù)溫差調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速及滑閥位置。

如表1所示，該機(jī)組采用R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)作為制冷劑。與其他類型制冷劑(如：R22、R410A)相比，其節(jié)能環(huán)保特性優(yōu)，臭氧耗損潛能值為0，溫室效應(yīng)潛能值低，性質(zhì)穩(wěn)定，且不存在溫度滑移，廣泛應(yīng)用于汽車、家用及商用空調(diào)領(lǐng)域。且螺桿式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)制冷量約為350 kW，在GB 18430.2—2001《蒸氣-壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組》規(guī)定的測試條件下，即冷凍水7/12，冷卻水30/35，其理論COP可達(dá)6.38，依據(jù)GB 19577—2015《冷水機(jī)組能效限定值及能效等級》標(biāo)準(zhǔn)[14]，該冷水機(jī)組達(dá)到1級水準(zhǔn)，即能效最高等級。

表1 螺桿式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

2 性能測試

為驗(yàn)證該機(jī)組的性能指標(biāo)及考察變工況下的性能特性，如圖4和圖5所示，對螺桿式冷水機(jī)組進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)的冷水和冷卻熱水溫度分別由恒溫冷水箱和恒溫?zé)崴渲械臏乜貎x控制。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，恒溫冷水箱和熱水箱的溫度分別控制在12 ℃和30 ℃。冷水機(jī)組出口的冷卻水先后經(jīng)過溫度傳感器(T2)、球閥(V1)進(jìn)入恒溫?zé)崴?，從恒溫?zé)崴涑隹诘睦鋮s水經(jīng)過變頻水泵(P1)、流量計(jì)(F1)進(jìn)入機(jī)組進(jìn)行換熱。

圖4 螺桿式冷水機(jī)組測試實(shí)驗(yàn)圖

圖5 螺桿式冷水機(jī)組測試實(shí)物圖

同時，由冷水機(jī)組出口的冷凍水先后經(jīng)過溫度傳感器(T4)、球閥(V2)進(jìn)入恒溫冷水箱，經(jīng)過混合換熱后，經(jīng)由變頻水泵(P2)、流量計(jì)(F2)返回機(jī)組。當(dāng)裝置各參數(shù)穩(wěn)定后，記錄溫度及流量，以便于后續(xù)制冷量的計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 測試值與設(shè)計(jì)值對比

將實(shí)驗(yàn)的溫度參數(shù)與設(shè)計(jì)值的誤差控制在±0.3 ℃范圍內(nèi)，其余的測定值均在標(biāo)準(zhǔn)允許誤差范圍內(nèi)，以滿足設(shè)計(jì)要求。

如圖6所示，測定的制冷量為346.92 kW，略小于其設(shè)計(jì)值351.6 kW；實(shí)測的壓縮機(jī)消耗功率為56.83 kW，略大于其設(shè)計(jì)值55.1 kW，故測定所得到的COP低于其設(shè)計(jì)值的4.4%。

圖6 螺桿式冷水機(jī)組設(shè)計(jì)值和實(shí)驗(yàn)值對比

3.2 壓縮機(jī)負(fù)載功率對機(jī)組性能的影響

螺桿式冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)和性能標(biāo)定均是按照最大負(fù)荷設(shè)計(jì)的，而在實(shí)際運(yùn)行時，冷水機(jī)組的運(yùn)行基本處于不同的環(huán)境條件和部分負(fù)荷狀態(tài)下。因此，考察變工況條件對機(jī)組性能的影響是必要的。

如圖7所示，在空調(diào)水出進(jìn)水溫度7/12 ℃，冷卻水進(jìn)出水溫度32/37 ℃的情況下，機(jī)組壓縮機(jī)負(fù)荷從40%到100%的條件下，冷水機(jī)組制冷量、壓縮機(jī)功率及機(jī)組COP的變化?？梢钥闯?，當(dāng)壓縮機(jī)負(fù)載率從40%升高到100%，機(jī)組制冷量從143.9 kW增加到354.6 kW，壓縮機(jī)功率由27.5 kW增加到60.88 kW，機(jī)組COP由5.22升至5.82。這主要是由于機(jī)組負(fù)荷的下降，制冷劑所提供的冷量降低，在冷凍水進(jìn)出口溫差不變的情況下，冷凍水流量降低，故導(dǎo)致制冷量和COP均下降。

圖7 壓縮機(jī)負(fù)載功率對機(jī)組性能影響

3.3 冷凍水出口溫度對機(jī)組性能的影響

如圖8所示，在冷卻水進(jìn)出口溫度32/37 ℃下，冷凍水出口溫度從5 ℃升到11 ℃時，測試出的冷水機(jī)組的性能參數(shù)變化。可知，提高冷凍水出水溫度，機(jī)組功率將緩慢降低，而制冷量呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，機(jī) 組COP由5.24提 升 到6.63，增 加 了26%。冷 凍水溫度每提高1 ℃，制冷量提升約2%，COP提高3%～5%。冷凍水出口溫度升高，則更有利于蒸發(fā)器內(nèi)制冷介質(zhì)的蒸發(fā)，故機(jī)組制冷量增加。

圖8 冷凍水出口溫度對機(jī)組性能的影響

3.4 冷卻水進(jìn)口溫度對機(jī)組性能的影響

現(xiàn)實(shí)驗(yàn)工況為保持冷凍水的出進(jìn)口溫度為7/12 ℃，且冷卻水流量恒定時，冷卻水進(jìn)口溫度變化對機(jī)組性能的影響。如圖9所示，隨著冷卻水出口溫度升高，機(jī)組制冷量略微降低，但機(jī)組功率呈現(xiàn)上升的趨勢，使機(jī)組COP降低。冷卻水進(jìn)口溫度每增加2 ℃，COP降低6%～7%。這主要是因?yàn)樘岣呃鋮s水進(jìn)口溫度，機(jī)組的冷凝溫度升高，制冷劑冷凝量降低，故機(jī)組制冷量下降。由于制冷劑返回壓縮機(jī)的溫度升高，因此壓縮機(jī)功耗增加。

圖9 冷卻水進(jìn)口溫度對機(jī)組性能影響

4 結(jié)語

本文以某國產(chǎn)350kW永磁同步變頻高效螺桿式冷水機(jī)組為研究對象，搭建了變工況實(shí)驗(yàn)平臺。研究發(fā)現(xiàn)：該機(jī)組測定的制冷量為346.92 kW，當(dāng)壓縮機(jī)負(fù)載率從40%升高到100%，機(jī)組制冷量從143.9 kW增加到354.6 kW，壓縮機(jī)功率由27.5 kW增加到60.88 kW，機(jī)組COP由5.22升至5.82。冷凍水溫度每提高2 ℃，COP提高6%～10%。冷卻水進(jìn)口溫度每增加2 ℃，COP降低6%～7%，機(jī)組的制冷量略微降低，但機(jī)組的功率呈現(xiàn)上升的趨勢，綜合導(dǎo)致機(jī)組COP降低。