超市用多機并聯變頻機組運行分析

王鐵 代小軍 譚永安

（大連三洋冷鏈有限公司 遼寧大連 116600）

1 引言

能源緊缺和環境惡化成為全球范圍內的課題，為了應對能源危機和資源過度消耗引起的環境問題，節能減排成為社會發展的主題。中國政府在哥本哈根會議后承諾，2020年中國將使國內單位生產總值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%。而根據調查，全國零售業企業年總耗電量已超過300多億千瓦時，節能減排具有具有巨大空間，為響應企業所在國和中國的節能減排政策要求，內資及外資的零售巨頭在店鋪節能環保上不斷增大資金投入，加強節能措施推進，并鼓勵設備供應商提供節能設備提供節能新技術。而超市制冷系統的能耗一直在超市整體能耗中占比超過30%，所以制冷系統的節能意義重大。

中國日常用電為固定頻率（50Hz）的交流電源。變頻技術是通過整流和逆變轉換等一系列技術措施來改變用電設備的供電頻率，從而控制設備的輸入、輸出功率，達到系統在高低負載時都能節能的目的。在發改委、經貿委、國家計劃委員會等多部委制定的《節約能源法》、《節約用電管理辦法》、《關于加強節能工作的決定》等政策法規中，著重推薦了變頻調速技術，并將變頻技術列為發改委啟動的十大重點節能工程之一。同時，隨著國家各種節能優惠政策的出臺，變頻技術已廣泛應用到空調行業。但目前在超市制冷行業的變頻技術還是較少應用。

超市用的制冷系統隨著賣場內和室外環境氣溫的不同、營業時間不同，以及賣場人流量、物流量的不同，賣場內制冷陳列柜和冷庫的負荷也在大幅變化，國內超市制冷系統通常用的制冷機組為多個壓縮機并聯的組成，一般由多臺活塞式壓縮機并聯組成，多臺并聯壓縮機共用吸、排氣集管及機組配件，通過各個壓縮機ONOFF控制，達到多級調節冷量，從而實現制冷機組的負荷與賣場內的冷柜與冷庫負荷匹配。這種控制多級冷量調節的控制方式由于級別間差值較大使制冷系統內的蒸發溫度波動很大，大大影響了末端冷柜、冷庫設備的溫度穩定性。另外，為了保證制冷末端的溫度需求，可能會導致壓縮機的頻繁啟停，而壓縮機電機在啟停過程中要重復克服轉子從靜止到額定轉速間的變化所產生的巨大轉動慣量，且壓縮機電機帶負載啟動時的啟動力矩大于運行力矩數倍，導致額外耗能的增加和壓縮機運動部件的磨損加劇。另外，壓縮機的啟停還會產生較大的振動、噪聲和對電網電壓造成一定沖擊。本文將對實際運行的超市用多機并聯制冷機組的變頻和工頻運行中的能耗、制冷系統的穩定性、冷柜的溫度穩定性多方面進行分析，對超市用多聯機制冷機組的變頻應用前景進行探討。

2 交流活塞壓縮機的工作原理

超市制冷用多聯機多采用半封閉活塞壓縮機，這種壓縮機采用的電機是交流異步電動機，制冷壓縮機的轉數見公式（1），壓縮機的轉數和壓縮機的頻率成正比，而普通活塞壓縮機的排氣量和轉數成正比，所以通過改變壓縮機的頻率可以改變壓縮機的轉數，通過轉數變化達到排氣量的變化，進而達到制冷量的調節。而普通活塞壓縮機一般運行頻率范圍是25～60Hz,專門的變頻壓縮機可在20～87Hz范圍內變頻，即使是普通可變頻壓縮機當頻率在25～60Hz范圍內變化時，壓縮機的冷量也是在定頻壓縮機的50%～120%之間無級輸出，壓縮機冷量可調節范圍很大，可以適應變負荷工況運行。

n—壓縮機轉速（r/min）

f—電源頻率（Hz）

s—轉差率，異步交流電動機的轉子速度與同步速度（磁場轉速）之差占同步速度的百分比

p—電機磁極對數

表1 深圳某超市制冷機組概況

表2 深圳某超市制冷機組工頻變頻能耗對比表

3 超市定頻制冷機組運行特性

一般情況下，超市的整體制冷系統根據冷柜使用溫度分為冷凍（-22℃）、冷藏（0℃）系統兩部分，根據冷凍和冷藏系統負荷的大小和經濟性考慮，通常配冷凍和冷藏用半封閉活塞并聯機組各一套。而超市制冷系統與工業制冷和家用制冷相比，末端冷柜側的負荷波動較大，因為超市分為營業時間和閉店時間，同一天內冷柜在這兩個時間段內的負荷最大相差達70%以上；而且超市機組多為風冷冷凝，受室外冷凝溫度的影響，冬季和夏季同一臺壓縮機組制冷量會最大相差30%以上；冷柜所處的室內賣場溫度也夏季空調設計溫度25℃，濕度65%，冬季室內環境設計溫度20℃，濕度50%，冷柜所處環境溫濕度度的不同也會使冷柜需求的的冷量也不同，冬季和夏季負荷最大會相差40%以上；而且中國國內超市人流在節假日會比平常高2倍以上，同一季節內因節假日關系，冷柜內物品的取放次數，補貨次數也會相差巨大，也會導致冷柜冷量負荷相差巨大。以上各種因素的疊加造成同一超市賣場，同一組冷柜、制冷機組設備，因為時間因季節氣候、早晚溫差和賣場內人流、物流等因素影響，系統熱負荷在15%～100%變動，所以整個制冷系統要不斷地調節系統的制冷量以適應負荷變化，普通的并聯制冷機組一般通過壓縮機的開停個數調節來分級滿足不同冷量需求，對制冷機組要求高的超市會要求在壓縮機側增加能量調節閥使壓縮機頭的冷量達到原來的33%或50%的以增加制冷能級調節數量。對應超市制冷負荷變化時制冷機組需要通過開關不同的壓縮機，或者開停壓縮機上的能量調節閥，機組上的壓縮機數量越多或能量調節閥的數量越多，意味著冷量可調節級數愈多，機組與負荷變化的匹配越好。但是這種調節畢竟是有級的能調，在特定的工況的冷量需求下，還會有機組冷量與冷柜需求冷量不匹配的情況，會造成冷柜的溫度波動巨大，而且為保證冷柜側溫度，壓縮機會頻繁啟停，

4 實際超市多機并聯變頻機組運行分析

本文中實際使用變頻機組的項目是深圳的一家超市，共計3臺機組，低溫系統冷柜溫度-22℃冷凍機組型號LTA，中溫系統冷柜溫度0℃冷藏機組MTB, 高溫系統冷庫溫度10℃冷機組MTC,變頻前冷柜溫度，3臺機組的相關參數和變頻器對應的壓縮機見表1。

圖1 工頻運轉時冷柜側吸氣壓力波動圖

3臺機組均配置工頻、變頻切換開關，可以根據運轉需要進行工頻、變頻切換，并在變頻故障時自動切換到工頻運轉，考慮到并聯機組本身結構，避免某些頻率產生結構共振，所以本項目壓縮機的變頻頻率在28～55Hz。對比的運轉過程取使室外環境溫度、室內環境溫度相當，客流量相當時，從而冷柜側的負荷相當，機組側運轉數據具備可比性。運轉數據為工頻和變頻交替記錄的方式，記錄儀器為系統自帶的DANFOSS公司SC255型監控系統，溫度探頭、壓力探頭分別為DANFOSS自帶的AKS系列 PT1000型溫度探頭和AKS-33型壓力傳感器，分別記錄冷柜的柜溫，壓縮機組側的吸氣壓力、吸氣溫度、電功率表采用正泰DT-666型進行實際消耗能量的記錄。

取其中MTB制冷系統中的一組對比數據進行分析，以系統中冷柜代號為MTB-10的一組冷柜為例,圖1為機組工頻運轉時1小時內冷柜側的吸氣壓力變化圖，圖2為機組變頻運轉時1小時內冷柜側的吸氣壓力變化圖。從二圖中可以看出，在機組變頻后，冷柜的吸氣壓力在同樣的時間段內波動更小，波動次數也更少，并且在機組變頻運行后吸氣壓力在比工頻運轉更高了。冷柜在使用溫度不變的條件下，實現了平均換熱溫差的降低，溫差低后冷柜的結霜量會更少，除霜的功耗會更小。而吸氣壓力的提高意味壓縮機平均運行平均蒸發溫度的提高，機組的COP值提高，而且冷柜側吸氣壓力的平穩意味著機組吸氣壓力平穩，壓縮機的啟停次數會更少。從SC255記錄的壓縮機啟停次數顯示，變頻前壓縮機的啟停次數每天平均在82次，變頻后同臺壓縮機的啟停次數下降為12次每天，明顯減少了壓縮機的啟停次數。

圖2 變頻運轉時冷柜側吸氣壓力波動

現場監測的變頻機組在壓縮機的啟動電流降低，整體機組運轉噪音，機組的震動方面都有很大的改善，從主要的能效方面比較見表2。變頻后壓縮機的啟停次數減少了，但是運轉時間相應增加了，所以壓縮機的吸氣溫度相對穩定。變頻后LTA制冷系統的整體能耗降低了約3.97%，變頻后MTB制冷系統的整體能耗降低了約6.4%,變頻后MTC制冷系統的整體能耗降低了約16.7%。從表2中可見多機并聯機組變頻節能雖然不象單機的節能效果那么巨大可以達到30%以上，但是實際測量也能達到4%～17%的節能效果。LTA機組節能比率最小，因為工頻機組上裝了1個能調閥，已經具備6級冷量調節，MTC機組節能最大因為原來機組只有2個能級，所以變頻后節能比率也大。

5 超市多機并聯變頻機組特點綜述

從實際項目運行分析中，可以看出超市并聯系統使用變頻后，與常規的活塞并聯機組相比，有以下特點：

(1)變頻機組更節能。壓縮機組在變頻運轉時，相比工頻運轉可以達到3%～17%的節能效果。變頻壓縮機可以實現調節范圍內的無級調節，使壓縮機組始終運行在最佳點，機組吸氣壓力得到提升，從而提高壓縮機的COP減少耗能。另外，變頻啟動時，逐步升頻啟動減小了啟動時能耗。

(2)變頻機組使陳列柜和冷庫溫度波動幅度更小，冷柜的的柜內溫度更加恒定，使儲存食品更加符合存儲條件，更加滿足食品安全要求。

(3)變頻機組使壓縮機的啟停次數減少，避免了壓縮機頻繁起停引起的壓縮機的機械和電氣故障，降低了設備的后期維護的成本，相當于延長了機組的使用壽命。

(4)變頻機組降低了壓縮機啟停對電網的沖擊，如果壓縮機工頻啟動會產生數倍的電機額定電流的電流沖擊，這將大大增加電機繞組的電應力產生的熱量并而降低電機的壽命。使用變頻調速能充分降低減小啟動電流，降低壓縮機的電機維護成本和延長壓縮機的壽命。

6 結論

超市多機并聯壓縮機使用變頻器后，可以很好地和超市制冷負荷變化較大特點匹配。實際測試中3臺機組可以變頻后節能3.97%～16.7%，具體的節能效果需要看原來機組的能量調節級數；變頻壓縮機使用后減少了壓縮機的啟停次數，一定程度上可以減少壓縮機的故障率；減少了壓縮機啟動對外部電網的影響；降頻運行時機組的噪音震動都有改善；使用變頻機組后壓縮機的吸氣壓力有了提高，機組運行的COP有提高；陳列柜的柜內溫度波動更小，更符合食品安全要求；使用變頻機組后陳列柜的換熱溫差更小，冷柜結霜量更小，除霜的能耗會更小，結霜量的減少也意味冷柜換熱效果更好。總之，超市變頻機組和工頻機組比較，具有節能，系統穩定、冷柜溫度穩定的優勢，并且可以通過合理選擇變頻壓縮機的冷量范圍，達到最佳節能效果的目的。

[1] 中國連鎖經營協會(CCFA).2009年中國連鎖零售業環保節能狀況綠皮書[M].2009.

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