多聯(lián)機用壓縮機的低負(fù)荷性能實驗研究

闕沛禎 魏會軍 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）機組（以下簡稱多聯(lián)機）為一臺或數(shù)臺室外機連接多臺室內(nèi)機的空調(diào)機組，具有美觀、節(jié)省空間、控制靈活等優(yōu)點，其應(yīng)用范圍逐漸從酒店、學(xué)校等公共建筑擴展到到別墅、普通家庭等住宅建筑。統(tǒng)計表明[1-3]，多聯(lián)機已占中央空調(diào)50 %以上的市場份額，對建筑能耗的影響越來越大。據(jù)國家七部委聯(lián)合發(fā)布的《綠色高效制冷行動方案》中要求，到 2022年多聯(lián)機的能效水平需提升40 %，節(jié)能需求急迫。

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

王興[5]對各廠家多聯(lián)機用變頻渦旋壓縮機低負(fù)荷運行性能總結(jié)出六點方法，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多聯(lián)機低負(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低負(fù)荷能效較低的問題，且有待進一步實驗驗證。張霞[6]對比了渦旋壓縮機與轉(zhuǎn)子壓縮機的差異，認(rèn)為在全工況制冷及制熱下，變頻轉(zhuǎn)子壓縮機運行頻率更廣且能效更高，綜合能效更優(yōu)，且在低頻運轉(zhuǎn)模式下，相對于渦旋優(yōu)勢較為明顯。徐嘉[7]等人總結(jié)提出了三種壓縮機變?nèi)菁夹g(shù)，包括多臺壓縮機并聯(lián)、變頻技術(shù)以及壓縮機工作腔卸載技術(shù)。其中多臺壓縮機并聯(lián)技術(shù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，變頻技術(shù)現(xiàn)已通用，而壓縮機工作腔卸載技術(shù)即為本文所述變?nèi)輭嚎s機技術(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中間點及最小制冷能力時的能效，具有一定參考意義，但該文章尚未對壓縮機低負(fù)荷能效進行進一步對比研究。

針對上述問題，對多聯(lián)機用變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機、變頻渦旋壓縮機以及格力電器股份有限公司研發(fā)的變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機進行性能實驗測試對比研究，分析不同壓縮機在低負(fù)荷工況下的能效水平，為開發(fā)高效節(jié)能多聯(lián)機時壓縮機的選型工作提供參考指導(dǎo)。

1 實驗用壓縮機類型及原理簡介

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

變頻渦旋壓縮機在8HP以上商用多聯(lián)機中使用廣泛[3]，其通過動盤與靜盤相對轉(zhuǎn)動形成封閉容積的連續(xù)變化，實現(xiàn)對工質(zhì)的壓縮，具有結(jié)構(gòu)精密，靜音穩(wěn)定等特點。排量一定，可通過頻率調(diào)節(jié)能力輸出。

隨著轉(zhuǎn)子壓縮機的大型化發(fā)展，部分商用機型開始選用常規(guī)變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機。變頻轉(zhuǎn)子壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性好等優(yōu)點。變頻雙轉(zhuǎn)子壓縮機由兩氣缸組成，運行時利用偏心曲軸，帶動活塞在兩氣缸內(nèi)同時轉(zhuǎn)動縮小工作容積，達到壓縮目的，其排量一定，可通過頻率調(diào)節(jié)能力輸出。

格力變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機除常規(guī)雙轉(zhuǎn)子壓縮機特點外，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)換是通過壓力控制系統(tǒng)和滑塊鎖止機構(gòu)的聯(lián)動控制來實現(xiàn)。即在滑塊上開設(shè)有凹槽，下軸承開設(shè)有鎖止機構(gòu)，此鎖止機構(gòu)包括可以上下運動的銷釘，以及銷釘?shù)撞康膹椈伞．?dāng)負(fù)載較低時，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動，銷釘鎖止滑塊，使滑塊和滾子分離，變?nèi)輾飧卓蛰d不壓縮，實現(xiàn)單缸運行模式。當(dāng)處于中高負(fù)荷運行時，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動，滑塊被解鎖，使滑片和滾子貼合，變?nèi)輭嚎s運行，實現(xiàn)雙缸運行模式。

圖1 變頻變?nèi)輭嚎s機容積切換原理圖

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

2 壓縮機方法和測試工況

測試原理和測試方法與GB 5773-86《容積式制冷壓縮機性能測試》中規(guī)定的第二制冷劑量熱器法相同。實驗原理如圖2所示。

圖2 實驗裝置流程圖

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

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

為更好模擬低負(fù)荷運行情況，選取制冷量為33.5 kW的同一系統(tǒng)下實際運行不同負(fù)荷率的6種工況對實驗壓縮機進行單機測試（如表1）。在工況1、2下，壓縮機處于極低負(fù)荷（低于10 %）狀態(tài)，而渦旋A72壓縮機最低運行頻率為10 Hz，其理論制冷量已遠大于所需冷量，故未進行升頻。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)進行換算，具體工況及各款壓縮機運行頻率如表3。

表1 ARI測試工況

表2 ARI測試結(jié)果

表3 低負(fù)荷能效測試工況及壓縮機運行頻率

3 壓縮機低負(fù)荷運行能效測試結(jié)果及分析

3.1 低負(fù)荷性能測試結(jié)果

壓縮機能效隨工況即負(fù)荷情況發(fā)生變化，經(jīng)實驗得到圖3～圖5實驗結(jié)果。圖3為壓縮機低負(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壓縮機能效呈現(xiàn)大幅下降趨勢，變頻轉(zhuǎn)子壓縮機B65及H80相對而言較為穩(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H80單缸與B65相比優(yōu)勢明顯，能效最大提升30 %；整體均優(yōu)于變頻渦旋壓縮機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A72能效逐步上升，略高于轉(zhuǎn)子壓縮機。

圖3 壓縮機低負(fù)荷能效

圖4 壓縮機低負(fù)荷制冷量

圖5 壓縮機低負(fù)荷容積效率

圖4、5分別為壓縮機低負(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，各款壓縮機低負(fù)荷能效變化規(guī)律基本與容積效率變化趨勢一致。故低負(fù)荷工況下的能效主要與壓縮機泄露呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。以輕負(fù)荷工況2為例，此時變頻渦旋A72壓縮機制冷量低，容積效率僅為52 %。變頻轉(zhuǎn)子壓縮機B65容積效率出現(xiàn)下降趨勢，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H80憑借單缸小排量高頻率的優(yōu)勢，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)子壓縮機限制，進一步提高。

3.2 性能測試結(jié)果分析

多聯(lián)機用壓縮機一般采用變頻技術(shù)降低頻率，保證不停機狀態(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。但隨著運行頻率的降低（即轉(zhuǎn)速的降低），壓縮機的能效依然會下降。當(dāng)運行頻率已降至最低，輸出最小冷量依然過大時，仍只能選擇停機再啟動。

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

而轉(zhuǎn)子壓縮機的低頻內(nèi)泄漏雖不如渦旋壓縮機一般嚴(yán)重，但轉(zhuǎn)速降低帶來的泄漏量仍不可忽視。轉(zhuǎn)子壓縮機主要利用結(jié)構(gòu)緊湊的各部件間的配合間隙的油膜密封來防止泄漏[8]。降低轉(zhuǎn)速不利于油膜的形成與密封。同時，低轉(zhuǎn)速低負(fù)載也會導(dǎo)致電機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)勢主要表現(xiàn)在兩方面：

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

2）同冷量輸出下，相較于常規(guī)雙轉(zhuǎn)子壓縮機，變?nèi)輭嚎s機可通過卸載其中一個氣缸降低排量方式提高運行頻率，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)會使密封性增強，壓縮機內(nèi)泄露減少，進而提升容積效率。另一方面，隨著轉(zhuǎn)速的增加，電機效率會出現(xiàn)提升。當(dāng)負(fù)荷率處于16 %以下時，對比H80和B65壓縮機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H80單缸運行頻率高于變頻轉(zhuǎn)子壓縮機B65，能效大幅提升。

4 結(jié)論

本文對應(yīng)用于同一多聯(lián)機系統(tǒng)的不同壓縮機進行了低負(fù)荷性能測試，分析了低頻低負(fù)荷對壓縮機性能的影響，并得出如下結(jié)論：

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

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

3）變?nèi)輭嚎s機可以通過容積和頻率同步調(diào)節(jié)，有效提升壓縮機的容積效率和電機效率，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)機系統(tǒng)應(yīng)用于長期處于中高負(fù)荷下運行的商用場合，選用渦旋壓縮機具有一定的優(yōu)勢；若應(yīng)用于長期處于低負(fù)荷下運行的家用及辦公等場合，應(yīng)優(yōu)選變頻轉(zhuǎn)子壓縮機，變頻變?nèi)蒉D(zhuǎn)子壓縮機在此種場合下的能效和能力輸出范圍都具有顯著的優(yōu)勢。