350 kW變頻螺桿式冷水機組變工況性能分析

范峻銘，蔣鵬*，關旭，楊光，孟偉，李璐伶

(1.深圳市燃氣輸配及高效利用工程技術研究中心，廣東 深圳 518049； 2.深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東 深圳 518049)

0 引言

據統計，中國的建筑能耗占全國總能耗的46%，而空調系統能耗占建筑總能耗的40%左右[1]。在夏季用電高峰期，空調用電負荷甚至高達城鎮總體用電負荷的40%。這一方面導致夏季用電高峰期時會出現電網不堪負荷，甚至拉閘限電的現象；另一方面以煤電為主體的電能供應將引起嚴重的環境污染。因此，開發采用高效制冷系統和設備是建筑節能的重要舉措。

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點，但這種系統體積較大，制冷能效較低，應用較少。熱電式空調則利用溫差電效應，即帕爾貼效應，來實現制冷，其體積小、噪音低，但它的制冷能效值較其他兩種系統低，且設備價格昂貴。

蒸汽壓縮式制冷機主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥等四個部件構成，是最為常見的制冷方式。其制冷循環過程為：制冷壓縮機先從蒸發器吸入低溫低壓的制冷劑蒸汽，經壓縮機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，并向冷卻介質放出熱量，然后冷卻為過冷液態制冷劑，液態制冷劑經膨脹閥(或毛細管)絕熱節流成為低壓液態制冷劑，在蒸發器內蒸發吸收空調循環水(空氣)中的熱量，從而冷卻空調循環水(空氣)達到制冷的目的，流出的低壓制冷劑再被吸入制冷壓縮機，如此循環工作[3]。鑒于其制冷工作性能和應用場合，根據壓縮機的機構可將蒸汽壓縮式制冷分為活塞式、離心式和螺桿式冷水機組等。永磁同步變頻螺桿式冷水機組專為提升效率和降低運行成本而設計[4]，冷水換熱器為高效降膜式換熱器，冷媒為環保冷媒 R134a，其制冷量為120～600 Rt。此外，其結構簡單、能耗低、能量調節范圍廣且故障率低、維修方便，在中、小型冷水機組中得到了廣泛的應用。

現階段，永磁同步變頻螺桿式冷水機組的研究主要集中于變頻壓縮機在滿負荷時的運行能效[5]和較大制冷量的螺桿機組的滑閥與變頻調節運行性能這兩方面[6]。在預測螺桿式機組制冷性能方面，Gordon等[7]構建了基于熱力學第一和第二定律的數學模型,并用不同的螺桿式制冷系統進行驗證，表明其所構建模型的準確性，均方根差僅1.9%。與熱力學模型相比，采用多變量多項式模型預測COP的均方根誤差更小[8]。此外，基于“黑箱模型”的徑向基神經網絡模型和多層感知機的深度神經網絡模型也被用于電制冷系統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，經過深度學習后，所構建的COP預測模型準確度高于多項式擬合模型[9]。Zendehboudi等[10]則利用響應面法耦合非支配排序遺傳算法對以R450A作為制冷介質的蒸汽壓縮循環的COP進行了優化。

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

1 350 kW變頻高效螺桿式冷水機組

螺桿式壓縮機冷水機組具有結果簡單、能耗低、能量調節范圍廣且故障率低、維修方便的特點，在中、小型冷水機組中得到了廣泛的應用。所測試的變頻螺桿式冷水機組外形如圖1所示，其工藝流程如圖2所示。該制冷采用了帶經濟器的二次吸氣制冷循環。流出冷凝器的制冷劑液體分為兩支，一小支流經過節流膨脹閥降溫后，返回經濟器中吸熱產生閃發性氣體，再經中間補氣口進入壓縮機的腔體內，與原有氣體混合后繼續被壓縮；另外一支流經節流元件降壓后進入蒸發器制冷，實現了“二級壓縮”，提高了能效[11]。如圖3所示，常規的蒸汽壓縮循環的能效(COP1)表達式為：

圖1 變頻螺桿式冷水機組外形圖

圖2 變頻螺桿式冷水機組系統流程圖

設定進入蒸發器的制冷劑流量比例為x，則帶經濟器的制冷循環COP2的計算式為：

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

圖3 帶經濟器的冷水機組壓力-焓值圖

對比式(1)和式(2)可知，COP2＞COP1。這主要是因為進入蒸發器前的制冷劑過冷，使得單位質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，補氣壓力高于壓縮機的進氣壓力，使得這部分制冷劑氣體無需壓縮，因此壓縮功降低。

為實現螺桿式冷水機組的制冷量的調節，采用電機變頻技術結合滑閥調節技術以實現制冷量在10%～100%之間連續變化。根據壓縮機運行特性[12-13]：

式(3)～(4)中：n為電 機的轉速(r/min)；f為電機的電源頻率(Hz)；P為電機的極對數；s為電機轉差率；n0和n1分別為設計工況下和實際工況下電機的轉速(r/min)；N0和N1分別為設計工況下和實際工況下電機消耗功率(kW)。

電機變頻可有效改變壓縮機的容積流量。此外，如式(3)和式(4)所示，發電機的頻率與轉速有關。輸入功率的變化率是轉速變化率的3次方，只要轉速減少，輸入功率就會變化到很小的值，以達到節能的效果。電機的冷卻采用的是進氣冷卻方式，吸入的低溫制冷劑進入轉子腔，流經電機進行冷卻。

壓縮機的變頻無法調節內壓縮比，這造成壓縮機內外壓比不等，引起過壓縮或欠壓縮，導致壓縮機性能下降。為避免這一現象，現采用變頻配合滑閥調節來控制制冷量。滑閥調節是在兩個轉子之間設置一個軸向可移動的下置滑閥，移動滑閥可改變轉子的有效長度，使部分制冷劑氣體未經壓縮就通過旁通流到壓縮機的吸氣側，從而使輸出氣得到控制。滑閥的移動由供油壓力推動，回油管上設置電動調節閥，通過溫度傳感器、控制器來調節電動閥開度，從而控制推動活塞油壓缸壓力的大小。

壓縮機能量調節變頻驅動的原理為：根據冷水溫度、電機轉速和蒸發、冷凝壓力、蒸發壓力的變化同步調節電機頻率、滑閥位置、壓縮機轉速、內容積比以始終保持最佳匹配，進而保證機組在最佳的工況下運行。通過監測冷水實際出水溫度與設定值的偏差, 根據溫差調節電機轉速及滑閥位置。

如表1所示，該機組采用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，其節能環保特性優，臭氧耗損潛能值為0，溫室效應潛能值低，性質穩定，且不存在溫度滑移，廣泛應用于汽車、家用及商用空調領域。且螺桿式冷水機組設計制冷量約為350 kW，在GB 18430.2—2001《蒸氣-壓縮循環冷水(熱泵)機組》規定的測試條件下，即冷凍水7/12，冷卻水30/35，其理論COP可達6.38，依據GB 19577—2015《冷水機組能效限定值及能效等級》標準[14]，該冷水機組達到1級水準，即能效最高等級。

表1 螺桿式冷水機組設計參數

2 性能測試

為驗證該機組的性能指標及考察變工況下的性能特性，如圖4和圖5所示，對螺桿式冷水機組進行了測試。實驗的冷水和冷卻熱水溫度分別由恒溫冷水箱和恒溫熱水箱中的溫控儀控制。在標準工況下，恒溫冷水箱和熱水箱的溫度分別控制在12 ℃和30 ℃。冷水機組出口的冷卻水先后經過溫度傳感器(T2)、球閥(V1)進入恒溫熱水箱，從恒溫熱水箱出口的冷卻水經過變頻水泵(P1)、流量計(F1)進入機組進行換熱。

圖4 螺桿式冷水機組測試實驗圖

圖5 螺桿式冷水機組測試實物圖

同時，由冷水機組出口的冷凍水先后經過溫度傳感器(T4)、球閥(V2)進入恒溫冷水箱，經過混合換熱后，經由變頻水泵(P2)、流量計(F2)返回機組。當裝置各參數穩定后，記錄溫度及流量，以便于后續制冷量的計算。

3 結果與分析

3.1 測試值與設計值對比

將實驗的溫度參數與設計值的誤差控制在±0.3 ℃范圍內，其余的測定值均在標準允許誤差范圍內，以滿足設計要求。

如圖6所示，測定的制冷量為346.92 kW，略小于其設計值351.6 kW；實測的壓縮機消耗功率為56.83 kW，略大于其設計值55.1 kW，故測定所得到的COP低于其設計值的4.4%。

圖6 螺桿式冷水機組設計值和實驗值對比

3.2 壓縮機負載功率對機組性能的影響

螺桿式冷水機組的設計和性能標定均是按照最大負荷設計的，而在實際運行時，冷水機組的運行基本處于不同的環境條件和部分負荷狀態下。因此，考察變工況條件對機組性能的影響是必要的。

如圖7所示，在空調水出進水溫度7/12 ℃，冷卻水進出水溫度32/37 ℃的情況下，機組壓縮機負荷從40%到100%的條件下，冷水機組制冷量、壓縮機功率及機組COP的變化。可以看出，當壓縮機負載率從40%升高到100%，機組制冷量從143.9 kW增加到354.6 kW，壓縮機功率由27.5 kW增加到60.88 kW，機組COP由5.22升至5.82。這主要是由于機組負荷的下降，制冷劑所提供的冷量降低，在冷凍水進出口溫差不變的情況下，冷凍水流量降低，故導致制冷量和COP均下降。

圖7 壓縮機負載功率對機組性能影響

3.3 冷凍水出口溫度對機組性能的影響

如圖8所示，在冷卻水進出口溫度32/37 ℃下，冷凍水出口溫度從5 ℃升到11 ℃時，測試出的冷水機組的性能參數變化。可知，提高冷凍水出水溫度，機組功率將緩慢降低，而制冷量呈現緩慢上升趨勢，機 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，則更有利于蒸發器內制冷介質的蒸發，故機組制冷量增加。

圖8 冷凍水出口溫度對機組性能的影響

3.4 冷卻水進口溫度對機組性能的影響

現實驗工況為保持冷凍水的出進口溫度為7/12 ℃，且冷卻水流量恒定時，冷卻水進口溫度變化對機組性能的影響。如圖9所示，隨著冷卻水出口溫度升高，機組制冷量略微降低，但機組功率呈現上升的趨勢，使機組COP降低。冷卻水進口溫度每增加2 ℃，COP降低6%～7%。這主要是因為提高冷卻水進口溫度，機組的冷凝溫度升高，制冷劑冷凝量降低，故機組制冷量下降。由于制冷劑返回壓縮機的溫度升高，因此壓縮機功耗增加。

圖9 冷卻水進口溫度對機組性能影響

4 結語

本文以某國產350kW永磁同步變頻高效螺桿式冷水機組為研究對象，搭建了變工況實驗平臺。研究發現：該機組測定的制冷量為346.92 kW，當壓縮機負載率從40%升高到100%，機組制冷量從143.9 kW增加到354.6 kW，壓縮機功率由27.5 kW增加到60.88 kW，機組COP由5.22升至5.82。冷凍水溫度每提高2 ℃，COP提高6%～10%。冷卻水進口溫度每增加2 ℃，COP降低6%～7%，機組的制冷量略微降低，但機組的功率呈現上升的趨勢，綜合導致機組COP降低。