可变压缩比变频螺杆机节能特性分析

文 // 曹文波 科瑞创想（北京）能源技术有限公司

可变压缩比变频螺杆机节能特性分析

文 // 曹文波 科瑞创想（北京）能源技术有限公司

建筑物在夏季45%～50%的电能都用于空调制冷，其中冷水机组能耗又占到空调能耗的40%以上，因此冷水主机的节能是空调系统乃至建筑能源系统的重点。一般空调系统的设计以满负载需求选配冷水机，而实际运行中，机组满负荷运行的机率很低。如何使冷水主机在最优化的情况运行，是可变压缩比式变频螺杆机市场需求的发展趋势，该技术核心为可变容比压缩机与压缩机变频，目前可变压缩比式变频螺杆机在满载COP与整合部分负载效率 (IPLV)，已接近小型磁浮式离心机水平。

1 传统螺杆式压缩机的容量控制

常规传统螺杆式冷媒压缩机为有段容量控制系统或无段容量控制系统，目前这两种容量调节系统都是由调节滑阀、活塞杆、活塞缸、活塞以及活塞环构成，调节滑阀与活塞通过活塞杆连接。

其工作原理是利用油压推动活塞缸中的活塞带动调节滑阀作为容调控制，润滑油从油箱中流出，通过油过滤器和毛细管，由于油压高于右端弹簧力与制冷剂压力之和，润滑油进入活塞缸。在压差的作用下，活塞在活塞缸中向右侧移动。当滑阀向右侧移动时，压缩腔内的有效压缩容积增加。这也意味着制冷剂气体的排气量增加，最终导致制冷量增加。然而，当有段容调电磁阀（3段/4段容量调节系统）中的任意一个通电时，活塞缸内的高压油旁通至吸气侧，导致活塞与滑阀向左侧移动，一部分制冷剂气体从压缩腔内旁通回到吸气口。结果由于制冷剂的排气量减少，制冷量降低。

连续式无段容调系统与有段容调其基本原理相同，但对电磁阀的应用不同；连续式无段容调采用一个长闭和一个长开的电磁阀，这两个电磁阀分别控制活塞缸的油出口与油入口，且都受温度传感器与微电脑控制器控制，故冷冻的调控能力稳定且较精准。

传统容量调整是活塞缸、滑阀、电磁阀等许多组件所构成，增加了压缩机制造上的复杂度，也增加了日后故障机率。滑阀与螺杆间的间隙泄漏也是降低压缩效率的重要原素之一。滑阀的位置会同时影响压缩容积的大小与容积比值(Vi)。一般双螺杆式压缩机在 70%～100%的容量范围变动时，可维持固定的容积比值，但在70% 以下则容积比值会随着容量降低而逐渐下降。

2 可变容积比变频螺杆机的控制

可变内容积比的压缩机就是将滑阀行程的固定端换成一个可移动的滑块，使得对压缩机的排气口位置可通过滑块位置的移动进行调节，以改变压缩机的内容积比即压头。这样，就可随时根据制冷系统吸气压力和排气压力的变化来调节压缩机的内容积比，从而使压缩机的压缩比时刻于系统压缩比相匹配，以获得理想的排气压力和保持最大的绝热效率与容积效率。

根据制冷系统的压缩特点，其压缩比公式为：

其中：CR－制冷系统压缩比也称外压比；Pd－系统排气压力；Ps－系统吸气压力；

而对于一个近似等熵的压缩过程，压缩机自身的设计压缩比可由公式(2)确定：

其中：Pi－压缩机的设计压缩比也称内压比，为压缩机排气压力和吸气压力之比；Vi－压缩机的设计内容积比，为压缩机吸气容积和排气容积之比；k－制冷剂气体常数，为制冷剂气体定压比热和定容比热之比。

在给定的制冷工况下，如果冷冻、冷却水流量减少，传热性能降低，吸气压力下降、排气压力升高，制冷系统压缩比增大，就会造成过压缩；反之，造成欠压缩。因此，采用可变容积比设计压缩比接近或等于制冷系统压缩比的压缩机，即Pi= CR时，压缩机在运行时，就可避免压缩机压缩比和系统压缩比不匹配而产生的欠压缩和过压缩的状况，从而使系统在制冷工况下达到最高的运行效率。

3 可变与固定容积比螺杆机的比较

根据美国供暖制冷空调工程师学会手册给出的双螺杆压缩机在不同内容积比条件下随系统压缩比变化的效率曲线（图1）；及R22压缩机性能图（图2）。

图1 螺杆压缩机固定V i与可变Vi容效比较

图2 R22压缩机的典型性能

图1中X-Y线为可变容积比Vi的效率曲线，曲线为固定容积比Vi的效率曲线。从图1所示，可变容积比Vi的效率曲线是所有固定容积比Vi的效率曲线的最高点，在部分负荷下，可变Vi压机的能效是最高的、能耗是最低的；图2中虚线为内压比和外压比相等时的等熵效率变化曲线，上图表明在系统压缩比变化范围较大的情况下，可变内容积比的压缩机效率曲线包络了固定内容积比压缩机的效率最高点。

因此，只有当内外压比相等或相近时，压缩机能效最高能耗最低，这也是发展可变容积比压缩机的主要因素。

此外，可变内容积比还具有以下优点：①油分离器中的泡沫较少（无过压缩）；②夹带入制冷系统中的油较少（以为油分离器中油泡沫较少）；③延长了轴承寿命，使轴承上的负载最小；④带经济器口时可调整来自经济器的闪蒸气体量以及来自吸气端的气体量，扩大了压缩机高效运行范围；⑤噪音低；⑥排气温度及油冷却器排热量较低。

可变内容积比压缩机的实际系统运行经验表明，吸气或冷凝压力变化越大，可变容积比压缩机就越有利。根据应用场合、制冷剂种类以及系统运行工况，其效率提高可达30%，目前约克公司、汉钟公司、莱富康公司、复盛公司等都有多种相应的内容积比自动调节变频螺杆机型。

4 可变容积比变频螺杆机的特点

可变容积比变频螺杆机是新一代节能产品，具有节能、高效、低碳、环保、稳定、可靠、功能多样等特点。

在驱动方面采用变频变速，变频器局部制冷剂冷却，高效电机应用，高效变频器调节；变容比Vi变频设计在50%～25%部分负荷工况的运行效率，机组全年运行耗电可减少15%～25%；在环保方面，更高效节能减少间接排放，同时蒸发器独特设计减少制冷剂充排量，减少温室效应；机械高精度加工、紧凑减震设计、高效供油润滑系统、蒸发器冷冻水量30%～120%范围调节、全面参数保护、微电脑中心控制，保障了机组加卸载过程稳定可靠运行；机组性能可适应低温、高温和典型工况运行，可广泛用于空调制冷、热泵和热回收、蓄冰和工艺冷却等工程。

目前，可变内容积比螺杆压缩机已逐步在空调冷水机中得到应用，形成了能耗更低更为节能的可变容积比变频螺杆冷水机产品。变容比变频螺杆机主要特征见表1。

表1

其中，可变容积比变频螺杆机负荷变化时，制冷机流量变化，压缩容积比同步变化，蒸发器允许水流量同步变化，因此，可变容积比变频螺杆机比固定容积比变频螺杆机在50%～25%负荷下更节能、更高效。

同时，蒸发器允许冷冻水流量同步变化，可以将空调系统设计成真正的一次变流量系统，从而可以在部分负荷工况下，节约大量循环水泵的能耗，实现最佳的空调系统节能。

因此，可变容积比变频螺杆机的推广应用，将会为空调、制冷系统带来新的节能契机。

5 可变容积比变频螺杆机的应用

近年来，螺杆压缩机的销量已超过容积式压缩机总销售量的80%，随着变频技术在螺杆压缩机上的应用，使得螺杆压缩机在节能降耗方面发挥了进一步的作用。据不完全统计，目前发达国家变频螺杆压缩机的销售量已经占螺杆压缩机年销售量的70%。因结构简单可靠、使用寿命长、维护方便、节能经济等特征，变频螺杆压缩机具有了美好的发展前景。

而在实际运行过程变频螺杆制冷压缩机内外压比不匹配，负荷为70%以下时，定容比压缩机产生欠压缩或过压缩的现象，这样变频螺杆制冷压缩机的性能不能充分发挥出来，导致螺杆压缩机的性能不是很理想；因此为解决变频螺杆制冷压缩机欠压或过压缩功耗增加的矛盾，各设备厂家进一步开发了可变容积比变频螺杆机，有效解决了宽范围变频过程，欠压或过压缩功耗增加，能效下降等问题，使可变容积比变频螺杆机既具有传统螺杆机的结构简单耐用的特点，又具备了调速宽、高效、稳定、节能、低耗的新特征。

表2

表3

目前常用螺杆机的空调冷水系统有一次、二次水系统，与可变容积比变频螺杆机空调冷水系统的特征对比见表2。

通过对比不同类型压缩机的冷水机组在相同制冷量空调工况运行能耗状况见表3。

通过空调水系统特征对比，采用可变容比变频螺杆机可以实现最优化一次水系统变频运行，不但大大降低了制冷机组能耗与循环泵能耗、提高设备能效，同时也简化了系统和减少了设备数量，节约了机房面积，还可获得超频冷量，因此，可变容比变频螺杆机空调系统，将成为建筑用能系统进一步节能降耗的最佳选择。

6 结论

空调冷水系统从一次泵定流量、二次泵变流量到一次泵变流量的演变过程，不单是系统循环泵由不节能、负荷侧循环泵节能、冷源侧与负荷侧循环泵节能的过程，更主要的是制冷机组由定容比工频、定容比变频、变容比变频的技术进步过程；也是制冷机组不断适应使用功能与节能需求的技术进步；从而带动了空调系统配置的简单、复杂、再简单的技术演化。

可变容积比变频螺杆机的开发，有效解决了欠压缩与过压缩的能耗增加问题，优化了变容积比与变频的匹配；并且整合了高效变频、高效电机、高效润滑、蒸发器优化、中心控制等多项新技术新理念，促进了可变容积比变频螺杆机的广泛应用。

可变容积比变频螺杆机的应用，不但大大提升制冷机部分负荷运行效率降低了制冷机能耗，并最大限度的扩展了蒸发器冷冻水流量许可变化范围，为负载侧一次变流量系统应用提供了最大节能空间。