超市用多機(jī)并聯(lián)變頻機(jī)組運(yùn)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(huán)境惡化成為全球范圍內(nèi)的課題，為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和資源過(guò)度消耗引起的環(huán)境問(wèn)題，節(jié)能減排成為社會(huì)發(fā)展的主題。中國(guó)政府在哥本哈根會(huì)議后承諾，2020年中國(guó)將使國(guó)內(nèi)單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40%到45%。而根據(jù)調(diào)查，全國(guó)零售業(yè)企業(yè)年總耗電量已超過(guò)300多億千瓦時(shí)，節(jié)能減排具有具有巨大空間，為響應(yīng)企業(yè)所在國(guó)和中國(guó)的節(jié)能減排政策要求，內(nèi)資及外資的零售巨頭在店鋪節(jié)能環(huán)保上不斷增大資金投入，加強(qiáng)節(jié)能措施推進(jìn)，并鼓勵(lì)設(shè)備供應(yīng)商提供節(jié)能設(shè)備提供節(jié)能新技術(shù)。而超市制冷系統(tǒng)的能耗一直在超市整體能耗中占比超過(guò)30%，所以制冷系統(tǒng)的節(jié)能意義重大。

中國(guó)日常用電為固定頻率（50Hz）的交流電源。變頻技術(shù)是通過(guò)整流和逆變轉(zhuǎn)換等一系列技術(shù)措施來(lái)改變用電設(shè)備的供電頻率，從而控制設(shè)備的輸入、輸出功率，達(dá)到系統(tǒng)在高低負(fù)載時(shí)都能節(jié)能的目的。在發(fā)改委、經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)等多部委制定的《節(jié)約能源法》、《節(jié)約用電管理辦法》、《關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定》等政策法規(guī)中，著重推薦了變頻調(diào)速技術(shù)，并將變頻技術(shù)列為發(fā)改委啟動(dòng)的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。同時(shí)，隨著國(guó)家各種節(jié)能優(yōu)惠政策的出臺(tái)，變頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用到空調(diào)行業(yè)。但目前在超市制冷行業(yè)的變頻技術(shù)還是較少應(yīng)用。

超市用的制冷系統(tǒng)隨著賣場(chǎng)內(nèi)和室外環(huán)境氣溫的不同、營(yíng)業(yè)時(shí)間不同，以及賣場(chǎng)人流量、物流量的不同，賣場(chǎng)內(nèi)制冷陳列柜和冷庫(kù)的負(fù)荷也在大幅變化，國(guó)內(nèi)超市制冷系統(tǒng)通常用的制冷機(jī)組為多個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)的組成，一般由多臺(tái)活塞式壓縮機(jī)并聯(lián)組成，多臺(tái)并聯(lián)壓縮機(jī)共用吸、排氣集管及機(jī)組配件，通過(guò)各個(gè)壓縮機(jī)ONOFF控制，達(dá)到多級(jí)調(diào)節(jié)冷量，從而實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)組的負(fù)荷與賣場(chǎng)內(nèi)的冷柜與冷庫(kù)負(fù)荷匹配。這種控制多級(jí)冷量調(diào)節(jié)的控制方式由于級(jí)別間差值較大使制冷系統(tǒng)內(nèi)的蒸發(fā)溫度波動(dòng)很大，大大影響了末端冷柜、冷庫(kù)設(shè)備的溫度穩(wěn)定性。另外，為了保證制冷末端的溫度需求，可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)的頻繁啟停，而壓縮機(jī)電機(jī)在啟停過(guò)程中要重復(fù)克服轉(zhuǎn)子從靜止到額定轉(zhuǎn)速間的變化所產(chǎn)生的巨大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且壓縮機(jī)電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)力矩大于運(yùn)行力矩?cái)?shù)倍，導(dǎo)致額外耗能的增加和壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的磨損加劇。另外，壓縮機(jī)的啟停還會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)、噪聲和對(duì)電網(wǎng)電壓造成一定沖擊。本文將對(duì)實(shí)際運(yùn)行的超市用多機(jī)并聯(lián)制冷機(jī)組的變頻和工頻運(yùn)行中的能耗、制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、冷柜的溫度穩(wěn)定性多方面進(jìn)行分析，對(duì)超市用多聯(lián)機(jī)制冷機(jī)組的變頻應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

2 交流活塞壓縮機(jī)的工作原理

超市制冷用多聯(lián)機(jī)多采用半封閉活塞壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)采用的電機(jī)是交流異步電動(dòng)機(jī)，制冷壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)見公式（1），壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)和壓縮機(jī)的頻率成正比，而普通活塞壓縮機(jī)的排氣量和轉(zhuǎn)數(shù)成正比，所以通過(guò)改變壓縮機(jī)的頻率可以改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)，通過(guò)轉(zhuǎn)數(shù)變化達(dá)到排氣量的變化，進(jìn)而達(dá)到制冷量的調(diào)節(jié)。而普通活塞壓縮機(jī)一般運(yùn)行頻率范圍是25～60Hz,專門的變頻壓縮機(jī)可在20～87Hz范圍內(nèi)變頻，即使是普通可變頻壓縮機(jī)當(dāng)頻率在25～60Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，壓縮機(jī)的冷量也是在定頻壓縮機(jī)的50%～120%之間無(wú)級(jí)輸出，壓縮機(jī)冷量可調(diào)節(jié)范圍很大，可以適應(yīng)變負(fù)荷工況運(yùn)行。

n—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）

f—電源頻率（Hz）

s—轉(zhuǎn)差率，異步交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子速度與同步速度（磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速）之差占同步速度的百分比

p—電機(jī)磁極對(duì)數(shù)

表1 深圳某超市制冷機(jī)組概況

表2 深圳某超市制冷機(jī)組工頻變頻能耗對(duì)比表

3 超市定頻制冷機(jī)組運(yùn)行特性

一般情況下，超市的整體制冷系統(tǒng)根據(jù)冷柜使用溫度分為冷凍（-22℃）、冷藏（0℃）系統(tǒng)兩部分，根據(jù)冷凍和冷藏系統(tǒng)負(fù)荷的大小和經(jīng)濟(jì)性考慮，通常配冷凍和冷藏用半封閉活塞并聯(lián)機(jī)組各一套。而超市制冷系統(tǒng)與工業(yè)制冷和家用制冷相比，末端冷柜側(cè)的負(fù)荷波動(dòng)較大，因?yàn)槌蟹譃闋I(yíng)業(yè)時(shí)間和閉店時(shí)間，同一天內(nèi)冷柜在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的負(fù)荷最大相差達(dá)70%以上；而且超市機(jī)組多為風(fēng)冷冷凝，受室外冷凝溫度的影響，冬季和夏季同一臺(tái)壓縮機(jī)組制冷量會(huì)最大相差30%以上；冷柜所處的室內(nèi)賣場(chǎng)溫度也夏季空調(diào)設(shè)計(jì)溫度25℃，濕度65%，冬季室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)溫度20℃，濕度50%，冷柜所處環(huán)境溫濕度度的不同也會(huì)使冷柜需求的的冷量也不同，冬季和夏季負(fù)荷最大會(huì)相差40%以上；而且中國(guó)國(guó)內(nèi)超市人流在節(jié)假日會(huì)比平常高2倍以上，同一季節(jié)內(nèi)因節(jié)假日關(guān)系，冷柜內(nèi)物品的取放次數(shù)，補(bǔ)貨次數(shù)也會(huì)相差巨大，也會(huì)導(dǎo)致冷柜冷量負(fù)荷相差巨大。以上各種因素的疊加造成同一超市賣場(chǎng)，同一組冷柜、制冷機(jī)組設(shè)備，因?yàn)闀r(shí)間因季節(jié)氣候、早晚溫差和賣場(chǎng)內(nèi)人流、物流等因素影響，系統(tǒng)熱負(fù)荷在15%～100%變動(dòng)，所以整個(gè)制冷系統(tǒng)要不斷地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷量以適應(yīng)負(fù)荷變化，普通的并聯(lián)制冷機(jī)組一般通過(guò)壓縮機(jī)的開停個(gè)數(shù)調(diào)節(jié)來(lái)分級(jí)滿足不同冷量需求，對(duì)制冷機(jī)組要求高的超市會(huì)要求在壓縮機(jī)側(cè)增加能量調(diào)節(jié)閥使壓縮機(jī)頭的冷量達(dá)到原來(lái)的33%或50%的以增加制冷能級(jí)調(diào)節(jié)數(shù)量。對(duì)應(yīng)超市制冷負(fù)荷變化時(shí)制冷機(jī)組需要通過(guò)開關(guān)不同的壓縮機(jī)，或者開停壓縮機(jī)上的能量調(diào)節(jié)閥，機(jī)組上的壓縮機(jī)數(shù)量越多或能量調(diào)節(jié)閥的數(shù)量越多，意味著冷量可調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)愈多，機(jī)組與負(fù)荷變化的匹配越好。但是這種調(diào)節(jié)畢竟是有級(jí)的能調(diào)，在特定的工況的冷量需求下，還會(huì)有機(jī)組冷量與冷柜需求冷量不匹配的情況，會(huì)造成冷柜的溫度波動(dòng)巨大，而且為保證冷柜側(cè)溫度，壓縮機(jī)會(huì)頻繁啟停，

4 實(shí)際超市多機(jī)并聯(lián)變頻機(jī)組運(yùn)行分析

本文中實(shí)際使用變頻機(jī)組的項(xiàng)目是深圳的一家超市，共計(jì)3臺(tái)機(jī)組，低溫系統(tǒng)冷柜溫度-22℃冷凍機(jī)組型號(hào)LTA，中溫系統(tǒng)冷柜溫度0℃冷藏機(jī)組MTB, 高溫系統(tǒng)冷庫(kù)溫度10℃冷機(jī)組MTC,變頻前冷柜溫度，3臺(tái)機(jī)組的相關(guān)參數(shù)和變頻器對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)見表1。

圖1 工頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷柜側(cè)吸氣壓力波動(dòng)圖

3臺(tái)機(jī)組均配置工頻、變頻切換開關(guān)，可以根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)需要進(jìn)行工頻、變頻切換，并在變頻故障時(shí)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到并聯(lián)機(jī)組本身結(jié)構(gòu)，避免某些頻率產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振，所以本項(xiàng)目壓縮機(jī)的變頻頻率在28～55Hz。對(duì)比的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程取使室外環(huán)境溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度相當(dāng)，客流量相當(dāng)時(shí)，從而冷柜側(cè)的負(fù)荷相當(dāng)，機(jī)組側(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)具備可比性。運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)為工頻和變頻交替記錄的方式，記錄儀器為系統(tǒng)自帶的DANFOSS公司SC255型監(jiān)控系統(tǒng)，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(jī)組側(cè)的吸氣壓力、吸氣溫度、電功率表采用正泰DT-666型進(jìn)行實(shí)際消耗能量的記錄。

取其中MTB制冷系統(tǒng)中的一組對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以系統(tǒng)中冷柜代號(hào)為MTB-10的一組冷柜為例,圖1為機(jī)組工頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)1小時(shí)內(nèi)冷柜側(cè)的吸氣壓力變化圖，圖2為機(jī)組變頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)1小時(shí)內(nèi)冷柜側(cè)的吸氣壓力變化圖。從二圖中可以看出，在機(jī)組變頻后，冷柜的吸氣壓力在同樣的時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)更小，波動(dòng)次數(shù)也更少，并且在機(jī)組變頻運(yùn)行后吸氣壓力在比工頻運(yùn)轉(zhuǎn)更高了。冷柜在使用溫度不變的條件下，實(shí)現(xiàn)了平均換熱溫差的降低，溫差低后冷柜的結(jié)霜量會(huì)更少，除霜的功耗會(huì)更小。而吸氣壓力的提高意味壓縮機(jī)平均運(yùn)行平均蒸發(fā)溫度的提高，機(jī)組的COP值提高，而且冷柜側(cè)吸氣壓力的平穩(wěn)意味著機(jī)組吸氣壓力平穩(wěn)，壓縮機(jī)的啟停次數(shù)會(huì)更少。從SC255記錄的壓縮機(jī)啟停次數(shù)顯示，變頻前壓縮機(jī)的啟停次數(shù)每天平均在82次，變頻后同臺(tái)壓縮機(jī)的啟停次數(shù)下降為12次每天，明顯減少了壓縮機(jī)的啟停次數(shù)。

圖2 變頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷柜側(cè)吸氣壓力波動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的變頻機(jī)組在壓縮機(jī)的啟動(dòng)電流降低，整體機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，機(jī)組的震動(dòng)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(jī)的啟停次數(shù)減少了，但是運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相應(yīng)增加了，所以壓縮機(jī)的吸氣溫度相對(duì)穩(wěn)定。變頻后LTA制冷系統(tǒng)的整體能耗降低了約3.97%，變頻后MTB制冷系統(tǒng)的整體能耗降低了約6.4%,變頻后MTC制冷系統(tǒng)的整體能耗降低了約16.7%。從表2中可見多機(jī)并聯(lián)機(jī)組變頻節(jié)能雖然不象單機(jī)的節(jié)能效果那么巨大可以達(dá)到30%以上，但是實(shí)際測(cè)量也能達(dá)到4%～17%的節(jié)能效果。LTA機(jī)組節(jié)能比率最小，因?yàn)楣ゎl機(jī)組上裝了1個(gè)能調(diào)閥，已經(jīng)具備6級(jí)冷量調(diào)節(jié)，MTC機(jī)組節(jié)能最大因?yàn)樵瓉?lái)機(jī)組只有2個(gè)能級(jí)，所以變頻后節(jié)能比率也大。

5 超市多機(jī)并聯(lián)變頻機(jī)組特點(diǎn)綜述

從實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行分析中，可以看出超市并聯(lián)系統(tǒng)使用變頻后，與常規(guī)的活塞并聯(lián)機(jī)組相比，有以下特點(diǎn)：

(1)變頻機(jī)組更節(jié)能。壓縮機(jī)組在變頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，相比工頻運(yùn)轉(zhuǎn)可以達(dá)到3%～17%的節(jié)能效果。變頻壓縮機(jī)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)組始終運(yùn)行在最佳點(diǎn)，機(jī)組吸氣壓力得到提升，從而提高壓縮機(jī)的COP減少耗能。另外，變頻啟動(dòng)時(shí)，逐步升頻啟動(dòng)減小了啟動(dòng)時(shí)能耗。

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

(3)變頻機(jī)組使壓縮機(jī)的啟停次數(shù)減少，避免了壓縮機(jī)頻繁起停引起的壓縮機(jī)的機(jī)械和電氣故障，降低了設(shè)備的后期維護(hù)的成本，相當(dāng)于延長(zhǎng)了機(jī)組的使用壽命。

(4)變頻機(jī)組降低了壓縮機(jī)啟停對(duì)電網(wǎng)的沖擊，如果壓縮機(jī)工頻啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍的電機(jī)額定電流的電流沖擊，這將大大增加電機(jī)繞組的電應(yīng)力產(chǎn)生的熱量并而降低電機(jī)的壽命。使用變頻調(diào)速能充分降低減小啟動(dòng)電流，降低壓縮機(jī)的電機(jī)維護(hù)成本和延長(zhǎng)壓縮機(jī)的壽命。

6 結(jié)論

超市多機(jī)并聯(lián)壓縮機(jī)使用變頻器后，可以很好地和超市制冷負(fù)荷變化較大特點(diǎn)匹配。實(shí)際測(cè)試中3臺(tái)機(jī)組可以變頻后節(jié)能3.97%～16.7%，具體的節(jié)能效果需要看原來(lái)機(jī)組的能量調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)；變頻壓縮機(jī)使用后減少了壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，一定程度上可以減少壓縮機(jī)的故障率；減少了壓縮機(jī)啟動(dòng)對(duì)外部電網(wǎng)的影響；降頻運(yùn)行時(shí)機(jī)組的噪音震動(dòng)都有改善；使用變頻機(jī)組后壓縮機(jī)的吸氣壓力有了提高，機(jī)組運(yùn)行的COP有提高；陳列柜的柜內(nèi)溫度波動(dòng)更小，更符合食品安全要求；使用變頻機(jī)組后陳列柜的換熱溫差更小，冷柜結(jié)霜量更小，除霜的能耗會(huì)更小，結(jié)霜量的減少也意味冷柜換熱效果更好。總之，超市變頻機(jī)組和工頻機(jī)組比較，具有節(jié)能，系統(tǒng)穩(wěn)定、冷柜溫度穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，并且可以通過(guò)合理選擇變頻壓縮機(jī)的冷量范圍，達(dá)到最佳節(jié)能效果的目的。

[1] 中國(guó)連鎖經(jīng)營(yíng)協(xié)會(huì)(CCFA).2009年中國(guó)連鎖零售業(yè)環(huán)保節(jié)能狀況綠皮書[M].2009.

[2] 李世崗，王晉.大型超市的新型高效制冷技術(shù)[J].制冷學(xué)報(bào)，2003，(4)：50-54

[3] 石毅登，等.采用變頻技術(shù)的制冷裝置的優(yōu)勢(shì)分析[J].制冷與空調(diào)，2004,4(5):59-62

[4] 朱興旺，等.冷藏陳列柜多機(jī)并聯(lián)壓縮機(jī)組節(jié)能的實(shí)驗(yàn)研究[J].流體機(jī)械，2005,33(7):0001-04

[5] 譚永安，等.變頻技術(shù)在超市冷鏈制冷機(jī)組中的應(yīng)用分析[J].制冷空調(diào)，2011,11(5):101-108