可變壓縮比變頻螺桿機節能特性分析

文 // 曹文波 科瑞創想（北京）能源技術有限公司

可變壓縮比變頻螺桿機節能特性分析

文 // 曹文波 科瑞創想（北京）能源技術有限公司

建筑物在夏季45%～50%的電能都用于空調制冷，其中冷水機組能耗又占到空調能耗的40%以上，因此冷水主機的節能是空調系統乃至建筑能源系統的重點。一般空調系統的設計以滿負載需求選配冷水機，而實際運行中，機組滿負荷運行的機率很低。如何使冷水主機在最優化的情況運行，是可變壓縮比式變頻螺桿機市場需求的發展趨勢，該技術核心為可變容比壓縮機與壓縮機變頻，目前可變壓縮比式變頻螺桿機在滿載COP與整合部分負載效率 (IPLV)，已接近小型磁浮式離心機水平。

1 傳統螺桿式壓縮機的容量控制

常規傳統螺桿式冷媒壓縮機為有段容量控制系統或無段容量控制系統，目前這兩種容量調節系統都是由調節滑閥、活塞桿、活塞缸、活塞以及活塞環構成，調節滑閥與活塞通過活塞桿連接。

其工作原理是利用油壓推動活塞缸中的活塞帶動調節滑閥作為容調控制，潤滑油從油箱中流出，通過油過濾器和毛細管，由于油壓高于右端彈簧力與制冷劑壓力之和，潤滑油進入活塞缸。在壓差的作用下，活塞在活塞缸中向右側移動。當滑閥向右側移動時，壓縮腔內的有效壓縮容積增加。這也意味著制冷劑氣體的排氣量增加，最終導致制冷量增加。然而，當有段容調電磁閥（3段/4段容量調節系統）中的任意一個通電時，活塞缸內的高壓油旁通至吸氣側，導致活塞與滑閥向左側移動，一部分制冷劑氣體從壓縮腔內旁通回到吸氣口。結果由于制冷劑的排氣量減少，制冷量降低。

連續式無段容調系統與有段容調其基本原理相同，但對電磁閥的應用不同；連續式無段容調采用一個長閉和一個長開的電磁閥，這兩個電磁閥分別控制活塞缸的油出口與油入口，且都受溫度傳感器與微電腦控制器控制，故冷凍的調控能力穩定且較精準。

傳統容量調整是活塞缸、滑閥、電磁閥等許多組件所構成，增加了壓縮機制造上的復雜度，也增加了日后故障機率。滑閥與螺桿間的間隙泄漏也是降低壓縮效率的重要原素之一。滑閥的位置會同時影響壓縮容積的大小與容積比值(Vi)。一般雙螺桿式壓縮機在 70%～100%的容量范圍變動時，可維持固定的容積比值，但在70% 以下則容積比值會隨著容量降低而逐漸下降。

2 可變容積比變頻螺桿機的控制

可變內容積比的壓縮機就是將滑閥行程的固定端換成一個可移動的滑塊，使得對壓縮機的排氣口位置可通過滑塊位置的移動進行調節，以改變壓縮機的內容積比即壓頭。這樣，就可隨時根據制冷系統吸氣壓力和排氣壓力的變化來調節壓縮機的內容積比，從而使壓縮機的壓縮比時刻于系統壓縮比相匹配，以獲得理想的排氣壓力和保持最大的絕熱效率與容積效率。

根據制冷系統的壓縮特點，其壓縮比公式為：

其中：CR－制冷系統壓縮比也稱外壓比；Pd－系統排氣壓力；Ps－系統吸氣壓力；

而對于一個近似等熵的壓縮過程，壓縮機自身的設計壓縮比可由公式(2)確定：

其中：Pi－壓縮機的設計壓縮比也稱內壓比，為壓縮機排氣壓力和吸氣壓力之比；Vi－壓縮機的設計內容積比，為壓縮機吸氣容積和排氣容積之比；k－制冷劑氣體常數，為制冷劑氣體定壓比熱和定容比熱之比。

在給定的制冷工況下，如果冷凍、冷卻水流量減少，傳熱性能降低，吸氣壓力下降、排氣壓力升高，制冷系統壓縮比增大，就會造成過壓縮；反之，造成欠壓縮。因此，采用可變容積比設計壓縮比接近或等于制冷系統壓縮比的壓縮機，即Pi= CR時，壓縮機在運行時，就可避免壓縮機壓縮比和系統壓縮比不匹配而產生的欠壓縮和過壓縮的狀況，從而使系統在制冷工況下達到最高的運行效率。

3 可變與固定容積比螺桿機的比較

根據美國供暖制冷空調工程師學會手冊給出的雙螺桿壓縮機在不同內容積比條件下隨系統壓縮比變化的效率曲線（圖1）；及R22壓縮機性能圖（圖2）。

圖1 螺桿壓縮機固定V i與可變Vi容效比較

圖2 R22壓縮機的典型性能

圖1中X-Y線為可變容積比Vi的效率曲線，曲線為固定容積比Vi的效率曲線。從圖1所示，可變容積比Vi的效率曲線是所有固定容積比Vi的效率曲線的最高點，在部分負荷下，可變Vi壓機的能效是最高的、能耗是最低的；圖2中虛線為內壓比和外壓比相等時的等熵效率變化曲線，上圖表明在系統壓縮比變化范圍較大的情況下，可變內容積比的壓縮機效率曲線包絡了固定內容積比壓縮機的效率最高點。

因此，只有當內外壓比相等或相近時，壓縮機能效最高能耗最低，這也是發展可變容積比壓縮機的主要因素。

此外，可變內容積比還具有以下優點：①油分離器中的泡沫較少（無過壓縮）；②夾帶入制冷系統中的油較少（以為油分離器中油泡沫較少）；③延長了軸承壽命，使軸承上的負載最小；④帶經濟器口時可調整來自經濟器的閃蒸氣體量以及來自吸氣端的氣體量，擴大了壓縮機高效運行范圍；⑤噪音低；⑥排氣溫度及油冷卻器排熱量較低。

可變內容積比壓縮機的實際系統運行經驗表明，吸氣或冷凝壓力變化越大，可變容積比壓縮機就越有利。根據應用場合、制冷劑種類以及系統運行工況，其效率提高可達30%，目前約克公司、漢鐘公司、萊富康公司、復盛公司等都有多種相應的內容積比自動調節變頻螺桿機型。

4 可變容積比變頻螺桿機的特點

可變容積比變頻螺桿機是新一代節能產品，具有節能、高效、低碳、環保、穩定、可靠、功能多樣等特點。

在驅動方面采用變頻變速，變頻器局部制冷劑冷卻，高效電機應用，高效變頻器調節；變容比Vi變頻設計在50%～25%部分負荷工況的運行效率，機組全年運行耗電可減少15%～25%；在環保方面，更高效節能減少間接排放，同時蒸發器獨特設計減少制冷劑充排量，減少溫室效應；機械高精度加工、緊湊減震設計、高效供油潤滑系統、蒸發器冷凍水量30%～120%范圍調節、全面參數保護、微電腦中心控制，保障了機組加卸載過程穩定可靠運行；機組性能可適應低溫、高溫和典型工況運行，可廣泛用于空調制冷、熱泵和熱回收、蓄冰和工藝冷卻等工程。

目前，可變內容積比螺桿壓縮機已逐步在空調冷水機中得到應用，形成了能耗更低更為節能的可變容積比變頻螺桿冷水機產品。變容比變頻螺桿機主要特征見表1。

表1

其中，可變容積比變頻螺桿機負荷變化時，制冷機流量變化，壓縮容積比同步變化，蒸發器允許水流量同步變化，因此，可變容積比變頻螺桿機比固定容積比變頻螺桿機在50%～25%負荷下更節能、更高效。

同時，蒸發器允許冷凍水流量同步變化，可以將空調系統設計成真正的一次變流量系統，從而可以在部分負荷工況下，節約大量循環水泵的能耗，實現最佳的空調系統節能。

因此，可變容積比變頻螺桿機的推廣應用，將會為空調、制冷系統帶來新的節能契機。

5 可變容積比變頻螺桿機的應用

近年來，螺桿壓縮機的銷量已超過容積式壓縮機總銷售量的80%，隨著變頻技術在螺桿壓縮機上的應用，使得螺桿壓縮機在節能降耗方面發揮了進一步的作用。據不完全統計，目前發達國家變頻螺桿壓縮機的銷售量已經占螺桿壓縮機年銷售量的70%。因結構簡單可靠、使用壽命長、維護方便、節能經濟等特征，變頻螺桿壓縮機具有了美好的發展前景。

而在實際運行過程變頻螺桿制冷壓縮機內外壓比不匹配，負荷為70%以下時，定容比壓縮機產生欠壓縮或過壓縮的現象，這樣變頻螺桿制冷壓縮機的性能不能充分發揮出來，導致螺桿壓縮機的性能不是很理想；因此為解決變頻螺桿制冷壓縮機欠壓或過壓縮功耗增加的矛盾，各設備廠家進一步開發了可變容積比變頻螺桿機，有效解決了寬范圍變頻過程，欠壓或過壓縮功耗增加，能效下降等問題，使可變容積比變頻螺桿機既具有傳統螺桿機的結構簡單耐用的特點，又具備了調速寬、高效、穩定、節能、低耗的新特征。

表2

表3

目前常用螺桿機的空調冷水系統有一次、二次水系統，與可變容積比變頻螺桿機空調冷水系統的特征對比見表2。

通過對比不同類型壓縮機的冷水機組在相同制冷量空調工況運行能耗狀況見表3。

通過空調水系統特征對比，采用可變容比變頻螺桿機可以實現最優化一次水系統變頻運行，不但大大降低了制冷機組能耗與循環泵能耗、提高設備能效，同時也簡化了系統和減少了設備數量，節約了機房面積，還可獲得超頻冷量，因此，可變容比變頻螺桿機空調系統，將成為建筑用能系統進一步節能降耗的最佳選擇。

6 結論

空調冷水系統從一次泵定流量、二次泵變流量到一次泵變流量的演變過程，不單是系統循環泵由不節能、負荷側循環泵節能、冷源側與負荷側循環泵節能的過程，更主要的是制冷機組由定容比工頻、定容比變頻、變容比變頻的技術進步過程；也是制冷機組不斷適應使用功能與節能需求的技術進步；從而帶動了空調系統配置的簡單、復雜、再簡單的技術演化。

可變容積比變頻螺桿機的開發，有效解決了欠壓縮與過壓縮的能耗增加問題，優化了變容積比與變頻的匹配；并且整合了高效變頻、高效電機、高效潤滑、蒸發器優化、中心控制等多項新技術新理念，促進了可變容積比變頻螺桿機的廣泛應用。

可變容積比變頻螺桿機的應用，不但大大提升制冷機部分負荷運行效率降低了制冷機能耗，并最大限度的擴展了蒸發器冷凍水流量許可變化范圍，為負載側一次變流量系統應用提供了最大節能空間。