多聯機用壓縮機的低負荷性能實驗研究

闕沛禎 魏會軍 牛玉婷

（1.珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

多聯式空調（熱泵）機組（以下簡稱多聯機）為一臺或數臺室外機連接多臺室內機的空調機組，具有美觀、節省空間、控制靈活等優點，其應用范圍逐漸從酒店、學校等公共建筑擴展到到別墅、普通家庭等住宅建筑。統計表明[1-3]，多聯機已占中央空調50 %以上的市場份額，對建筑能耗的影響越來越大。據國家七部委聯合發布的《綠色高效制冷行動方案》中要求，到 2022年多聯機的能效水平需提升40 %，節能需求急迫。

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

王興[5]對各廠家多聯機用變頻渦旋壓縮機低負荷運行性能總結出六點方法，借鑒了傳統制冷與空調能量調節形式，也利用了現代電子控制方法，為用變頻渦旋壓縮機多聯機低負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子壓縮機的差異，認為在全工況制冷及制熱下，變頻轉子壓縮機運行頻率更廣且能效更高，綜合能效更優，且在低頻運轉模式下，相對于渦旋優勢較為明顯。徐嘉[7]等人總結提出了三種壓縮機變容技術，包括多臺壓縮機并聯、變頻技術以及壓縮機工作腔卸載技術。其中多臺壓縮機并聯技術系統較為復雜，變頻技術現已通用，而壓縮機工作腔卸載技術即為本文所述變容壓縮機技術。文章表明變頻與變容技術結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荷能效進行進一步對比研究。

針對上述問題，對多聯機用變頻雙轉子壓縮機、變頻渦旋壓縮機以及格力電器股份有限公司研發的變頻變容轉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荷工況下的能效水平，為開發高效節能多聯機時壓縮機的選型工作提供參考指導。

1 實驗用壓縮機類型及原理簡介

目前多聯機用壓縮機主要包括變頻渦旋壓縮機、變頻雙轉子壓縮機以及格力的變頻變容轉子壓縮機，均屬于容積式壓縮機。

變頻渦旋壓縮機在8HP以上商用多聯機中使用廣泛[3]，其通過動盤與靜盤相對轉動形成封閉容積的連續變化，實現對工質的壓縮，具有結構精密，靜音穩定等特點。排量一定，可通過頻率調節能力輸出。

隨著轉子壓縮機的大型化發展，部分商用機型開始選用常規變頻雙轉子壓縮機。變頻轉子壓縮機具有結構簡單，成本低，可靠性好等優點。變頻雙轉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同時轉動縮小工作容積，達到壓縮目的，其排量一定，可通過頻率調節能力輸出。

格力變頻變容轉子壓縮機除常規雙轉子壓縮機特點外，還具有容積可變功能。如圖1，變容氣缸的壓縮和空轉之間轉換是通過壓力控制系統和滑塊鎖止機構的聯動控制來實現。即在滑塊上開設有凹槽，下軸承開設有鎖止機構，此鎖止機構包括可以上下運動的銷釘，以及銷釘底部的彈簧。當負載較低時，銷釘上端和下端導入低壓氣體，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，變容氣缸空載不壓縮，實現單缸運行模式。當處于中高負荷運行時，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，變容壓縮運行，實現雙缸運行模式。

圖1 變頻變容壓縮機容積切換原理圖

現選取A公司生產的排量為72 cc（以下簡稱A72）變頻渦旋壓縮機，B公司生產的排量為65 cc（以下簡稱B65）變頻雙轉子壓縮機以及珠海格力電器股份有限公司研發的排量為80 cc（以下簡稱H80）的等雙缸變頻變容壓縮機（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

多聯機是基于全屋熱負荷設計，其選用壓縮機首要滿足最大負荷輸出，可以考慮超配130 %[2]，故排量一般選擇較大。在實際使用中，多聯機運行范圍較為寬范，其負荷率覆蓋100 %至10 %以下，而不同負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荷性能。測試工況和測試結果如下表所示。在運行頻率均為60 Hz的情況下，變頻渦旋壓縮機A72能效略優于結果近似的變頻轉子壓縮機B65和H80，可判定三臺壓縮機中高負荷水平相當（如表2）。

為更好模擬低負荷運行情況，選取制冷量為33.5 kW的同一系統下實際運行不同負荷率的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，壓縮機處于極低負荷（低于10 %）狀態，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。其后的工況負荷率逐步增加，頻率選定以排量為標準進行換算，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測試結果

表3 低負荷能效測試工況及壓縮機運行頻率

3 壓縮機低負荷運行能效測試結果及分析

3.1 低負荷性能測試結果

壓縮機能效隨工況即負荷情況發生變化，經實驗得到圖3～圖5實驗結果。圖3為壓縮機低負荷工況下能效變化曲線。整體上，隨負荷降低，變頻渦旋A72壓縮機能效呈現大幅下降趨勢，變頻轉子壓縮機B65及H80相對而言較為穩定。在負荷率16 %以下（工況1、2、3），變頻變容轉子壓縮機H80單缸與B65相比優勢明顯，能效最大提升30 %；整體均優于變頻渦旋壓縮機A72（能效最大提升近90 %）。隨著負荷加重（負荷率至30 %以上），渦旋壓縮機A72能效逐步上升，略高于轉子壓縮機。

圖3 壓縮機低負荷能效

圖4 壓縮機低負荷制冷量

圖5 壓縮機低負荷容積效率

圖4、5分別為壓縮機低負荷工況下的制冷量及容積效率變化。結合圖3可以看出，各款壓縮機低負荷能效變化規律基本與容積效率變化趨勢一致。故低負荷工況下的能效主要與壓縮機泄露呈負相關關系。以輕負荷工況2為例，此時變頻渦旋A72壓縮機制冷量低，容積效率僅為52 %。變頻轉子壓縮機B65容積效率出現下降趨勢，表示頻率降低，泄露增加。在負荷率16 %以下，變頻變容轉子壓縮機H80憑借單缸小排量高頻率的優勢，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轉子壓縮機限制，進一步提高。

3.2 性能測試結果分析

多聯機用壓縮機一般采用變頻技術降低頻率，保證不停機狀態下的低冷量輸出。而變頻技術的應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（即轉速的降低），壓縮機的能效依然會下降。當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速下的壓縮性能欠佳，主要原因為低轉速引起的內壓力降低導致的泄漏量增大，與圖3～5實驗結果吻合。變頻渦旋壓縮機A72在低負荷工況下的能效遠低于變頻轉子壓縮機B65及H80，其主要原因在于容積效率的大幅降低。

而轉子壓縮機的低頻內泄漏雖不如渦旋壓縮機一般嚴重，但轉速降低帶來的泄漏量仍不可忽視。轉子壓縮機主要利用結構緊湊的各部件間的配合間隙的油膜密封來防止泄漏[8]。降低轉速不利于油膜的形成與密封。同時，低轉速低負載也會導致電機效率的下降以及損耗的增加。

在低負荷工況下，變容技術的優勢主要表現在兩方面：

1）與常規雙轉子壓縮機相比，卸載其中一個氣缸可以拓寬變容壓縮機的冷量輸出范圍，即同排量同頻率情況下，變容壓縮機單缸輸出冷量為常規壓縮機的一半以下，可真正實現低負荷不停機。

2）同冷量輸出下，相較于常規雙轉子壓縮機，變容壓縮機可通過卸載其中一個氣缸降低排量方式提高運行頻率，加大轉速。一方面，隨著轉速升高，油膜更易生成。良好的油膜狀態會使密封性增強，壓縮機內泄露減少，進而提升容積效率。另一方面，隨著轉速的增加，電機效率會出現提升。當負荷率處于16 %以下時，對比H80和B65壓縮機的容積效率和能效可發現，能效提升幅度更大。除去泵體摩擦損耗降低，提升部分應為電機效率的提升。故如圖3所示，在負荷率16 %以下，變頻變容轉子壓縮機H80單缸運行頻率高于變頻轉子壓縮機B65，能效大幅提升。

4 結論

本文對應用于同一多聯機系統的不同壓縮機進行了低負荷性能測試，分析了低頻低負荷對壓縮機性能的影響，并得出如下結論：

1）多聯機用變頻渦旋壓縮機、變頻轉子壓縮機及變頻變容轉子壓縮機在中高負荷下性能差異不大，渦旋壓縮機有一定優勢。

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

3）變容壓縮機可以通過容積和頻率同步調節，有效提升壓縮機的容積效率和電機效率，從而提升低負荷能效并拓寬冷量輸出范圍。

因此，若多聯機系統應用于長期處于中高負荷下運行的商用場合，選用渦旋壓縮機具有一定的優勢；若應用于長期處于低負荷下運行的家用及辦公等場合，應優選變頻轉子壓縮機，變頻變容轉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勢。