兩檔變容定速壓縮機提升空調器SEER實驗研究

廖四清 區永東 曾令華 盧耀汕

廣東美芝制冷設備有限公司 廣東佛山 528000

1 引言

隨著全球各國對空調器的能效要求提高，空調器的能效評價也從單點能效（EER）評價轉向多點季節能效評價（CSPF/SEER、HSPF、APF）；目前已有中國、日本、印度、歐盟、美國等國家或地區實施了按SEER評價空調器能效，也均有各自的SEER標準，其測試計算方法理念與ISO 16358-1/2/3[1-3]基本一致。印度以單冷空調器為主，2018年開始，不管定速還是變頻空調器，均按印度SEER進行評價。

目前有關定速變容提升SEER的相關研究相對較少。徐嘉等[4]對容量可變型轉子壓縮機的發展狀況進行了綜述，列出了現有變容技術的各種方案；饒榮水等[5]研究了變容渦旋壓縮機對美國空調器的性能影響；高立博[6]針對美國市場從空調器系統匹配角度研究了過冷度、風量、衰減系數對SEER的影響，孫釗等[7]針對冬季需要采暖地區使用變容變轉速空調器對SEER的影響。各文獻并未有研究變容定速空調器對SEER的具體影響。

本文以印度市場為例，首先按印度氣候及年運行時間，根據ISO標準，在設定條件下概略計算常規一檔能力空調器與兩檔變容定速空調器的SEER，以預估兩檔變容相對常規定速空調器SEER的提升幅度；然后進行了兩檔變容定速壓縮機試作、搭載家用空調器進行SEER性能測試。

我國已實施GB 21455-2019[8]《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》，統一了定速與變頻空調器的能效評價方法。按現行標準GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》[9]的空調器分類定義，容量可控型房間空氣調節器（variable capacity room air conditioner）定義為：壓縮機轉速不變，其有效容積發生3級以上變化的空調器；因此目前2～3檔能力空調器無明確的歸類。

2 空調器SEER測試計算方法簡述與概算

2.1 印度空調器SEER測試方法

根據印度標準[10]中規定的印度室外氣溫與發生時間分布（見表1），以及ISO標準[2]中的方法，編制計算一檔能力空調器（常規定速空調）與兩檔變容定速空調器SEER的Excel表格（具體略）；并制定測試工況條件（見表2）。一檔能力空調器僅測試額定制冷工況，兩檔變容定速空調器按ISO標準要求，需測試工況有：全能力額定制冷、全能力低溫制冷、最小能力低溫制冷，本文簡稱三點法；另外一種測試方法，其測試工況為：全能力額定制冷、最小能力額定制冷，本文簡稱兩點法。

表1 印度室外溫度與發生時間分布

表2 印度常規定速（一檔定能力）空調器與兩檔變容定速空調器測試項目及工況

2.2 印度空調器SEER的概算

在定速空調器中，當空調器所能提供的冷量超過建筑所需冷量時，壓縮機將會以頻繁啟停的方式運行；在壓縮機的每次啟停中，蒸發器及冷凝器的制冷劑將達到平衡，造成能量的損失，且全能力運行能效低于最小能力能效，導致空調器運行總體能效較低。

在兩檔變容定速空調器中，壓縮機具有全能力及最小能力兩檔能力，使得空調器擁有兩檔制冷能力。當建筑負荷較大時，空調器全能力運行；當建筑負荷大于空調器最小能力，小于空調器全能力時，空調器在最小能力與全能力間切換運行；只有在建筑負荷小于空調器的最小制冷能力時，才會停止壓縮機，從而達到節能的效果。

為了比較常規定速空調器及兩檔變容定速空調器在印度SEER能效計算中的差異，計算中，設定空調器全能力下制冷量Q全=5200 W，能效比EER全=3.5；最小能力時制冷量Qmin=2600W，最小能力EERmin=3.5、3.85、4.2、4.55（即相對于EER全有0%、10%、20%、30%的提升）；SEER計算結果如表3、表4（Q全：全能力下制冷量，EER全：全能力下EER；Qmin：最小能力下制冷量，EERmin：最小能力下EER）。

表3的計算結果顯示，即使最小能力模式時EERmin與全能力模式時EER全相等，兩檔變容定速空調器相較于傳統定速空調器SEER也有約6.5%的提升，并且最小能力模式能效越高，提升幅度越大。

表3 最小能力模式不同能效的影響（兩點法）

同時為了比較最小能力模式時最小能力大小對SEER的影響，進行了計算，在表4的計算中，設定EER全=3.2，EERmin=3.52（相較于EER全提升10%），最小能力為全能力的40%、50%、60%、70%；計算結果顯示，最小能力越小，SEER提升越大，但對SEER提升幅度影響并不大（2%以內）。因此在兼顧電機效率后，將使用缸比1:1的雙缸變容壓縮機進行實驗測試。

表4 最小能力模式不同排量的影響

3 實驗驗證

3.1 壓縮機設計制作

本文設計試作了一款使用R410A制冷劑的雙缸轉子兩檔變容定速壓縮機，上下兩個氣缸的排量均為10 cc，總排量為20 cc，其壓縮泵體的下氣缸設計為可卸載氣缸。壓縮機下氣缸的滑片腔為密封狀態，一側通滑片，一側通變容壓力控制管（如圖1、圖3所示），通過壓力控制下氣缸的滑片工作與否，從而控制下氣缸是否工作，達到改變壓縮機工作排量的目的。在全能力模式下氣缸滑片腔接高壓，下氣缸的滑片正常工作，此時上下兩氣缸均正常運行（如圖2A所示）；在最小能力模式時下氣缸滑片腔接低壓，下氣缸的滑片退出壓縮腔，下氣缸處于卸載不工作狀態，此時僅上氣缸工作，壓縮機工作排量降低（如圖2B所示）。在壓縮機試作完成后進行單體測試，其全能力模式下的壓縮機制冷量、能效比與常規非變容轉子壓縮機相比，處于相當水平，表明此試作兩檔變容定速壓縮機性能無異常。

圖1 變容壓縮機外觀

圖2 變容壓縮機變容缸原理

圖3 變容控制原理

3.2 空調器實驗設計

為了方便比較，本文使用同一個兩檔變容定速壓縮機在空調器中進行性能對比，在兩檔變容定速壓縮機全能力工作時，此時空調器看作常規定速即一檔能力空調器，且以此測試結果進行計算，得出一檔能力（常規）定速空調器SEER，然后再使用同一壓縮機進行最小能力測試并得出兩檔變容定速空調器的SEER。具體的實驗測試環境工況如表2，空調器配置如表5。

表5 空調器配置參數

3.3 搭載兩檔變容定速壓縮機的空調器測試

本文使用焓差實驗室對空調器的性能進行測試。采用毛細管節流（電子膨脹閥固定開度代行），額定制冷工況下EERmin相較于EER全可提升4.6%；采用電子膨脹閥節流，額定制冷工況下EERmin相較于EER全可提升10%。根據空調器各工況的測試數據（表6～表7），可計算出空調器的SEER，結果如表8所示。相較于常規定速空調器，按印度氣候與年運行時間，根據ISO標準計算兩檔變容SEER，使用1根毛細管節流，SEER可提升9%（兩點法），采用三點法時，SEER可提升近14%。如使用電子膨脹閥，將各測試點調整至最佳開度，兩點法SEER可提升11.7%，三點法可提升14.8%。也即采用三點法比兩點法SEER可提升約3%～5%

表6 各工況搭載兩檔變容定速壓縮機空調器測試結果（毛細管節流）

表7 各工況搭載兩檔變容定速壓縮機空調器測試結果（電子膨脹閥節流）

表8 搭載兩檔變容定速壓縮機空調器SEER對比

4 結論

根據兩檔變容定速壓縮機計算結果，及其在空調器上應用實際測試，結果表明：兩檔變容定速空調器在毛細管節流時SEER可提升9%～14%，使用電子膨脹閥節流時SEER可提升11%～15%；兩檔變容定速空調器性能測試時三點法比兩點法，SEER約提高3%～5%。