宮天澤， 鄭學(xué)利， 趙宇開(kāi)

(海信科龍空調(diào)有限公司 研發(fā)中心，山東 青島 266071)

0 前言

變頻壓縮機(jī)已被廣泛使用于家用空調(diào)和商用空調(diào)產(chǎn)品，由于壓縮機(jī)能耗占空調(diào)整機(jī)能耗的80% ～90%，壓縮機(jī)的能效水平也就決定了空調(diào)整機(jī)的能效水平。

變頻壓縮機(jī)在使用過(guò)程中，會(huì)在不同的工況條件下運(yùn)行，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)在某一范圍內(nèi)變化。目前，變頻壓縮機(jī)能效要求所執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是《GB/T 15765－2006房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)－壓縮機(jī)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工況下額定制冷能力的測(cè)試要求，而各壓縮機(jī)廠家所編制的壓縮機(jī)規(guī)格書中，也是依據(jù)國(guó)標(biāo)，僅提供了額定點(diǎn)的能效值。

對(duì)變頻壓縮機(jī)在變工況、變轉(zhuǎn)速條件下能效特性研究，有助于找到更優(yōu)的壓縮機(jī)選型、設(shè)計(jì)方案，從而提高壓縮機(jī)使用效率，間接降低空調(diào)整機(jī)成本，提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，提高企業(yè)利潤(rùn)。

1 變頻壓縮機(jī)能效測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選取某型號(hào)R410A轉(zhuǎn)子式直流變頻壓縮機(jī)，在標(biāo)準(zhǔn)壓縮機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行能效測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)試方法依照《GB/T 5773－2004容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法》[2]。

實(shí)驗(yàn)在過(guò)冷度8℃、吸氣過(guò)熱度11℃、壓縮機(jī)環(huán)境溫度35℃條件下，對(duì)不同冷凝溫度Tc、蒸發(fā)溫度Te、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行交叉組合，并測(cè)試壓縮機(jī)制冷能效系數(shù)COP。其中冷凝溫度Tc分別選取40℃、50℃、60℃，蒸發(fā)溫度Te分別選取 －5℃、0℃、5℃、10℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別選取30 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min，測(cè)試結(jié)果如下。

圖1 COP與蒸發(fā)溫度關(guān)系(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速=60 r/min)

圖2 COP與冷凝溫度關(guān)系(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速=60 r/min)

圖1、圖2顯示了在相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，工況變化對(duì)COP的影響。

從圖1可見(jiàn)，蒸發(fā)溫度較低時(shí)，冷凝溫度的降低對(duì)COP提升的貢獻(xiàn)較小。在實(shí)際制冷系統(tǒng)匹配過(guò)程中，當(dāng)蒸發(fā)器過(guò)小時(shí)，一味增大冷凝器，對(duì)提升COP的貢獻(xiàn)并不明顯。此時(shí)，應(yīng)考慮先提高蒸發(fā)溫度。

從圖2可見(jiàn)，冷凝溫度越高，COP隨蒸發(fā)溫度的變化并不明顯，在實(shí)際制冷系統(tǒng)匹配過(guò)程中，當(dāng)冷凝溫度很高時(shí)，一味提高蒸發(fā)溫度，并不是提高COP的最佳方式，應(yīng)考慮適當(dāng)降低冷凝溫度。

圖3 COP與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系(冷凝溫度=50℃)

圖4 COP與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系(蒸發(fā)溫度=5℃)

從圖3、圖4可以看出，COP隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。相比于工況的變化，轉(zhuǎn)速在30～90 r/min期間的變化對(duì)COP影響較小，但轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min升高到120 r/min時(shí)，COP出現(xiàn)衰減明顯;當(dāng)工況不變時(shí)，轉(zhuǎn)速在60 r/min時(shí)，壓縮機(jī)效率較高。所以，在變頻空調(diào)匹配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適排量的壓縮機(jī)，避免壓縮機(jī)以過(guò)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，可以將額定能力對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)在60 r/min左右，使壓縮機(jī)的額定COP相對(duì)較高[3－4]。

2 綜合效率系數(shù)分析方法

2.1 理論性能系數(shù)COP0[5]

對(duì)于已知制冷劑的蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，假設(shè)壓縮過(guò)程為等熵壓縮，且壓縮機(jī)的輸入功率全部為制冷劑做功;不考慮蒸發(fā)、冷凝過(guò)程的壓力損失。理論上，當(dāng)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度四個(gè)參數(shù)確定的情況下，可以計(jì)算出制冷系統(tǒng)的理論性能系數(shù)COP0。

圖5 蒸汽壓縮式制冷循環(huán)p－h(huán)圖

如圖5所示，由冷凝溫度與過(guò)冷度SC得到狀態(tài)點(diǎn)3，根據(jù)蒸發(fā)溫度和吸氣過(guò)熱度SH得到狀態(tài)點(diǎn)1，畫等熵線經(jīng)過(guò)狀態(tài)點(diǎn)1并與冷凝壓力線相交，得到狀態(tài)點(diǎn)2。

根據(jù)制冷劑熱力性質(zhì)表，可以得到各狀態(tài)點(diǎn)1、2、3 的焓值(h1、h2、h3)，從狀態(tài)點(diǎn)3 到狀態(tài)點(diǎn)4 為等焓節(jié)流過(guò)程，即h4=h3。所以，根據(jù)以下公式可計(jì)算出理論性能系數(shù)。

2.2 綜合效率系數(shù)η_total

實(shí)際蒸汽壓縮式制冷循環(huán)中，由于存在泄露損失、余隙容積損失、吸氣加熱損失、摩擦阻力損失、壓縮機(jī)電機(jī)發(fā)熱等影響因素，實(shí)際性能系數(shù)COP要低于該工況下理論性能系數(shù)COP0[6]。

考慮到上述影響因素較多，且相互耦合，難以獨(dú)立測(cè)試及分析。本文將全部影響因素綜合到一起，提出壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)η_total，該系數(shù)等于實(shí)際性能系數(shù)與理論性能系數(shù)之比，即，

壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)，體現(xiàn)了壓縮機(jī)在實(shí)際壓縮過(guò)程接近理想狀態(tài)的程度，越接近1，其實(shí)際性能系數(shù)越接近理論性能系數(shù)，壓縮機(jī)的效率也就越高。

按照前面的各種實(shí)驗(yàn)工況，根據(jù)R410a制冷劑熱力性質(zhì)，可計(jì)算出個(gè)各測(cè)試點(diǎn)的COP0，再根據(jù)公式(2)和各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)測(cè)COP，可以計(jì)算得到各測(cè)試點(diǎn)的綜合效率系數(shù)，如表1。

表1 綜合效率系數(shù)數(shù)據(jù)匯總

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的所有條件下，綜合效率系數(shù)最大值為74.0%，最小值為52.8%，可見(jiàn)，壓縮機(jī)在不同的運(yùn)行條件下，其綜合效率系數(shù)相差較大。

從圖6、圖7可見(jiàn)，當(dāng)工況確定的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，綜合效率系數(shù)最高;轉(zhuǎn)速在30～90 r/min范圍內(nèi)，綜合效率系數(shù)相差不大，而從90 r/min上升到120 r/min，綜合效率系數(shù)明顯下降。

圖6 綜合效率系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系(蒸發(fā)溫度=5℃)

圖7 綜合效率系數(shù)與蒸發(fā)溫度關(guān)系(冷凝溫度=50℃)

圖8 綜合效率系數(shù)與工況關(guān)系(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速=60 r/min)

圖8可見(jiàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，工況變化對(duì)綜合效率系數(shù)的影響。相同蒸發(fā)溫度下，冷凝溫度越高，壓縮機(jī)的綜合效率系數(shù)越低;相同冷凝溫度下，蒸發(fā)溫度越高，綜合效率系數(shù)越高。在實(shí)際制冷系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果高低壓差增加，那么余隙容積、泄漏損失等因素對(duì)能效影響更加明顯，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)降低。

在《GB/T 15765－2006房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)－壓縮機(jī)》中，規(guī)定壓縮機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)工況:蒸發(fā)溫度 7.2℃、冷凝溫度 54.4℃、過(guò)冷度8.3℃、吸氣過(guò)熱度27.8℃。在此工況下，實(shí)測(cè)該壓縮機(jī)的綜合效率系數(shù)為73.4%。

變頻空調(diào)器實(shí)際制冷運(yùn)行條件一般是，蒸發(fā)溫度范圍在0～10℃，冷凝溫度范圍在40～55℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一般在30～90 r/min范圍內(nèi)。那么，壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)的范圍也就縮小為68.1% ～74.0%。

以上可見(jiàn)，壓縮機(jī)的實(shí)際COP主要由COP0決定，在一般使用條件，其綜合效率系數(shù)變化范圍較小?？梢愿鶕?jù)壓縮機(jī)規(guī)格書中標(biāo)稱的額定工況下COP計(jì)算出額定工況的綜合效率系數(shù)，并以此估算其他運(yùn)行條件的COP。

3 綜合效率系數(shù)應(yīng)用

目前，變頻空調(diào)的能效等級(jí)評(píng)價(jià)方法主要是制冷季節(jié)能源消耗效率SEER和制冷綜合性能系數(shù)IPLV(C)。SEER用于評(píng)價(jià)變頻房間空調(diào)器的能效水平，IPLV(C)用于評(píng)價(jià)變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組的能效水平。這兩種評(píng)價(jià)方法都需要考察制冷系統(tǒng)不同負(fù)荷條件下的COP，而在已知負(fù)荷條件下，可以計(jì)算出壓縮機(jī)的COP0，壓縮機(jī)的實(shí)際性能系數(shù)又由綜合效率系數(shù)決定。所以，根據(jù)壓縮機(jī)的綜合效率系數(shù)特性，對(duì)空調(diào)器進(jìn)行壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)，可以提升整機(jī)能效水平。

3.1 提高SEER的壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)

根據(jù) 《GB/T 7725 －2004 房間空調(diào)器》[7]和《GB 21455－2008轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級(jí)》[8]規(guī)定的SEER計(jì)算方法，作者對(duì)此方法進(jìn)行擬合，得出了簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下。

式(3)中，EERcr和EERcm分別是額定制冷能力測(cè)試的性能系數(shù)和額定中間制冷能力測(cè)試的性能系數(shù)。

從式(3)可以看到，EERcr要比EERcm對(duì)SEER貢獻(xiàn)更大，所以在壓縮機(jī)選型時(shí)，盡量選擇η_total更高的轉(zhuǎn)速下測(cè)試額定制冷能力。

3.2 提高IPLV(C)的壓縮機(jī)選型設(shè)計(jì)

根據(jù)《GB/T 18837－2002多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組》[9]規(guī)定的IPLV(C)的計(jì)算方法，在負(fù)載比例為100%、75%、50%、25%運(yùn)行條件下，對(duì)應(yīng)的性能系數(shù)測(cè)試結(jié)果分別為EER1、EER2、EER3、EER4，可以得到。

從式(4)可見(jiàn)，在IPLV(C)計(jì)算中，50%負(fù)荷所占權(quán)重最大，然后大小依次是75%、25%、100%負(fù)荷。所以，對(duì)于變頻多聯(lián)空調(diào)的壓縮機(jī)選型時(shí)，應(yīng)盡量選擇壓縮機(jī)η_total較高的轉(zhuǎn)速點(diǎn)來(lái)匹配IPLV(C)權(quán)重大的負(fù)荷測(cè)試點(diǎn)[10]。

3.3 多變頻壓機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)能效提升

對(duì)于采用多個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，在某一已知能力需求條件下，壓縮機(jī)能力輸出存在多個(gè)轉(zhuǎn)速組合方案。根據(jù)壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)特性，可以找到更加節(jié)能的運(yùn)行方案。例如，對(duì)于采用兩個(gè)排量相同變頻壓縮機(jī)并聯(lián)的系統(tǒng)，兩個(gè)壓縮機(jī)分別以30 r/min+90 r/min運(yùn)行和60r/min+60 r/min運(yùn)行，兩種情況下的總能力輸出基本一致，且系統(tǒng)壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)也基本相同，由于壓縮機(jī)在60 r/min左右的綜合效率系數(shù)較高，與第一種方案相比，采用第二種方案的壓縮機(jī)總體實(shí)際性能系數(shù)可提升3%左右。

4 結(jié)論

壓縮機(jī)的實(shí)際性能系數(shù)主要由理論性能系數(shù)決定，本文提出的壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)，可以直觀地表示壓縮機(jī)實(shí)際能效接近理論能效的程度。

通過(guò)對(duì)綜合效率系數(shù)與工況、轉(zhuǎn)速變化關(guān)系的分析，得到壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)的基本規(guī)律。根據(jù)已知制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況，計(jì)算出壓縮機(jī)的理論性能系數(shù)，再根據(jù)已知或估算的壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)，可以計(jì)算得到壓縮機(jī)實(shí)際性能系數(shù)，可以減少實(shí)驗(yàn)工作，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。

本文舉例介紹了壓縮機(jī)綜合效率系數(shù)分析方法在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，該方法對(duì)變頻空調(diào)器SEER和變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組IPLV(C)的提高，以及對(duì)多壓機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的控制優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)作用。

[1]GB/T 15765－2006:房間空氣調(diào)節(jié)器用全封閉型電動(dòng)機(jī)－壓縮機(jī)[S].

[2]GB/T 5773－2004:容積式制冷劑壓縮機(jī)性能試驗(yàn)方法[S].

[3]唐景春，王鐵軍，劉向農(nóng).變頻制冷壓縮機(jī)的匹配研究[J].低溫與超導(dǎo)，2004(11).

[4]張華俊，陳林，劉勇，等.直流調(diào)速滾動(dòng)轉(zhuǎn)子空調(diào)壓縮機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2003(1).

[5]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1997:28－31.

[6]繆道平.制冷壓縮機(jī)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:113－117.

[7]GB/T 7725－2004:房間空調(diào)器[S].

[8]GB 21455－2008:轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能源效率等級(jí)[S].

[9]GB/T 18837－2002:多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組[S].

[10]何學(xué)平，方建良，趙巍，等.VRV家用中央空調(diào)器SEER的計(jì)算與分析[J].節(jié)能技術(shù)，2005，23(1):37－39.