變制冷流量空調(diào)系統(tǒng)多聯(lián)產(chǎn)變頻壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié)

變制冷流量空調(diào)系統(tǒng)多聯(lián)產(chǎn)變頻壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié)

0交流機(jī)組的市場情況在中央管理系統(tǒng)的快速發(fā)展過程中，尤其是在以上海為中心的中國東部地區(qū)，屋頂裝置的流量旁通性尤為突出。據(jù)一項在上海及周邊地區(qū)的調(diào)查顯示:多聯(lián)機(jī)、風(fēng)管機(jī)、冷熱水機(jī)組、單元式機(jī)組分別占到此類市場的70%、13%、12%和5%。在目前的多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品市場中,變頻多聯(lián)機(jī)組憑借多年積累的市場優(yōu)勢,占據(jù)著領(lǐng)先的市場份額,并且擁有了相當(dāng)不錯的知名品牌:大金、三菱電機(jī)、日立、松下等;另一方面,出現(xiàn)了以數(shù)碼渦旋技術(shù)為核心的數(shù)碼多聯(lián)機(jī)組(DigitalVariableMulti),數(shù)碼多聯(lián)機(jī)的品牌主要有三星、美的、格力等,也已占據(jù)一定的市場份額。1工作原則1.1電機(jī)轉(zhuǎn)速控制變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。目前使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻),先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源供給電動機(jī),由變頻壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式:式中n—電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;F—電機(jī)定子供電頻率,Hz;s—電機(jī)的轉(zhuǎn)差率;P—電機(jī)極對數(shù)。在電機(jī)選定的條件下,頻率與轉(zhuǎn)速是一一對應(yīng)的關(guān)系。調(diào)節(jié)電機(jī)輸入頻率,即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而控制制冷劑流量。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷提高時,壓縮機(jī)電機(jī)輸入頻率隨之提高,電機(jī)轉(zhuǎn)速加快,使得經(jīng)過壓縮機(jī)的制冷劑流量提高;當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷要求降低時,電機(jī)輸入頻率減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢,經(jīng)過壓縮機(jī)的制冷劑流量相應(yīng)減小。1.2數(shù)碼潮旋壓縮機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的定渦旋頂部裝有一個活塞,活塞頂部有一個容量調(diào)節(jié)腔。容量調(diào)節(jié)腔通過一個電磁閥與壓縮機(jī)的低壓吸氣管相連。當(dāng)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)時,有一個彈簧力確保兩個渦旋盤共同加載,使壓縮機(jī)處于“負(fù)載狀態(tài)”,其容量為100%。當(dāng)電磁閥通電后,使活塞帶動定渦旋盤向上移動(約1mm),兩渦旋盤分離,無制冷劑流過壓縮機(jī),形成“卸載狀態(tài)”,其容量為0%。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)通過電磁閥的開啟與關(guān)閉,不斷的變換定渦旋盤的升起和嚙合,即通過改變“時間周期”中的“負(fù)載狀態(tài)”時間與“卸載狀態(tài)”時間的比例來實現(xiàn)壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié),所以稱為數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)。一個時間周期包括“負(fù)載狀態(tài)”時間與“卸載狀態(tài)”時間。這兩個時間階段的組合決定壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié)。如在20s周期時間內(nèi),負(fù)載時間為10s,卸載狀態(tài)時間為10s,壓縮機(jī)調(diào)節(jié)量為(10s×100%+10s×0%)/20s=50%;若在相同的周期時間內(nèi)負(fù)載狀態(tài)時間為15s,而卸載狀態(tài)時間為5s,則壓縮機(jī)調(diào)節(jié)量為(15s×100%+5s×0%)/20s=75%。通過改變負(fù)載時間和卸載時間來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的容量。這種采用“軸向柔性”技術(shù)的渦旋壓縮機(jī),允許其定渦旋盤有很少量的移動,使得兩上渦旋盤在任何環(huán)境下協(xié)調(diào)配合,確保渦旋盤始終以最佳的出力進(jìn)行工作,從而達(dá)到較高的能效比。2數(shù)碼潮旋壓縮機(jī)組合變頻壓縮機(jī)組主要是采用了變頻渦旋壓縮機(jī),且多用在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由兩臺室外機(jī)連接多臺室內(nèi)機(jī)組成,室外一般由一臺普通定容量渦旋壓縮機(jī)與一臺變頻渦旋壓縮機(jī)并聯(lián)組成,每臺室內(nèi)機(jī)可獨(dú)立控制,室外機(jī)根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷自動調(diào)節(jié)輸出能力,從而達(dá)到明顯的節(jié)能效果。根據(jù)目前數(shù)碼渦旋空調(diào)系統(tǒng)的功率范圍(3~36匹)可以看出,數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)主要應(yīng)用于多聯(lián)機(jī)空調(diào)機(jī)組中,對于稍大的機(jī)組可采用兩個壓縮機(jī)(一個數(shù)碼渦旋壓縮機(jī),一個普通的定容量渦旋壓縮機(jī))并聯(lián),從而可有效地調(diào)節(jié)容量、降低啟動負(fù)荷。另外,格力與艾默生聯(lián)合開發(fā)的“數(shù)碼渦旋超低溫空氣熱泵多聯(lián)機(jī)組”,已在冬季北方地區(qū)投放試用并取得了很好的效果,得到多位專家的肯定。3這兩種技術(shù)的比較3.1數(shù)碼潮旋壓縮機(jī)的節(jié)能技術(shù)變頻裝置中變頻器在運(yùn)行過程中有大約10%的功耗損失,加上電機(jī)的損耗,從而降低了系統(tǒng)的COP;當(dāng)室內(nèi)的冷負(fù)荷較低時(如10%或20%),變頻系統(tǒng)要使用制冷劑的熱氣旁通進(jìn)行容量調(diào)節(jié),這也降低了系統(tǒng)的COP;在變頻系統(tǒng)中需要注入大量的潤滑油,這也在一定程度上降低了變頻系統(tǒng)的COP。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)無論是負(fù)載或卸載,電機(jī)始終運(yùn)行,卸載時所耗功率約為負(fù)載時的10%;數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的容量調(diào)節(jié)范圍寬,這樣可以減少壓縮機(jī)的啟停次數(shù)。從理論上講,數(shù)碼渦旋的節(jié)能效果優(yōu)于變頻機(jī)組。但實際上變頻技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展技術(shù)已經(jīng)十分成熟,而數(shù)碼渦旋技術(shù)開發(fā)時間短,所以在實際機(jī)組中,兩者的COP相比差別不大,甚至數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的COP可能會低一些。3.2數(shù)碼潮旋壓縮機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性變頻系統(tǒng)的室溫控制性能一般,在長時間運(yùn)行后,能使室內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定并接近設(shè)定的溫度。但這時系統(tǒng)若有一個容量變化(如在同一個制冷系統(tǒng)中多開了幾臺室內(nèi)機(jī)),變頻器控制就需要逐漸提高頻率,在這個過渡過程內(nèi),室內(nèi)的溫度不穩(wěn)定。數(shù)碼渦旋系統(tǒng)的室溫控制性能優(yōu)良,在容量變化的范圍內(nèi)(10%~100%),數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、無級的容量調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)的容量發(fā)生變化時,壓縮機(jī)的輸出容量能迅速地從一比例(負(fù)載時間與卸載時間之比)調(diào)節(jié)到另一個比例,對負(fù)荷變化作出更迅速的反應(yīng)。從圖1可以看出變頻系統(tǒng)在高容量(高頻)運(yùn)行時,蒸發(fā)溫度較低,隨著運(yùn)行頻率的降低,蒸發(fā)溫度逐漸升高,除濕能力也隨之下降,而一般的空調(diào)系統(tǒng)很多時間都在部分負(fù)荷下運(yùn)行,這就產(chǎn)生了除濕能力下降的問題。對數(shù)碼渦旋系統(tǒng),在每一個時間周期內(nèi),負(fù)載時間總是會占一定的比例,回氣的速度呈波狀起伏,這使得平均蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度較低,所以其顯熱比較小,除濕能力較強(qiáng),保證了高精度的濕度要求。對于相對濕度較高的地區(qū)及一些特殊場合尤為適用。3.3數(shù)碼潮涌壓縮機(jī)輸出能力低目前,變頻壓縮機(jī)的工作頻率范圍為30~117Hz,調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的50%~130%。也就是說渦旋壓縮機(jī)可以超頻運(yùn)行。利用這個特性,可以在北方采暖季節(jié)通過增加壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率,增加壓縮機(jī)單位時間內(nèi)的排氣量,以緩解熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能的衰減問題。在能量調(diào)節(jié)過程中,由于壓縮機(jī)本身的動態(tài)特性的限制,必須考慮到調(diào)整頻率所需的時間。在調(diào)整頻率時應(yīng)小于一定的速度,故調(diào)整過程是分步、分階段進(jìn)行的。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)在全負(fù)荷時輸出能力為100%,不能實現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行。在低負(fù)荷輸出階段,理論上數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)可以達(dá)到無限低的輸出能力。但在實際機(jī)組設(shè)計時要考慮一個周期中負(fù)載狀態(tài)所處時間過少及卸載狀態(tài)時間與負(fù)載狀態(tài)時間之差過長導(dǎo)致的負(fù)面作用。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)要求負(fù)載時間不少于2.5s,以保證壓縮機(jī)具有穩(wěn)定的輸出能力,在此基礎(chǔ)上要求壓縮機(jī)卸載狀態(tài)時間與負(fù)載狀態(tài)時間之差不大于30s,避免機(jī)組參數(shù)有過大的波動。一般情況下,定義數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的10%~100%。由于數(shù)碼壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)卸/負(fù)載周期達(dá)到瞬間調(diào)整輸出能力的目的,故其能量調(diào)節(jié)為連續(xù)能量調(diào)節(jié)。由于壓縮機(jī)具有以上不同的特性,導(dǎo)致兩種多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)有不同的特性。當(dāng)室內(nèi)冷熱負(fù)荷需求增加時,變頻機(jī)組可進(jìn)行壓縮機(jī)的超頻運(yùn)行以增加制冷或制熱能力;當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷很小時,變頻機(jī)組由于其壓縮限制,必須維持在一個較高的輸出能力,從而加大了維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的困難程度。數(shù)碼機(jī)組從輸出能力上不具備超負(fù)荷運(yùn)行的特性,在低負(fù)荷運(yùn)行時,由于其壓縮機(jī)輸出能力可以低至其額定輸出能力的10%,基本可以滿足機(jī)組運(yùn)行的最小負(fù)荷要求。在能量調(diào)節(jié)方面,數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的連續(xù)無級調(diào)節(jié)可以更加嚴(yán)格的控制室內(nèi)溫度,與變頻渦旋壓縮機(jī)相比在性能上是一個提高,變頻渦旋壓縮機(jī)只能達(dá)到分步、分階段調(diào)節(jié),如圖2所示。3.4數(shù)碼潮旋壓縮機(jī)的運(yùn)行(1)流過變頻器的電流與所加的電壓不呈線性關(guān)系,形成了非正弦電流,產(chǎn)生了高次諧波,從而會對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾,降低電網(wǎng)的功率因素、使電容和變壓器過熱、在熒光屏上產(chǎn)生閃點,并可能引起高壓設(shè)備發(fā)熱燒毀等危險。以歐洲為中心的許多地區(qū)都有嚴(yán)格限制高頻波的EMC規(guī)定。為了凈化電網(wǎng)電源,變頻機(jī)組要增加交直流電抗器、電源濾波器;為了盡量減少諧波干擾,還必須安裝多路磁環(huán)、浪涌吸收裝置。從技術(shù)上講,解決變頻空調(diào)產(chǎn)品的諧波已基本過關(guān),只是成本較高。目前一些空調(diào)生產(chǎn)廠家單純考慮成本問題,不愿意采取抑制諧波污染的相應(yīng)措施。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的加載和卸載是機(jī)械操作,數(shù)碼渦旋系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾可忽略不計,具有更好的電磁兼容性,可用于通訊機(jī)房等精密場所。(2)變頻調(diào)整過程平穩(wěn),軟啟動、軟停止,不會對電網(wǎng)造成沖擊;數(shù)碼渦旋的工作方式為壓縮機(jī)的瞬間加載與卸載,電流的變化為10%和100%交互變化著,負(fù)載電流的瞬增與瞬減會使電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊、造成渦流和發(fā)熱,對一些電力設(shè)施產(chǎn)生不利的影響。從對電網(wǎng)的沖擊方面來考慮,使用變頻壓縮機(jī)要優(yōu)于數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)。3.5機(jī)組的pv模型變頻系統(tǒng)的COP一般表示的是機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時的性能。而實際工況中,空調(diào)機(jī)在制冷或制熱時往往是在部分負(fù)荷下工作。美國暖通制冷學(xué)會提出計算IPLV的計算公式為:式中A、B、C、D—分別為100%、75%、50%、25%負(fù)荷時機(jī)組的性能系數(shù)。A、B、C、D前的權(quán)系數(shù)(0.17,0.39,0.33,0.11)分別表示在(75%~100%)、(50%~75%)、(25%~50%)和(0%~25%)四個負(fù)荷段的運(yùn)行時間頻數(shù)。由于變頻系統(tǒng)在低容量時轉(zhuǎn)為旁通控制,IPLV因此會較低;數(shù)碼渦旋系統(tǒng)由于沒有制冷劑的熱氣旁通,同時沒有變頻損失,它的IPLV性能良好。3.6回油時變工況時回油是多蒸發(fā)器變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)系統(tǒng)的一個主要問題。當(dāng)冷負(fù)荷低時,變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低,從而增加了回油的難度。當(dāng)頻率低于某一值時,制冷劑將沒有足夠的流速帶動潤滑油從系統(tǒng)中回到壓縮機(jī),經(jīng)過一段時間后,壓縮機(jī)油位可能降至一個危險的水平。這就要求變頻機(jī)組必須依靠油分離器或復(fù)雜的回油管路來回油,但這又增加了投資與系統(tǒng)的復(fù)雜性。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)回油性好,在每一個“時間周期”中,總是有幾秒鐘處于滿負(fù)荷運(yùn)行的“負(fù)載狀態(tài)”,這時氣流速度足以使?jié)櫥洼^充分地流回壓縮機(jī);當(dāng)處于“卸載狀態(tài)”時,壓縮機(jī)中無排氣,所以也就不存在回油的問題。數(shù)碼渦旋系統(tǒng)在任一容量輸出時回油性能均良好,不需要另設(shè)油分離器或回油循環(huán)管路,從而簡化了電氣控制系統(tǒng)。3.7統(tǒng)的復(fù)雜多維度多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的可靠性是研究開發(fā)的一個重要的方面,在變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)內(nèi),電子控制系統(tǒng)一般很復(fù)雜。安裝的不確定性、天氣變化的極端性以及復(fù)雜的電子控制裝置會影響系統(tǒng)的可靠性。如果采用各種旁通裝置,如熱氣旁通管和液體旁通管,可靠性將更難保證。數(shù)碼多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)基本上是簡易系統(tǒng),只需簡單的電子控制,故較變頻多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)更加可靠。3.8設(shè)計并推出多聯(lián)機(jī)組,目前適合在多聯(lián)機(jī)中替代制冷劑R22的主要是R410A。與R22相比,R410A系統(tǒng)的蒸發(fā)器與冷凝器有較高的傳熱系數(shù)。同等質(zhì)量流量下,R410A的壓降較小,使其可以使用比R22制冷劑小的管路與閥門,這將為制造R410A的系統(tǒng)降低材料成本,并且在長配管系統(tǒng)中更有優(yōu)勢。當(dāng)然,只有重新設(shè)計系統(tǒng),才能充分發(fā)揮R410A的傳熱系數(shù)高與壓降小的優(yōu)勢。在相同制冷量、相同冷凝溫度的系統(tǒng)中,采用R410A的系統(tǒng)的COP可以比R22高出6%。這是由于壓縮機(jī)在壓縮過程中的損耗更低,蒸發(fā)器和冷凝器具有更強(qiáng)的傳熱特性,整個系統(tǒng)內(nèi)的壓降更小。高效的傳熱特性與更小的壓降使其在相同的運(yùn)行條件下,冷凝溫度更低,蒸發(fā)溫度更高,這使壓縮機(jī)耗電更少,從而COP更高。變頻多聯(lián)機(jī)組采用R410A歷史較長,大金公司在2003年推出制冷劑R410A的多聯(lián)機(jī)組。而數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)對新制冷劑的響應(yīng)要遲于變頻多聯(lián)機(jī)組。4無刷直流電機(jī)驅(qū)動空調(diào)器本文對交流變頻與數(shù)碼渦旋作了對比,指出各自的優(yōu)缺點。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高,空調(diào)應(yīng)用日益廣泛、普及,變頻技術(shù)與數(shù)碼渦旋技術(shù)作為變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)的兩種主導(dǎo)技術(shù),有著廣闊的應(yīng)用前景。由于兩者的工作原理和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別,變頻技術(shù)與數(shù)碼渦旋系統(tǒng)有不同的優(yōu)缺點,所以市場競爭激烈。在中央空調(diào)迅速發(fā)展的過程中,變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)突出,變頻技術(shù)與數(shù)碼渦旋技術(shù)的發(fā)展,其節(jié)能的經(jīng)濟(jì)效益是十分顯著的。在交流變頻與數(shù)碼渦旋發(fā)展的同時,另一種節(jié)能技術(shù)—直流變頻也在蓬勃發(fā)展。從概念來說,是不確切的,因為我們知道直流電是沒有頻率的,也就談不上變頻,這主要是市場宣傳的問題,為了讓用戶能夠接受復(fù)雜的技術(shù)概念,就將采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動空