多联式空调（热泵）系统用压缩机研究与分析

多联式空调（热泵）系统用压缩机研究与分析

蔡良,黎举辉

广东美的暖通设备有限公司

摘　要：对多联式空调（热泵）系统进行分析，并设计28kW空调样机，在实验室进行100%负荷与最小负荷试验，结果表明：1）夏季制冷工况下，随着室外温度提高，多联式空调（热泵）系统用压缩机需要具备高温制冷可靠性以及制冷能力输出的问题；2）冬季制热工况下，多联式空调（热泵）系统用压缩机需要克服高压比运行能力，变频喷气增焓高压比压缩机可以有效解决低温制热问题，提高空调（热泵）系统舒适性、可靠性；3）多联式空调（热泵）系统经常处于低负荷率、低压缩比运行工况，压缩机需要具备小压比、小负荷、小流量高效可靠运行能力，以便提高整机能效，实现节能、节碳。

关键词：热泵系统；压缩机；压缩比；能效

Analysis and development of compressor technology for the VRF air conditioner（heat pump）system

Cailiang Lijuhui

（GD Midea Heating & Ventilating Equipment Co.,Ltd.）

Abstract: Through the analysis of the VRF air condition(heat pump) system, the 28kW air conditionprototype was designed, the100% load and the min load performance test was carried out in the laboratory. The results show that: 1)Under the refrigeration condition in summer, The compressor of the VRF air condition(heat pump) system need has high temperature refrigeration reliability and output of cooling capacity; 2) Under the refrigeration condition in winter,the VRF air condition(heat pump) system need to overcome high compression ratio operation ability under low temperature heating condition, The inverter EVI compressor designed by high pressure ratio can effectively solve the problem of low-temperature heating,it can improve the system reliability and comfort; 3) The VRF air condition(heat pump) system often operated under low load and low compression ratio , The compressor need to have the efficient ability and reliableability under the condition of low pressure ratio, low load and small flow rate,In order to improve the energy efficiency of the whole machine and realize energy saving and carbon saving.

Key words:refrigeration system; compressor; compression ratio; energy efficiency

1引言

随着30碳达峰、60碳中和任务的提出，我国制冷空调领域步入了新的发展阶段，据相关数据统计，我国制冷空调用电量占全社会用电量约15%，在整个空调系统中能耗占比最大的就是压缩机，大约60%-70%，故而实现压缩机节能对实现制冷空调领域双碳目标至关重要。作为制冷空调系统的核心部件的压缩机，近年来其市场竞争态势日趋激烈，新的产品和研究成果不断涌现，技术和性能水平日新月异。商用空调领域一般使用涡旋压缩机、转子压缩机、螺杆压缩机以及离心压缩机作为制冷系统动力部件。其中螺杆式压缩机在空调领域一直遭受大功率涡旋式、小冷吨离心式压缩机(磁悬浮离心机)的侵蚀，市场份额逐年减少，鉴于涡旋式压缩机多台并联机技术、大排量技术，相较于单台螺杆式压缩机相比具有较好的成本优势，从下游逐渐挤压螺杆机市场份额。而在匹数较小商用压缩制冷领域，一直由涡旋压缩机以及转子压缩机占据着市场份额，并且在小排量范围内，小排量涡旋式与大排量转子式压缩机展开竞争，两者各自具备自身优势，故而需要针对不同使用工况进行合理抉择。张秀平等

[1]对工商用制冷压缩机产品技术进行了大量调研，并指出了各类型工商用制冷剂压缩机产品及技术发展趋势。胡地[2]通过对转子压缩机技术现状进行研究，指出滚动转子式压缩机未来技术研究重点是产品的高效节能、变容量、小型化、低噪声和高可靠性。江岸[3]通过模拟仿真手段对高效空调器用压缩机应具备的调节能进行研究，提出高效空调器用压缩机应具有向小容量调节的能力，同时需具有良好的向小压比调节的能力。余少文[4]通过对涡旋压缩机在中国的总体专利申请量进行统计分析，研究涡旋压缩机领域的技术强国在中国的核心技术分布，并对国内涡旋压缩机领域的未来发展进行了展望。周英涛[5]通过对目前涡旋压缩机发展进行分析，并重探讨其未来的发展趋势。

目前我国多联式空调（热泵）在整个中央空调市场占比已经超过50%，故而实现多联式空调（热泵）节能减碳对我国制冷空调领域至关重要，多联式空调（热泵）系统用量最大为涡旋压缩机与转子压缩机，尤其是目前多联机不断向着结构紧凑、大匹数方向演变，涡旋压缩机运用越来越广泛，在双碳任务加持下，如何做到顺应时代发挥出多联式空调（热泵）系统高效节能、低碳的优势非常重要，本文从多联式空调（热泵）系统角度分析研究涡旋压缩机能效现状与发展趋势，为多联式空调（热泵）系统用压缩机提供新的方向与思考，同时也为制冷领域其他产品给予一定参考。

2多联式空调（热泵）系统原理

如图1所示为多联式空调（热泵）系统原理图，采用变频喷气增焓技术，包括室外机模块与室内机末端，其中室外机模块包含主路循环与辅路循环，室外机由压缩机、四通阀、油分离器、冷凝器、主电子膨胀阀（EEV）、经济器、辅电子膨胀阀（EEV）以及气液分离器等构成，室内模块由室内电子膨胀阀（EEV）与蒸发器构成；其中压缩机具备喷气增焓功能，系统可根据室外环境温度以及室内负荷需求分别切换运行制冷模式以及制热模式。即利用可变转速的喷气增焓压缩机，在室外温度高时运行制冷循环，而在室外温度低时运行制热循环，并且在制冷/热模式下采用喷气增焓技术提高系统制冷/热量。

图1  多联式空调（热泵）系统原理图

3.10HP多联（热泵）样机试验与分析

3.1试验系统

利用如图1原理设计28 kW(10HP)的多联式空调（热泵）样机，其中室内蒸发器由2台额定制冷量为14 kW的风管机以及1台额定制冷量为1.8kW的风管机构成。

样机采用R410A制冷剂，室内、外机组之间的配管长度为10 m，其中液体连接管的规格为φ9.52 mm，气体连接管的规格为φ22.2 mm。

在被测机组进/出口管路上布置温度和压力传感器，以获取测点位置管内制冷剂的实时状态参数。其中，压力传感器的测量精度为±0.1 kPa，温度传感器的测量精度为±0.1 ℃。

2）测试系统

将被测机组的室内机组和室外机组分别设置在实验室内，测量被测机组的温度、压力等参数；

3）试验步骤

制冷模式：分别运行低温制冷（室外-5℃/室内21℃）、中间制冷（（室外15℃/室内21℃））、标况制冷（室外35℃/室内27℃）、43℃高温制冷（室外43℃/室内32℃）以及48℃高温制冷（室外48℃/室内32℃）；且制冷模式下分别运行100%负荷与单开最小内机（1.8kW内机单开）两种负荷。

制热模式：分别运行标况制热（室外7℃/室内20℃）、0℃制热（（室外0℃/室内20℃））、-5℃低温制热（室外-5℃/室内20℃）、-10℃低温制热（室外-10℃/室内20℃）、-15℃低温制热（室外-15℃/室内20℃）、-20℃低温制热（室外-20℃/室内20℃）以及-30℃低温制热（室外-30℃/室内20℃）；且制热模式下分别运行100%负荷与单开最小1.8KW内机两种负荷。

每次完成模式切换或室外温度切换系统稳定运行并维持30 min，每5s采集并记录一次压力、温度，并通过试验仪器记录数据，计算压缩比，并对压缩机吸气、排气压力以及压缩比进行分析。

3.2 实验结果与数据分析

3.2.1 制冷模式数据分析

图2、3为制冷模式下100%负荷以及最小负荷（1.8kW内机单开）工况下系统稳定运行时压力、压缩比状态参数。在100%负荷下运行标况制冷模式时，系统制冷量达到30.1kW，能效EER超过2.8，满足设计指标。随着室外环境温度升高，系统排气压力逐渐升高，当环温≥43℃时，由于压缩机及变频驱动散热等限制逐渐开始限频运行，在标况下压缩机运行频率为110Hz，而在≥43℃时，由于高压3.6Mpa限制压缩机只运行45Hz，故而系统制冷量大幅衰减，不能达到额定制冷能力。系统吸气压力随着室外环境温度与室内温度的升高呈稳定增长，几乎呈线性变化关系，这是因为室内温度升高以及压缩机运行频率降低，在标况下室内工况为27℃，而在高温制冷室内高达32℃，低温制冷室内仅仅21℃。通过制冷100%负荷下压缩机的压缩比可知，系统对压缩机压缩比要求范围不宽，基本维持在2.7~4.0之间，一般而言传统涡旋或转子压缩机内压比不可调，并在压缩比（2.0~2.5）范围内效率较高。

通过对制冷100%负荷工况分析，高的室外温度会导致压缩机运行频率低，从而造成室内冷量输出较小，影响用户舒适性，尤其是43℃以上，制冷量未超过50%。对于用户而言，室外环温越高，则越需要提供更多的冷量，此时由于压缩机、驱动、换热器以及管路等器件无法很好工作在高温、高压工况的原因，导致系统无法提供较大冷量，尤其近年来由于工业发展，全球气候变暖，甚至有些地区夏季太阳辐射下的高温可达到60℃以上，故而对于传统空调系统不仅需要接受高温下无故障运行挑战，更要接受高温高冷量输出挑战，以适应全球气候变暖问题，实现空调系统一个飞跃。

图2100%负荷制冷性能                                图3最小负荷制冷性能

当系统运行在制冷最小负荷工况时，其排气压力与吸气压力随着室外环境温度升高几乎呈线性增长，这是因为此时室内机负荷小仅仅1.8kW，压缩机运行频率低且在压缩机MAP图的安全范围内，并且无论是高温制冷还是低温制冷，系统提供的制冷量均足够，如在标况下制冷量达到1.8-2.0kW，在高温48℃制冷模式也能达到相同制冷量，进而可以满足制冷能力需求，但此时整机在这种小负荷下能效较低，仅仅2.0左右。分析在最小负荷下压缩机压缩比可知，此时压缩机压缩比在1.7~3.0，并且在中间制冷与低温制冷模式下虽然此时压缩比在1.7~2.0之间，也是通过外风机调速（低转速或停机）状态达到的，已经呈现出较低压缩比状态，而压缩机在低压缩比下会出现欠压缩现象，导致压缩机效率衰减，此时压缩机COP不足2.5，故而需要压缩机具备一定程度的低压比、高能效运行能力。

通过对制冷最小负荷分析，对于房间舒适性空调，无论是制冷还是制热模式，其大部分时间都在非设计工况下运行，并且房间空调内机100%开启率较低，绝大部分情况下只开其中一台或者两台，并且随着房间温度降低并接近（达到）设定温度时，空调系统所需冷量较小，主要是为平衡室内、外温差形成的热量以及室内热源的热量而继续运行，此时空调处于低负荷运行情况，此时负荷率较小，大约30%~40%，甚至低于20%，对于多联式空调系统，采用变频技术可以减少压缩机的启停次数，同时低负荷小流量运行可以提高蒸发温度、降低冷凝温度，提高系统的能效水平，降低系统压缩比，故而低负荷工况下为提高能效易出现低压比现象，现有变频涡旋压缩机需要在压比ε≥1.5（1.8）工况下方可安全运行且效率低下，而较大压比容易造成较大的能耗，现有空调系统为确保压缩机安全运行，机组对运行频率以及风机转速进行调整，故而造成较大能耗，通过实验测试可知，在制冷最小负荷时其能效EER不到2.0。对于舒适性空调系统尤其是多联式空调系统，需要压缩机具有低压比低负荷、小流量运行能力，同时还要提高低压比、小流量、小负荷运行效率，这样才能使其与系统外压比和房间负荷匹配，从而实现压缩机全工况效率和空调器季节能效水平的提升，如压缩机需要具备多缸（大小缸）、小压比（气泵）的特性。

3.2.2 制热模式数据分析

图4、5为制热模式下100%负荷以及最小负荷（1.8kW内机单开）工况下系统稳定运行时压力、压缩比状态参数，在标准工况（室外7℃）下，100%负荷时系统制热量接近30.5kW，达到设计指标，随着室外环境温度降低系统排气压力与回气压力近似呈线性降低，这是因为制冷（热）系统本身是一个冷（热）量搬迁过程，制热时如果需要从室外更低温度将热量搬迁至室内测，就需要系统冷媒蒸发温度必须比室外温度更低才行，这样就使得系统蒸发温度降低。在室外-15℃时系统制热量达到25kW（传统压缩机-15℃制热量仅仅20kW不到），说明采用喷气增焓在低温制热模式下可以大幅提高制热能力。通过分析制热模式下系统压缩比可知，其变化规律随着环境温度降低几乎呈线性增长，100%负荷率下，当室外-20℃时系统冷凝压力2.05Mpa，此时冷凝温度仅仅35℃，已经不能达到额定制热量，并且此时压缩比达到7.41，接近常规压缩机MAP极限，现有压缩机为确保可靠性带有高压比保护限制（一般涡旋压缩机要求压比ε≤8），限制了系统在低温制热时的舒适性以及性能。由于采用了喷气增焓压缩机，压缩机压缩比可以支持到高压比10的工况，故而系统还可以运行-25~30℃超低温制热，但更低的室外工况喷气增焓也具备一定的不足。

图4100%负荷制热性能                                图5最小负荷制热性能

通过分析最小负荷制热可知，其压力、压缩比趋势与100%负荷率基本一致，但是在低温制热（-15℃）以及超低温制热（-30℃）工况下，其制热量均能满足最小负荷率制热需求，具有较好的舒适性。故而对于制热（尤其低温制热），现有喷气增焓压缩机通过补气回路增加了制热量，同时压缩机压缩比可以拓宽到10的极限，可以支持-30℃工况制热运行，但由于压缩机与系统配置限制，如果室外温度更低，则无法安全可靠运行，故而就对能够在更高压比下安全可靠运行的压缩机提出了新的挑战，比如采用双级压缩等技术。

4结论

通过对多联式空调（热泵）系统进行实验分析，并总结空调对于压缩机具有的不同要求，对未来压缩机技术发展方向提出一些见解，得到如下结论：

1）多联式空调（热泵）系统用压缩机不仅要满足高温制冷工况可靠运行，更需要具备足够制冷量，这对压缩机本身设计提出新的挑战；

2）多联式空调（热泵）系统经常处于低负荷低压比工况下运行，就需要压缩机具有主动减小内压比的调节能力以及低压比、小流量、小负荷运行能力，从而实现压缩机全工况效率和空调器季节能效水平的提升；

3）多联式空调（热泵）系统低温制热工况下压缩比会超过10，需要研发抗更高压比运行的压缩机，如变频喷气增焓压缩机、双级压缩能力的压缩机，提高用户的舒适性，；

4）多联式空调（热泵）系统用压缩机需要考虑不同工况下节能、节碳运行能力，以便实现制冷空调领域双碳目标。

参考文献：

[1] 张秀平，刘晓红，李炅，等. 工商用制冷剂压缩机产品及技术现状与发展趋势[J]. 制冷与空调，2017，17(2)：49-57.

[2] 胡地，李红旗. 滚动转子式压缩机的技术现状及发展趋势[J]. 制冷与空调，2017，17(2)：73-79.

[3] 江岸，王宝龙，石文星，等. 高效空调器用压缩机应具有的容量和压比调节能力[J]. 暖通空调，2013，7(43)：87-94.

[4] 余少文. 涡旋压缩机研究现状及其发展展望[J]. 科技传播，2016，2(下)：162-164.

[5] 周英涛，张晓丹，刘忠赏. 涡旋压缩机技术及发展趋势[J]. 制冷与空调，2017，17(07)：69-72.

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