350 kW变频螺杆式冷水机组变工况性能分析

范峻铭，蒋鹏*，关旭，杨光，孟伟，李璐伶

(1.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心，广东 深圳 518049； 2.深圳市燃气集团股份有限公司，广东 深圳 518049)

0 引言

据统计，中国的建筑能耗占全国总能耗的46%，而空调系统能耗占建筑总能耗的40%左右[1]。在夏季用电高峰期，空调用电负荷甚至高达城镇总体用电负荷的40%。这一方面导致夏季用电高峰期时会出现电网不堪负荷，甚至拉闸限电的现象；另一方面以煤电为主体的电能供应将引起严重的环境污染。因此，开发采用高效制冷系统和设备是建筑节能的重要举措。

目前的制冷方式主要有蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷和热电制冷三种[2]。吸收式制冷利用蒸汽、热水和烟气等的余热，通过溴化锂的浓度变化来制冷，具有废热再利用及再生热的优点，但这种系统体积较大，制冷能效较低，应用较少。热电式空调则利用温差电效应，即帕尔贴效应，来实现制冷，其体积小、噪音低，但它的制冷能效值较其他两种系统低，且设备价格昂贵。

蒸汽压缩式制冷机主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀等四个部件构成，是最为常见的制冷方式。其制冷循环过程为：制冷压缩机先从蒸发器吸入低温低压的制冷剂蒸汽，经压缩机绝热压缩成为高温高压的过热蒸汽，再压入冷凝器中定压冷却，并向冷却介质放出热量，然后冷却为过冷液态制冷剂，液态制冷剂经膨胀阀(或毛细管)绝热节流成为低压液态制冷剂，在蒸发器内蒸发吸收空调循环水(空气)中的热量，从而冷却空调循环水(空气)达到制冷的目的，流出的低压制冷剂再被吸入制冷压缩机，如此循环工作[3]。鉴于其制冷工作性能和应用场合，根据压缩机的机构可将蒸汽压缩式制冷分为活塞式、离心式和螺杆式冷水机组等。永磁同步变频螺杆式冷水机组专为提升效率和降低运行成本而设计[4]，冷水换热器为高效降膜式换热器，冷媒为环保冷媒 R134a，其制冷量为120～600 Rt。此外，其结构简单、能耗低、能量调节范围广且故障率低、维修方便，在中、小型冷水机组中得到了广泛的应用。

现阶段，永磁同步变频螺杆式冷水机组的研究主要集中于变频压缩机在满负荷时的运行能效[5]和较大制冷量的螺杆机组的滑阀与变频调节运行性能这两方面[6]。在预测螺杆式机组制冷性能方面，Gordon等[7]构建了基于热力学第一和第二定律的数学模型,并用不同的螺杆式制冷系统进行验证，表明其所构建模型的准确性，均方根差仅1.9%。与热力学模型相比，采用多变量多项式模型预测COP的均方根误差更小[8]。此外，基于“黑箱模型”的径向基神经网络模型和多层感知机的深度神经网络模型也被用于电制冷系统COP模型，该模型以制冷容量、冷却水和冷冻水的入口温度作为输入变量，经过深度学习后，所构建的COP预测模型准确度高于多项式拟合模型[9]。Zendehboudi等[10]则利用响应面法耦合非支配排序遗传算法对以R450A作为制冷介质的蒸汽压缩循环的COP进行了优化。

由于500 kW制冷量以下的永磁同步变频螺杆式冷水机组的变工况特性鲜有报道，因此本文选取某国产350 kW永磁同步变频高效螺杆式冷水机组作为研究对象，搭建了变工况实验平台，研究了不同压缩机负载功率对机组制冷性能的影响，并分析了冷冻水出口温度和冷却水进口温度对机组制冷性能的影响。

1 350 kW变频高效螺杆式冷水机组

螺杆式压缩机冷水机组具有结果简单、能耗低、能量调节范围广且故障率低、维修方便的特点，在中、小型冷水机组中得到了广泛的应用。所测试的变频螺杆式冷水机组外形如图1所示，其工艺流程如图2所示。该制冷采用了带经济器的二次吸气制冷循环。流出冷凝器的制冷剂液体分为两支，一小支流经过节流膨胀阀降温后，返回经济器中吸热产生闪发性气体，再经中间补气口进入压缩机的腔体内，与原有气体混合后继续被压缩；另外一支流经节流元件降压后进入蒸发器制冷，实现了“二级压缩”，提高了能效[11]。如图3所示，常规的蒸汽压缩循环的能效(COP1)表达式为：

图1 变频螺杆式冷水机组外形图

图2 变频螺杆式冷水机组系统流程图

设定进入蒸发器的制冷剂流量比例为x，则带经济器的制冷循环COP2的计算式为：

式(1)～(2)中：h0～h7为 节 点0～7的 比 焓(kJ/kg)，如图3所示x表示进入蒸发器的制冷剂流量比例。

图3 带经济器的冷水机组压力-焓值图

对比式(1)和式(2)可知，COP2＞COP1。这主要是因为进入蒸发器前的制冷剂过冷，使得单位质量的制冷剂制冷量增加，所以虽然制冷剂流量减少，但总的制冷量还是提升的。同时，补气压力高于压缩机的进气压力，使得这部分制冷剂气体无需压缩，因此压缩功降低。

为实现螺杆式冷水机组的制冷量的调节，采用电机变频技术结合滑阀调节技术以实现制冷量在10%～100%之间连续变化。根据压缩机运行特性[12-13]：

式(3)～(4)中：n为电 机的转速(r/min)；f为电机的电源频率(Hz)；P为电机的极对数；s为电机转差率；n0和n1分别为设计工况下和实际工况下电机的转速(r/min)；N0和N1分别为设计工况下和实际工况下电机消耗功率(kW)。

电机变频可有效改变压缩机的容积流量。此外，如式(3)和式(4)所示，发电机的频率与转速有关。输入功率的变化率是转速变化率的3次方，只要转速减少，输入功率就会变化到很小的值，以达到节能的效果。电机的冷却采用的是进气冷却方式，吸入的低温制冷剂进入转子腔，流经电机进行冷却。

压缩机的变频无法调节内压缩比，这造成压缩机内外压比不等，引起过压缩或欠压缩，导致压缩机性能下降。为避免这一现象，现采用变频配合滑阀调节来控制制冷量。滑阀调节是在两个转子之间设置一个轴向可移动的下置滑阀，移动滑阀可改变转子的有效长度，使部分制冷剂气体未经压缩就通过旁通流到压缩机的吸气侧，从而使输出气得到控制。滑阀的移动由供油压力推动，回油管上设置电动调节阀，通过温度传感器、控制器来调节电动阀开度，从而控制推动活塞油压缸压力的大小。

压缩机能量调节变频驱动的原理为：根据冷水温度、电机转速和蒸发、冷凝压力、蒸发压力的变化同步调节电机频率、滑阀位置、压缩机转速、内容积比以始终保持最佳匹配，进而保证机组在最佳的工况下运行。通过监测冷水实际出水温度与设定值的偏差, 根据温差调节电机转速及滑阀位置。

如表1所示，该机组采用R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)作为制冷剂。与其他类型制冷剂(如：R22、R410A)相比，其节能环保特性优，臭氧耗损潜能值为0，温室效应潜能值低，性质稳定，且不存在温度滑移，广泛应用于汽车、家用及商用空调领域。且螺杆式冷水机组设计制冷量约为350 kW，在GB 18430.2—2001《蒸气-压缩循环冷水(热泵)机组》规定的测试条件下，即冷冻水7/12，冷却水30/35，其理论COP可达6.38，依据GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能效等级》标准[14]，该冷水机组达到1级水准，即能效最高等级。

表1 螺杆式冷水机组设计参数

2 性能测试

为验证该机组的性能指标及考察变工况下的性能特性，如图4和图5所示，对螺杆式冷水机组进行了测试。实验的冷水和冷却热水温度分别由恒温冷水箱和恒温热水箱中的温控仪控制。在标准工况下，恒温冷水箱和热水箱的温度分别控制在12 ℃和30 ℃。冷水机组出口的冷却水先后经过温度传感器(T2)、球阀(V1)进入恒温热水箱，从恒温热水箱出口的冷却水经过变频水泵(P1)、流量计(F1)进入机组进行换热。

图4 螺杆式冷水机组测试实验图

图5 螺杆式冷水机组测试实物图

同时，由冷水机组出口的冷冻水先后经过温度传感器(T4)、球阀(V2)进入恒温冷水箱，经过混合换热后，经由变频水泵(P2)、流量计(F2)返回机组。当装置各参数稳定后，记录温度及流量，以便于后续制冷量的计算。

3 结果与分析

3.1 测试值与设计值对比

将实验的温度参数与设计值的误差控制在±0.3 ℃范围内，其余的测定值均在标准允许误差范围内，以满足设计要求。

如图6所示，测定的制冷量为346.92 kW，略小于其设计值351.6 kW；实测的压缩机消耗功率为56.83 kW，略大于其设计值55.1 kW，故测定所得到的COP低于其设计值的4.4%。

图6 螺杆式冷水机组设计值和实验值对比

3.2 压缩机负载功率对机组性能的影响

螺杆式冷水机组的设计和性能标定均是按照最大负荷设计的，而在实际运行时，冷水机组的运行基本处于不同的环境条件和部分负荷状态下。因此，考察变工况条件对机组性能的影响是必要的。

如图7所示，在空调水出进水温度7/12 ℃，冷却水进出水温度32/37 ℃的情况下，机组压缩机负荷从40%到100%的条件下，冷水机组制冷量、压缩机功率及机组COP的变化。可以看出，当压缩机负载率从40%升高到100%，机组制冷量从143.9 kW增加到354.6 kW，压缩机功率由27.5 kW增加到60.88 kW，机组COP由5.22升至5.82。这主要是由于机组负荷的下降，制冷剂所提供的冷量降低，在冷冻水进出口温差不变的情况下，冷冻水流量降低，故导致制冷量和COP均下降。

图7 压缩机负载功率对机组性能影响

3.3 冷冻水出口温度对机组性能的影响

如图8所示，在冷却水进出口温度32/37 ℃下，冷冻水出口温度从5 ℃升到11 ℃时，测试出的冷水机组的性能参数变化。可知，提高冷冻水出水温度，机组功率将缓慢降低，而制冷量呈现缓慢上升趋势，机 组COP由5.24提 升 到6.63，增 加 了26%。冷 冻水温度每提高1 ℃，制冷量提升约2%，COP提高3%～5%。冷冻水出口温度升高，则更有利于蒸发器内制冷介质的蒸发，故机组制冷量增加。

图8 冷冻水出口温度对机组性能的影响

3.4 冷却水进口温度对机组性能的影响

现实验工况为保持冷冻水的出进口温度为7/12 ℃，且冷却水流量恒定时，冷却水进口温度变化对机组性能的影响。如图9所示，随着冷却水出口温度升高，机组制冷量略微降低，但机组功率呈现上升的趋势，使机组COP降低。冷却水进口温度每增加2 ℃，COP降低6%～7%。这主要是因为提高冷却水进口温度，机组的冷凝温度升高，制冷剂冷凝量降低，故机组制冷量下降。由于制冷剂返回压缩机的温度升高，因此压缩机功耗增加。

图9 冷却水进口温度对机组性能影响

4 结语

本文以某国产350kW永磁同步变频高效螺杆式冷水机组为研究对象，搭建了变工况实验平台。研究发现：该机组测定的制冷量为346.92 kW，当压缩机负载率从40%升高到100%，机组制冷量从143.9 kW增加到354.6 kW，压缩机功率由27.5 kW增加到60.88 kW，机组COP由5.22升至5.82。冷冻水温度每提高2 ℃，COP提高6%～10%。冷却水进口温度每增加2 ℃，COP降低6%～7%，机组的制冷量略微降低，但机组的功率呈现上升的趋势，综合导致机组COP降低。