渦旋壓縮機變容量調節技術的研究現狀

周翾，李征濤，華正豪，洪謝文，陳永杰

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渦旋壓縮機變容量調節技術的研究現狀

周翾*，李征濤，華正豪，洪謝文，陳永杰

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

渦旋式制冷壓縮機在制冷空調行業已有廣泛的應用，而變容量調節技術可以幫助渦旋式制冷壓縮機進一步拓寬壓縮機市場。本文將目前應用廣泛的壓縮機變容量調節技術進行分類整理，總結出適用渦旋式制冷壓縮機的幾種變容量方法，并整理了變頻技術、數碼渦旋技術、冷媒噴射/泄出技術等變容量方法的國內外研究現狀。指出了渦旋壓縮機變容量調節技術的兩個最新運用方向：變頻噴氣增焓空氣源熱泵系統與新能源汽車熱泵空調系統，并整理了最新研究成果。

渦旋壓縮機；容量調節；變頻技術；噴氣增焓

0 引言

渦旋壓縮機具有體積小、能耗低、運行可靠、壓縮效率高等特點，單臺排量范圍有2.1~78 m3/h，單臺功率范圍達(1~60) hp，多臺并聯最大可達120 hp，冷量范圍約有(1.70~417.5) kW[1]，憑借渦旋壓縮機變容量調節技術，渦旋壓縮機逐漸打開輕商用制冷壓縮機市場，在小排量范圍內小功率渦旋壓縮機可與大功率轉子式壓縮機展開競爭，在大排量范圍內大功率渦旋壓縮機又能與螺桿式壓縮機展開角逐[2]。從市場份額上來[3-7]，我國渦旋式壓縮機的市場需求量從2012年開始呈直線增長趨勢如圖1，這主要得益于渦旋壓縮機變容量調節技術的迅速發展帶來的總體成本下降。

目前渦旋制冷壓縮機也正努力朝拓寬冷凍冷藏和熱泵行業市場的方向發展。本文以上述渦旋壓縮機的現階段發展為背景，論述了迄今為止渦旋壓縮機變容量調節技術的研究現狀，并結合實際情況淺述了現階段渦旋壓縮機變容量調節技術的運用領域與發展方向。

圖1 2012—2016年渦旋式制冷壓縮機銷售情況

1 渦旋壓縮機容量調節的原理

渦旋壓縮機容量調節的原理同其他壓縮機類似，實際是通過改變制冷劑流量從而改變壓縮機制冷量以適應變化的負荷，根據壓縮機的制冷量公式：

0=·1··D(1)

式中：

——壓縮機的轉速，r/min；

1——吸氣密度，m3/kg；

——壓縮機的排氣量，m3/min；

D——制冷劑進、出蒸發器的比焓差，kJ/kg。

可以看出，通過改變式中壓縮機的轉速、吸氣密度或比焓差都可以改變制冷量?；谏鲜鲈砜蓪嚎s機基本調節方式分為：吸氣節流調節、轉速調節和工作容積調節[7]。文獻[1]對近年來壓縮機容量調節技術進行了較完善的分類與介紹，其中渦旋式壓縮機容量調節技術也得到了發展與衍生，目前為止，提高單臺渦旋式壓縮機壓縮容量的方式可分為轉速控制和機械變容控制兩大類，多臺渦旋式壓縮機采取外部多機并聯分級調節方式與雙渦旋壓縮機內部并聯的調節方式，分類見圖2。

圖2 渦旋式壓縮機變容量調節方式分類示意圖

2 渦旋壓縮機容量調節的方式與相關技術研究

2.1 變頻調節

2.1.1 變頻控制技術

變頻技術的核心包括逆變器、微控制器、近脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）和變頻壓縮機。逆變器能將直流電輸出為交流電，目前通常采用集成了智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM）與功率因素校正（Power Factor Correction，PFC）環節的逆變技術；微控制器目前使用數字信號處理的方式（Digital Signal Processor，DSP），該控制方式簡單但功能強大[9-10]。直流變頻壓縮機使用永磁同步電機驅動，配合脈沖幅度調制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)、單PWM、PAM/PWM這3種調制方式調節可調矩形波的通電時間和不通電時間來改變壓縮機轉速從而改變壓縮機轉速，實現單位時間內制冷劑流量的變化。

數碼渦旋技術是一種特殊的變容量調節技術，2001年11月谷輪公司正式向市場推出了數碼渦旋變容控制技術[1]，它既是變頻調節技術的一種，因其采用PWM技術控制電磁閥的開啟與閉合時間以及電磁閥開啟的程度。同時它也借鑒了吸氣回流的壓縮機容量調節技術，通過控制兩個渦旋盤由于背壓喪失而脫離貼合的狀態下存在的軸向間隙使氣體發生內部泄漏，氣體在壓差作用下返回吸氣腔，此時壓縮機空轉下無實際容量壓縮。由兩個渦旋盤的貼合與分離造成了數碼渦旋式壓縮機的兩個工作周期：“負載期”和“卸載期”，根據PWM控制兩個周期的時間比從而控制壓縮機的容量，與開停調節不同的是，在控制容量過程中數碼渦旋壓縮機始終保持著額定轉速[9-11]。

變頻調節技術與數碼渦旋技術是目前真正主導市場的主流變容量調節技術，兩種技術的特點在于避免了頻繁開停而造成的電能損失，控制方式簡單，容量調節范圍寬，缺點為成本較高，對于小排量渦旋式壓縮機控制精度較高，而對于大壓比的大排量渦旋式壓縮機通常還是采取冷媒噴射等其他變容技術。

2.1.2 變頻調節壓縮機運行的性能

渦旋壓縮機變頻調節容量技術的關鍵在于找到壓縮機匹配目標負載的最佳頻率。在模型方面，WINANDY[12]最先設計了包含理想等溫面的渦旋壓縮機完整運行的數學模型（圖3），該模型假定了一個理想等溫的壓縮機壁面，進入壓縮機的制冷劑將與此壁面進行熱量的交換，并在此基礎上，將制冷劑進出壓縮機壓縮過程分為4個階段：制冷劑升溫過程、等熵壓縮過程、恒定容積絕熱壓縮過程和制冷劑降溫過程。制冷劑升溫過程中，制冷劑蒸汽由吸入狀態（su）吸收壁面傳遞的熱量變成壓縮前狀態（su1），然后進入到壓縮過程，壓縮過程中制冷劑狀態為壓縮過程狀態（in），制冷劑在經過壓縮之后變成高溫高壓的壓縮后狀態（ex1），此時由于制冷劑的溫度高于理想的壓縮機壁面，所以制冷劑被冷卻到排氣狀態（ex）后，排出壓縮機。

通過將冷凝和蒸發壓力、進氣溫度、環境溫度和壓縮機轉速（50 Hz）作為輸入，該模型能夠預測壓縮機的排氣溫度、制冷劑流量、環境損失以及壓縮機電功率，是目前主要運用的一種壓縮機完整運行的數學模型。CUEVAS等[13-14]在該模型基礎上做了變轉速渦旋壓縮機的模擬與實驗研究，他們發現有無逆變器參數對模型輸出與實驗結果的影響都很小，說明該模型同樣可適用于變轉速壓縮機的模擬研究。

在實驗研究方面，目前國內外的重點研究對象圍繞變頻渦旋壓縮機的制冷能力和輸入功率與頻率的關系展開。綜合數據表明，壓縮機頻率在25 Hz~75 Hz范圍內運行時性能突出。APREA等[15]對R714A變頻渦旋壓縮機進行數據分析，結果顯示，當冷凝溫度分別為40 ℃與30 ℃時，壓縮機最佳匹配頻率為35 Hz與25 Hz，且對比定轉速50 Hz時節能近30%。CUEVAS等[14]針對工作頻率在35 Hz~75 Hz的渦旋壓縮機做了模擬與實驗研究，結果如圖3所示。

圖3 壓縮機完整運行過程模型

在壓縮機的吸氣和排氣過程中存在制冷劑的傳熱過程，即加熱和冷卻。如圖4所示，縱坐標的正值表示制冷劑的吸熱過程，負值表示制冷劑放熱過程，而圖4中的橫坐標則表示壓縮機中的排氣壓力與吸氣壓力之比。在35 Hz到45 Hz的低轉速區主要會因為制冷劑的內泄漏而引起的容積效率小幅下降，當頻率上升至75 Hz，機電損耗增大也會引起壓縮機效率小幅下降，系統在75 Hz到35 Hz轉速下降低幅度只在2%~5%以內。PANATO等[16]分析了不同制冷劑在壓縮機頻率從35 Hz~75 Hz改變時的工作性能，結果表明配合電子膨脹閥的不同開度，不同制冷工質的系統制冷系數（Coefficient of Performance，）均能達到2.0以上。

多項實驗分析表明，渦旋式壓縮機在頻率35 Hz~70 Hz下，可以表現出較好的工作性能和節能的優勢，進一步優化壓縮機密封技術也可以很大程度地減少內泄漏并提高變頻渦旋壓縮機的制冷。

圖4 35 Hz~75 Hz頻率范圍內壓縮機的工作性能

2.2 機械變容控制

2.2.1 冷媒噴射/泄出技術

冷媒噴射與泄出技術是通過改變進出壓縮機的制冷劑質量流量以及氣體密度來機械控制壓縮機容量改變的調節技術。冷媒噴射技術常見于噴氣增焓渦旋式壓縮機，通過采用準二級壓縮中間冷卻的原理，將流出冷凝器的制冷劑進行分流，部分噴入壓縮機提高制冷劑流量，解決高壓縮比及高排氣問題，為寒冷地區冬季制熱量不足，效率低下以及排氣溫度過高等問題提高解決辦法[1]。

冷媒噴射技術較好地解決了渦旋壓縮機在大壓比工況下容積效率低和制熱量不足等問題，相反，冷媒泄出技術可以通過減少制冷劑流量的方法降低小壓比工況下壓縮容量過大的問題[1,17]。渦旋式壓縮機冷媒泄出技術的原理是在渦旋壓縮機中段合適位置與制冷系統低壓側之間設置可控的旁通通道，將制冷劑氣體在減容需求時重新引入壓縮機低壓側。國內清華大學的王寶龍等[17]最先對冷媒泄出技術進行了模擬與實驗研究，結果顯示，制冷劑流量最大降幅在35%的情況下，系統能效比最大升幅可達45%。但是目前國外針對冷媒噴射和泄出技術的研究重點仍處于可行性研究，距離該技術的實際應用還存在很大空間。

2.2.2 噴氣增焓渦旋壓縮機運行的性能

從壓縮機變容量調節的角度來看，噴氣增焓渦旋壓縮機（Scroll Compressor of Enhanced Vapor Injection，SCEVI）對系統性能的影響主要體現在最優中間壓力下的補氣量方面。馬致遠等[18]就補氣量對經濟器系統的影響做了綜合分析，以系統蒸發溫度為參考依據確定最佳補氣量，當蒸發溫度在-15 ℃以下時，相對補氣量在0.2~0.5比較適宜，當蒸發溫度在-15 ℃以上時，中間補氣對整個系統的影響效果不明顯。

戎衛國等[19]對SCEVI進行了熱力學分析，并比較了特定工況下二級節流帶SCEVI熱泵與普通單級渦旋壓縮機（Normal Scroll Compressor，NSC）熱泵循環的性能，發現前者的制熱量與制熱系數明顯要高許多，SCEVI的補氣量隨著補氣壓力的升高而逐漸減小，同時壓縮機耗功量也逐漸減小，制熱系數隨補氣壓力的升高，先增大后減?。▓D5），當補氣壓力在400 kPa~600 kPa時，系統的制熱系數可達4.2以上。

張劍飛等[20]利用大連三洋壓縮機試驗臺對噴氣渦旋壓縮機（Scroll Compressor of Vapor Injection，SCVI）與NSC的各性能參數都進行了較詳細的對比實驗。雖然制冷量隨蒸發溫度降低而下降，但SCVI的制冷量仍明顯高于NSC，且制冷能力相對提高15%。隨著蒸發溫度繼續下降至-20 ℃時，SCVI的能效相比，NSC可提高至19%；隨著蒸發溫度的下降，相對補氣量增加，對排氣溫度的改善也越明顯。OQUENDO等[21]對比了SCVI與雙級往復式壓縮機（Two-stage Reciprocating Compressors，TSRC）的工作性能，結果發現，隨著冷凝溫度由30 ℃上升至70 ℃的過程中，壓比7.5處為SCVI與TSRC性能的分界線，當壓比小于7.5時，SCVI壓縮效率高出TSRC近23%，并且制冷也高出TSRC近14%，最高可達3.9，當壓比大于7.5時，TSRC的壓縮效率高出2.5%且高出SCVI 5%~18%。當蒸發溫度降低，SCVI的壓縮機功耗增加同時制熱明顯下滑，但由于補氣量的增加，SCVI的制熱量還是略高于TSRC的制熱量。

圖5 供熱系數隨補氣壓力的變化

2.3 多機并聯技術

多機并聯壓縮機的原理就是在部分目標冷量下停掉部分壓縮機，滿負荷運轉其余壓縮機以滿足冷量需求。并聯壓縮機的技術關鍵是解決壓縮機的回油問題，壓縮機并聯回路中，由于各壓縮機排油速度不同導致最終回油不均勻，嚴重時會致使壓縮機缺油而燒壞的結果。目前回油技術研究重點主要放在回路結構的設計與制熱模式下回油方式的設計。WINANDY等[22]和宋培剛等[23]分別討論了制冷與制熱模式下的回油方式，提出了制熱模式下不換向回油的方法，可以有效提高回油效果并且不會降低系統制熱能力。MA等[24]和FRASTER等[25]優化了單體渦旋壓縮機的回油通道，在壓縮機內部開設兩個回油口對潤滑油進行分流。劉群生等[26]提出了“高壓差回油”的油平衡方案，通過文獻[27]基于油平衡理論進行的實驗比較也證明了這種回油方式的可行性。

吳偉軍等[28]以空氣源并聯渦旋式熱泵機組為例，與同冷量空氣螺桿式熱泵機組進行對比，并聯渦旋式熱泵機組的能力系數達97.7%，相比螺桿式高出近16.13%，且能效比也大幅提升，部分壓縮機運行情況下，并聯渦旋式熱泵機組的能效比可達3。在節能方面，優化并聯渦旋壓縮機組的控制與卸載方式是減少能耗的重要解決方法。近年來，對于并聯機組的研究重點從提高制冷量與能效系數向優化系統的控制方法等方向延伸，新的控制模型與并聯思路成為研究熱點。在成本方面，優化并聯方式和壓縮機結構設計是減少成本主要手段，由于并聯渦旋式壓縮機組相比并聯螺桿式壓縮機組，每單位制冷量需要較少的功率，通常通過改進或減少機組尺寸來滿足變化的負載和瞬態部分以減少成本是較合理的辦法[29-32]。

3 渦旋壓縮機變容量調節技術的綜合應用

3.1 變頻增焓低溫空氣源熱泵

在北方低溫嚴寒地區采用熱泵供暖是替代傳統燃煤供暖的最佳方式之一，空氣源熱泵具有高效節能、清潔環保等特點，沒有燃燒廢氣的排放并且能源利用率接近鍋爐的2倍，是有效控制PM2.5的重要手段。但是常規空氣源熱泵機組在低溫下運行狀況不容樂觀，當溫度低于-15 ℃就會出現壓縮比增高、容積效率降低、制熱量不足、制熱系數降低等狀況。將噴氣增焓與渦旋壓縮機變頻技術有機結合，不但可以解決低溫下排氣溫度高、制熱系數低下的問題，還可以提高空氣源熱泵在嚴寒地區的適用性和經濟性，是近幾年解決北方供暖問題的高效手段，也是極具發展前景的技術。

DARDENNE等[33]提出了帶有噴氣機制的變頻渦旋壓縮機半經驗模型（Semi-em Model），在EVI系統中，該模擬需要包括制冷劑流量和壓縮機轉速在內等10個參數來模擬制冷劑由進氣口吸入到從排氣口排出的過程，在各特定工況下該模型準確度高達89%。DECHESNE等[34]提出了一種基于空氣源熱泵的動態模型，該模型以變速蒸汽噴射渦旋壓縮機和R410a為工作流體，利用等體積效率、等熵效率以及噴氣質量與流速之間的經驗關系來建立，該模型的預測準確度良好。ZENDEHBOUDI等[35]同樣也考慮了中間補氣和排氣量與噴氣流速的關系，但他通過人工神經網絡（Artificial Neural Network，ANN）和模糊推理算法（Adaptive Neuro Fuzzy Inference System，ANFIS）兩種方法來建立變頻增焓渦旋壓縮機模型，后者模擬的數據相對更好。

在變頻增焓空氣源熱泵運行方面，HEO等[36]的實驗顯示-15 ℃、-5 ℃、5 ℃下變頻增焓渦旋壓縮機在轉速50 Hz~100 Hz下運行時的制熱能力比常規EVI系統高10%；艾默生公司于2015年更新的ZW系列壓縮機最高轉速可達8,400 r/min，數據顯示，多聯機系統在室外-15 ℃的環境下，變頻噴氣增焓系統在壓縮機轉速達7,200 r/min時，機組制熱量為24.5 kW，與7 ℃工況下制熱量相比并無衰減，同時相比普通并聯機組制熱能力可高20%[37-39]。蔡亞平[40]和黃俊軍等[41]利用艾默生設計的變頻增焓渦旋壓縮機研究分析了原搭載R410A制冷劑的壓縮機直接采用R32制冷劑時的工作性能，實驗結果顯示在保證排氣溫度和系統壓力在允許范圍內提高壓縮轉速可提高制熱能力，打開噴氣增焓的系統在-15 ℃環境下制熱能力相對提高45.9%，另外噴氣增焓系統可降低壓縮機排氣溫度，并且可使壓縮機在最低-20 ℃的環境溫度下運行。文獻[42-46]模擬評測和實驗，結果證實了變頻增焓渦旋壓縮機結合空氣源熱泵在低溫制熱方面體現優越性。目前，變頻增焓渦旋壓縮機的研究已相對成熟，主要問題在于煤改政策的實行以及空氣源熱泵在北方嚴寒地區的廣泛推廣與運行。

3.2 電動汽車噴氣增焓熱泵空調系統

電動汽車可以通過輸出高品位的電能來直接驅動壓縮機工作。獨立式電動渦旋壓縮機由于具有體積小、耗電量少、壓縮效率高等特點，是作為新能源汽車車用電動壓縮機的首選。而將渦旋壓縮機變容量技術運用在新能源汽車空調系統主要體現在兩方面：一方面是由于電池可以直接輸出高品位電能來驅動壓縮機工作，為適應汽車在不同環境下行駛所需的負荷，可利用變頻壓縮機容量調節技術來調節制冷量范圍，以適應各種路段和四季溫度不同情況下的工況；另一方面是針對嚴寒地區由于常規電動汽車熱泵空調系統在低溫環境下制熱量嚴重不足提出了電動汽車采用變頻增焓熱泵系統提高制熱量的研究方向。

對于車載空調來說，提高系統的制熱量遠比提高系統制熱重要的多。KWON等[47]在模擬中將用于蒸發分流部分制冷劑的經濟器改成了小型換熱器，系統的制熱量還是取決于中間補氣壓力，當冷凝溫度由0 ℃上升至36 ℃，相比普通熱泵制熱量提升14%~44%，但壓縮機耗電量由2.16 kW上升至2.39 kW，因此當冷凝溫度上升時，壓縮容量的增量遠大于換熱量的減少，制熱下降。但由于車載渦旋壓縮機的體積更小，要想增加更多制熱量可在壓縮機吸氣口附近開設兩個補氣口；針對該方法，QIN等[48]搭建了渦旋式電動壓縮機實驗臺，兩個補氣口夾角呈120°，實驗結果顯示，帶雙補氣口的車載熱泵制熱量較傳統熱泵制熱量可最高提升28.6%，同時噴氣孔尺寸越大，制熱量越大；但由于這種方式大幅增加了制冷劑流量，在增加壓縮容量的同時也增加了壓縮功以及電耗，但是并未給出壓縮機電耗的對比。張劍飛等[20]對帶有中間補氣功能的渦旋式壓縮機理論循環進行了分析，結果顯示，帶有中間補氣功能的壓縮機在蒸發溫度為-5 ℃~-20 ℃之間變化時，其能力提升約15%~30%，能效比提升約9%~19%，功耗僅上升約10%。唐景春等[49]搭建了電動汽車空調準雙級渦旋式壓縮機性能測試實驗臺，并在5種不同室外環境溫度工況下對比了單級與準雙級渦旋壓縮機的性能，實驗結果表明，在低溫工況下，準雙擊渦旋壓縮機的排氣制冷流量提高了12.9%~17.4%，系統制熱量提高了7.3%~8.3%，制熱性能提高了7.6%~8.2%。

與傳統固定式家用熱泵[50]不同，汽車在行駛路程遭遇的不同環境導致系統運行的工況要比家用空氣源熱泵運行工況復雜得多，并且車載空氣源熱泵要求的體積更小質量更輕，結構更加緊湊，抗震性能要求更強，因此由家用熱泵空調向車載熱泵空調[51]的過渡充滿困難。但我國積累了較多的變頻技術與噴氣增焓熱泵的相關經驗與技術，集中更多模擬與實驗研究后，相信會加快這一轉變過程。

4 結語

目前市場上單臺渦旋式壓縮機主流變容量技術依然以變頻技術與數碼渦旋為主，噴氣增焓技術又是拓寬壓縮范圍的有效手段，多機并聯壓縮機可滿足市場對大排量大功率渦旋式壓縮機的需求。進一步優化壓縮機結構并降低變容量渦旋壓縮機的運行成本，可提高渦旋壓縮機對轉子式、螺桿式壓縮機等大型制冷壓縮機的競爭力，拓寬渦旋壓縮機在制冷空調行業的市場，并在未來運用于更多的領域。

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Research Status of Variable Capacity Regulation Technology for Scroll Compressors

ZHOU Xuan*, LI Zhengtao, HUA Zhenghao, HONG Xiewen, CHEN Yongjie

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Scroll refrigeration compressors have been widely used in the refrigeration and air conditioning industry. Variable capacity control technology can help scroll refrigeration compressors to widen the compressor market. The widely used compressor variable capacity adjustment technology is classifed, and several variable capacity control methods for scroll refrigeration compressors are summarized, and the domestic and international research status of variable capacity methods such as frequency conversion technology, digital scroll technology, refrigerant injection and discharge technology were summarized. the lastest research results and the two latest application directions of the variable capacity adjustment technology of scroll compressor were pointed out, including variable frequency jet booster air source heat pump system and new energy vehicle heat pump air conditioning system; the latest research results were summarized.

Scroll compressor; Capacity control; Frequency conversion technology; Jet enhancement

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.203

*周翾（1992-），男，在讀碩士研究生。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學能源與動力工程學院，郵編：200093。聯系電話：18817305327。E-mail：476417254@qq.com。