阙沛祯 魏会军 牛玉婷

（1.珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 珠海 519070；2.珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

多联式空调（热泵）机组（以下简称多联机）为一台或数台室外机连接多台室内机的空调机组，具有美观、节省空间、控制灵活等优点，其应用范围逐渐从酒店、学校等公共建筑扩展到到别墅、普通家庭等住宅建筑。统计表明[1-3]，多联机已占中央空调50 %以上的市场份额，对建筑能耗的影响越来越大。据国家七部委联合发布的《绿色高效制冷行动方案》中要求，到 2022年多联机的能效水平需提升40 %，节能需求急迫。

压缩机作为多联机的核心部件，其能效水平对于多联机实际使用能耗起着至关重要的作用。多联机的多末端工作形式决定了其在大部分时间处于非满负荷运行状态。根据大数据统计[4]，多联机有近60 %的时间在30 %以下负荷运行。而压缩机在低频低负荷运行时，效率大幅下降，易频繁启停。因此，对多联机用压缩机低负荷运行能效特点研究十分重要。

王兴[5]对各厂家多联机用变频涡旋压缩机低负荷运行性能总结出六点方法，借鉴了传统制冷与空调能量调节形式，也利用了现代电子控制方法，为用变频涡旋压缩机多联机低负荷能效提升提供参考。但这些改善方式尚不能从根本上解决涡旋压缩机低负荷能效较低的问题，且有待进一步实验验证。张霞[6]对比了涡旋压缩机与转子压缩机的差异，认为在全工况制冷及制热下，变频转子压缩机运行频率更广且能效更高，综合能效更优，且在低频运转模式下，相对于涡旋优势较为明显。徐嘉[7]等人总结提出了三种压缩机变容技术，包括多台压缩机并联、变频技术以及压缩机工作腔卸载技术。其中多台压缩机并联技术系统较为复杂，变频技术现已通用，而压缩机工作腔卸载技术即为本文所述变容压缩机技术。文章表明变频与变容技术结合能够有效提升压缩机中间点及最小制冷能力时的能效，具有一定参考意义，但该文章尚未对压缩机低负荷能效进行进一步对比研究。

针对上述问题，对多联机用变频双转子压缩机、变频涡旋压缩机以及格力电器股份有限公司研发的变频变容转子压缩机进行性能实验测试对比研究，分析不同压缩机在低负荷工况下的能效水平，为开发高效节能多联机时压缩机的选型工作提供参考指导。

1 实验用压缩机类型及原理简介

目前多联机用压缩机主要包括变频涡旋压缩机、变频双转子压缩机以及格力的变频变容转子压缩机，均属于容积式压缩机。

变频涡旋压缩机在8HP以上商用多联机中使用广泛[3]，其通过动盘与静盘相对转动形成封闭容积的连续变化，实现对工质的压缩，具有结构精密，静音稳定等特点。排量一定，可通过频率调节能力输出。

随着转子压缩机的大型化发展，部分商用机型开始选用常规变频双转子压缩机。变频转子压缩机具有结构简单，成本低，可靠性好等优点。变频双转子压缩机由两气缸组成，运行时利用偏心曲轴，带动活塞在两气缸内同时转动缩小工作容积，达到压缩目的，其排量一定，可通过频率调节能力输出。

格力变频变容转子压缩机除常规双转子压缩机特点外，还具有容积可变功能。如图1，变容气缸的压缩和空转之间转换是通过压力控制系统和滑块锁止机构的联动控制来实现。即在滑块上开设有凹槽，下轴承开设有锁止机构，此锁止机构包括可以上下运动的销钉，以及销钉底部的弹簧。当负载较低时，销钉上端和下端导入低压气体，压力平衡，在弹簧力作用下销钉向上运动，销钉锁止滑块，使滑块和滚子分离，变容气缸空载不压缩，实现单缸运行模式。当处于中高负荷运行时，销钉上端通入了高压，下端维持低压，销钉在上下端压差作用下克服弹簧力向下运动，滑块被解锁，使滑片和滚子贴合，变容压缩运行，实现双缸运行模式。

图1 变频变容压缩机容积切换原理图

现选取A公司生产的排量为72 cc（以下简称A72）变频涡旋压缩机，B公司生产的排量为65 cc（以下简称B65）变频双转子压缩机以及珠海格力电器股份有限公司研发的排量为80 cc（以下简称H80）的等双缸变频变容压缩机（即卸载一缸排量降为40 cc）作为样机进行性能实验测试。

2 压缩机方法和测试工况

测试原理和测试方法与GB 5773-86《容积式制冷压缩机性能测试》中规定的第二制冷剂量热器法相同。实验原理如图2所示。

图2 实验装置流程图

多联机是基于全屋热负荷设计，其选用压缩机首要满足最大负荷输出，可以考虑超配130 %[2]，故排量一般选择较大。在实际使用中，多联机运行范围较为宽范，其负荷率覆盖100 %至10 %以下，而不同负荷率下压缩机运行工况存在较大差异。

为客观评估压缩机性能，首先进行了同频率ARI工况测试，该工况可基本反映压缩机中高负荷性能。测试工况和测试结果如下表所示。在运行频率均为60 Hz的情况下，变频涡旋压缩机A72能效略优于结果近似的变频转子压缩机B65和H80，可判定三台压缩机中高负荷水平相当（如表2）。

为更好模拟低负荷运行情况，选取制冷量为33.5 kW的同一系统下实际运行不同负荷率的6种工况对实验压缩机进行单机测试（如表1）。在工况1、2下，压缩机处于极低负荷（低于10 %）状态，而涡旋A72压缩机最低运行频率为10 Hz，其理论制冷量已远大于所需冷量，故未进行升频。其后的工况负荷率逐步增加，频率选定以排量为标准进行换算，具体工况及各款压缩机运行频率如表3。

表1 ARI测试工况

表2 ARI测试结果

表3 低负荷能效测试工况及压缩机运行频率

3 压缩机低负荷运行能效测试结果及分析

3.1 低负荷性能测试结果

压缩机能效随工况即负荷情况发生变化，经实验得到图3～图5实验结果。图3为压缩机低负荷工况下能效变化曲线。整体上，随负荷降低，变频涡旋A72压缩机能效呈现大幅下降趋势，变频转子压缩机B65及H80相对而言较为稳定。在负荷率16 %以下（工况1、2、3），变频变容转子压缩机H80单缸与B65相比优势明显，能效最大提升30 %；整体均优于变频涡旋压缩机A72（能效最大提升近90 %）。随着负荷加重（负荷率至30 %以上），涡旋压缩机A72能效逐步上升，略高于转子压缩机。

图3 压缩机低负荷能效

图4 压缩机低负荷制冷量

图5 压缩机低负荷容积效率

图4、5分别为压缩机低负荷工况下的制冷量及容积效率变化。结合图3可以看出，各款压缩机低负荷能效变化规律基本与容积效率变化趋势一致。故低负荷工况下的能效主要与压缩机泄露呈负相关关系。以轻负荷工况2为例，此时变频涡旋A72压缩机制冷量低，容积效率仅为52 %。变频转子压缩机B65容积效率出现下降趋势，表示频率降低，泄露增加。在负荷率16 %以下，变频变容转子压缩机H80凭借单缸小排量高频率的优势，使容积效率提升至90 %左右；同一工况（工况3）下，其单缸制冷量明显高于双缸，容积效率也突破常规转子压缩机限制，进一步提高。

3.2 性能测试结果分析

多联机用压缩机一般采用变频技术降低频率，保证不停机状态下的低冷量输出。而变频技术的应用不论是在省电方面还是在提高房间舒适性方面均有一定效果。但随着运行频率的降低（即转速的降低），压缩机的能效依然会下降。当运行频率已降至最低，输出最小冷量依然过大时，仍只能选择停机再启动。

有研究表明[7]，变频涡旋压缩机在低转速下的压缩性能欠佳，主要原因为低转速引起的内压力降低导致的泄漏量增大，与图3～5实验结果吻合。变频涡旋压缩机A72在低负荷工况下的能效远低于变频转子压缩机B65及H80，其主要原因在于容积效率的大幅降低。

而转子压缩机的低频内泄漏虽不如涡旋压缩机一般严重，但转速降低带来的泄漏量仍不可忽视。转子压缩机主要利用结构紧凑的各部件间的配合间隙的油膜密封来防止泄漏[8]。降低转速不利于油膜的形成与密封。同时，低转速低负载也会导致电机效率的下降以及损耗的增加。

在低负荷工况下，变容技术的优势主要表现在两方面：

1）与常规双转子压缩机相比，卸载其中一个气缸可以拓宽变容压缩机的冷量输出范围，即同排量同频率情况下，变容压缩机单缸输出冷量为常规压缩机的一半以下，可真正实现低负荷不停机。

2）同冷量输出下，相较于常规双转子压缩机，变容压缩机可通过卸载其中一个气缸降低排量方式提高运行频率，加大转速。一方面，随着转速升高，油膜更易生成。良好的油膜状态会使密封性增强，压缩机内泄露减少，进而提升容积效率。另一方面，随着转速的增加，电机效率会出现提升。当负荷率处于16 %以下时，对比H80和B65压缩机的容积效率和能效可发现，能效提升幅度更大。除去泵体摩擦损耗降低，提升部分应为电机效率的提升。故如图3所示，在负荷率16 %以下，变频变容转子压缩机H80单缸运行频率高于变频转子压缩机B65，能效大幅提升。

4 结论

本文对应用于同一多联机系统的不同压缩机进行了低负荷性能测试，分析了低频低负荷对压缩机性能的影响，并得出如下结论：

1）多联机用变频涡旋压缩机、变频转子压缩机及变频变容转子压缩机在中高负荷下性能差异不大，涡旋压缩机有一定优势。

2）在低负荷工况下转子压缩机性能显著优于涡旋压缩机，主要是变频转子压缩机低频容积效率高于涡旋压缩机。

3）变容压缩机可以通过容积和频率同步调节，有效提升压缩机的容积效率和电机效率，从而提升低负荷能效并拓宽冷量输出范围。

因此，若多联机系统应用于长期处于中高负荷下运行的商用场合，选用涡旋压缩机具有一定的优势；若应用于长期处于低负荷下运行的家用及办公等场合，应优选变频转子压缩机，变频变容转子压缩机在此种场合下的能效和能力输出范围都具有显著的优势。