采用可变内容积比技术的螺杆压缩机在冰蓄冷空调系统中的应用.doc

采取可变内容积比技术螺杆压缩机
在冰蓄冷空调系统中应用

一、 序言

现在, 伴随中国经济快速发展, 以及用电紧缺和电力需求不平衡问题, 对节能技术发展不停提出新要求。据估算, 办公和商业建筑中空调系统电力消耗占全楼能耗36%左右。冰蓄冷技术作为电力削峰技术和负荷管理技术结合, 能有效将空调系统用电从高峰期转移至非高峰期, 结合国家或地方相关政策激励, 如分时电价等, 对电力削峰填谷、 平衡用电需求, 将给用户和电力企业带来很大经济效益和社会效益。

在冰蓄冷系统中, 制冷机组夜间在低温下制冰将冷量储存起来, 白天运行在空调工况下用于补充空调供冷, 相比常规空调系统, 必需确保制冷压缩机不管在空调工况还是制冰工况均能确保良好工作效率, 才能更有效实现冰蓄冷系统降低能耗和节省电费最终目。基于此, 约克企业将可变内容积比螺杆式压缩机技术应用到冷水机组设计中, 使冰蓄冷系统能达成更优节能节电效果。

二、 可变内容积比压缩机工作原理和特点

对于一个给定制冷系统, 其压缩比是由以下公式确定:

CR = Pd / Ps （1）

其中, CR = 制冷系统压缩比
Pd = 系统排气压力
Ps = 系统吸气压力

而对于一个近似等熵压缩过程, 压缩机本身设计压缩比可由以下公式确定:

Pi = Vik （2）

其中, Pi = 压缩机设计压缩比, 为压缩机排气压力和吸气压力之比
Vi = 压缩机设计内容积比, 为压缩机吸气容积和排气容积之比
k = 制冷剂气体常数, 为制冷剂气体定压比热和定容比热之比

所以, 对一个给定制冷工况在选择压缩机时候, 应尽可能选择其设计压缩比靠近或等于制冷系统压缩比压缩机, 即

Pi = CR （3）

这么, 压缩机在运行时, 就可避免压缩机压缩比和系统压缩比不匹配而产生欠压缩和过压缩情况, 从而使系统在设计工况下达成最高运行效率。

通常对于采取滑阀调整能量双螺杆压缩机来讲, 径向排气口位置位于滑阀排气端。较短长度滑阀则其内容积比较小, 压头也较低; 而较长长度滑阀则其内容积比较大, 压头也较高。所以, 对于一个双螺杆压缩机, 经过设计不一样滑阀长度来改变排气口位置, 就能够改变压缩机内容积比。对于常规空调系统, 因为冷水机组基础上是在不变出水温度下运行, 所采取螺杆压缩机都是按固定内容积比来设计, 其滑阀长度是根据最常运行标准空调工况来设计。
滑阀
排气
吸气

低Vi固定内容积比压缩机
滑阀
排气
吸气

高Vi固定内容积比压缩机

图1 固定内容积比压缩机滑阀示意图

图1显示了固定内容积比压缩机其内容积比和滑阀长度关系情况。那么, 可变内容积比压缩机就是将滑阀行程固定端换成一个可移动滑块（图2）, 使得对压缩机排气口位置可经过滑块位置移动进行调整, 以改变压缩机内容积比即压头。这么, 就可随时依据制冷系统吸气压力和排气压力改变来调整压缩机内容积比, 从而使压缩机压缩比时刻于系统压缩比相匹配。
滑阀
可移动
滑块
排气
吸气

低Vi 高Vi

图2 可变内容积比调整

美国供暖制冷空调工程师学会（ASHRAE）手册“系统和设备”篇第35章第19节给出了双螺杆压缩机在不一样内容积比条件下随系统压缩比改变效率曲线, 以R22为例, 其效率曲线如图3:

图3 双螺杆压缩机效率曲线

图3表明, 在系统压缩比改变范围较大情况下, 可变内容积比压缩机效率曲线包络了固定内容积比压缩机效率最高点。另外, 可变内容积比还含有以下优点:
l 油分离器中泡沫较少（无过压缩）
l 夹带入制冷系统中油较少（认为油分离器中油泡沫较少）
l 延长了轴承寿命, 使轴承上负载最小
l 带经济器口时可调整来自经济器闪蒸气体量以及来自吸气端气体量, 扩大了压缩机高效运行范围
l 噪音低
l 排气温度及油冷却器排热量较低

可变内容积比压缩机实际系统运行经验表明, 吸气或冷凝压力改变越大, 可变内容积比压缩机就越有利。依据应用场所、 制冷剂种类以及系统运行工况, 其效率提升可达30%。

约克集团全资子企业FRICK是美国最大螺杆机制造商之一, 现在FRICK生产RWF、 RWBII等系列压缩机都配置了约克专利可变内容积比技术。

三、 冰蓄冷空调系统中冷水机组工作特点

对于常规空调系统, 冷水机组冷冻水出水温度通常是不变, 如7C。而对于冰蓄冷空调系统来说, 通常冷水机组在夜间提供较低蒸发温度盐水（如-5~-8C）用于制冰, 而在日间则提供较高温度盐水（5~8C）用于补充融冰供冷不足。那么, 对于蓄冰空调系统压缩机吸气温度在一个制冰、 融冰周期改变情况如图4:

图4 冰蓄冷系统中压缩机吸气温度改变图

能够看出, 在二十四小时周期内压缩机吸气温度总是在改变, 所以压缩机压头也总是在改变。除了吸气温度改变之外, 在日间和夜间以及不一样季节和天气情况, 冷却塔提供冷却水温度也在常常改变, 使得压缩机冷凝温度也不停改变。在这种情况下, 为使得压缩机能适应较宽范围内压头改变, 同时确保较高压缩机运行效率, 就不应该采取固定压缩比压缩机。

鉴于此, 最适合冰蓄冷系统压缩机应是可变压头螺杆式压缩机, 而不应是压头不变离心式压缩机。

而最节能螺杆式压缩机是配有可变内容积比设计压缩机。和自动滑阀控制一起, 可变内容积比螺杆压缩机不仅可满足多种负载改变, 还能够改变内容积比, 方便在不一样工况下和部分负荷时降低能量消耗和降低运行费用。

以相同制冷量为例, 对采取不一样类型压缩机冷水机组在空调工况和制冰工况下能耗比较以下表:

带可变内容积比螺杆压缩机
固定内容积比螺杆压缩机
离心式压缩机
KW/TON
NPLV
KW/TON
NPLV
KW/TON
NPLV
制冰工况
（-6C出水）
0.885
-
0.914
-
0.973
-
空调工况
（7C出水）
0.634
0.367
0.634
0.492
0.650
0.525
注: 1、 冷却水入口温度为32C, 载冷剂为27%重量浓度乙二醇溶液
2、 NPLV是部分负荷性能指数(KW/TON), 它是由以下公式计算得到:

其中, A – 100%负荷时单位能耗KW/TON
B – 75%负荷时单位能耗KW/TON
C – 50%负荷时单位能耗KW/TON
D – 25%负荷时单位能耗KW/TON

由上表能够看出, 螺杆机和离心机组相比, 不管在制冰工况和空调工况满负荷情况下, 还是在部分负荷情况下, 螺杆式冷水机组效率都远远优于离心式冷水机组。深入, 采取可变内容积比螺杆式压缩机冷水机组在制冰时与固定内容积比压缩机冷水机组相比效率提升3%以上, 而在空调工况下部分负荷性能则提升30%, 若考虑夜间冷却水温度降低, 则可变内容积比螺杆压缩机效率还会更优于固定内容积比螺杆压缩机。

四、 采取可变内容积比技术螺杆式冷水机组

基于可变内容积比螺杆压缩机在优越变工况和部分负荷性能, 这类型压缩机在国外很多冰蓄冷项目上得到广泛应用。在北京中关村西区冰蓄冷项目中, 也采取了约克三套双工况组装式盐水机组, 使用FRICK可变内容积比双螺杆式压缩机, 其单机空调工况供冷量超出TR, 制冰工况供冷量达1500TR左右。

基于冰蓄冷系统特点, 约克企业采取FRICK可变内容积比压缩机, 专为中国冰蓄冷市场开发研制出了标准YLBC系列大冷吨双工况盐水机组。除了节能方面, 它还含有以下显著特点:

图5 约克YLBC双工况盐水机组

l 工业级压缩机设计, 可靠性高
l 可达-8C盐水出口温度, 满足不一样蓄冰装置温度要求
l 专利可变内容积比无级控制, 使得机组在任何工况下和部分负荷时均在效率最高点运行
l 100%~10%滑阀无级能量调整, 可适应负荷改变较大场所
l 开式电机设计, 安全可靠; 经过D法兰与压缩机连接, 安装和对中更为简便
l 压缩机专为无需润滑油泵运行而设计, 降低了故障率
l 换热器采取高效强化换热管, 提升换热效率, 降低结垢率, 节省维护费用
l 工厂组装好机组结构紧凑, 占地面积小, 现场只需接水接电即可开机
l 优异微电脑控制面板, 采取飞跃芯片和彩色图像显示, 功效强大, 并带有多个通讯协议, 可与楼宇系统或PLC系统相连。

《参考文件》略