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浅谈数码涡旋技术在空调系统节能中的应用 |
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作者：永洪 郑学林 卢士勋 |
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前言
2004年9月16日，期待已久的空调能耗新标准终于公布，并于2005年3月1日实施。未来的空调产品能否达标，新标准为其划出一条底线——最佳能耗比2.6，即能耗比低于2.6的空调产品将不再允许在市面销售。空调系统的节能已经刻不容缓，而变容量技术一直以来都是空调节能的热点。本文将介绍一种新的变容量技术—数码涡旋技术及其应用。
自2002年数码涡旋压缩机开始供应中国市场以来，数码涡旋技术目前已经在家用中央空调系统、商用多联机系统、风管机系统、冷水机组、机房空调系统及北方地区热泵系统中得到广泛应用，其技术优点相当明显。
1 数码涡旋压缩机变容量控制原理
艾默生环境优化技术事业部研发生产的数码涡旋压缩机利用“轴向柔性”技术，“轴向柔性”允许涡旋盘在轴向可以移动非常小的距离，确保涡旋盘始终以最佳的力进行工作。使得两个涡旋盘在任何运行环境下紧密结合在一起，保证涡旋压缩机有很高的能效比。数码涡旋的控制循环周期包括一段“负载期”和一段“卸载期”。负载期间，涡旋盘如图1（a）所示，压缩机像常规涡旋压缩机一样工作，传递全部容量，压缩机输出为100%。卸载期间，由于压缩机的柔性设计，使两个涡旋盘在轴向有一个微量分离（如图1（b）所示），因此不再有制冷剂通过压缩机，压缩机输出为0。这样，由负载期和卸载期的时间平均便确定了压缩机的总输出平均容量。
数码涡旋压缩机一个工作“周期时间”包括“负载状态”时间和“卸载状态”时间，这两个时间的不同组合决定压缩机的容量调节。通过改变这两个时间，就可调节压缩机的输出容量（10%～100%）。
图1b：数码涡旋压缩机加载与卸载状态
所谓“周期时间”包括“负载状态”时间和“卸载状态”时间。这两个时间阶段的组合决定压缩机的容量调节。例如：在20s周期时间内，若负载状态时间为10s，卸载状态时间为10s，压缩机调节量为(10s×100％+10s×0％)／20=50％ 。若在相同的周期时间内负载状态时间为15s而卸载状态时间为5s，则压缩机调实量为75％，容量为负载状态和卸载状态时间平均的总和。通过改变负载状态时间和卸载状态时间，压缩机就可以实现任意大小的容量（10％～100％）。周期时间的概念如图2所示。
图2 周期时间的概念
2 数码涡旋技术的优点
2．1 容量范围广、温控精确、调温快
数码涡旋压缩机的运行范围可以从10％ 到100％，并且在这一范围内的输出是连续的和无级的，与变频技术的分级输出容量相比是一大改进。提供无级的容量输出的同时保证了房问温度的控制精度可以大大提高（±0.5℃）。由于数码涡旋系统可通过改变负载和卸载周期时间迅速将容量从100％降到10％（反之亦然0，所以它能比别的系统快得多地对系统需求地变化作出反应。
2．2 优良的季节能效比
数码涡旋压缩机的性能经过JIS和ARI的标准的评价，证明具有非常出色的SEER。大范围的容量调节可以提高压缩机的季节能效比。
2．3 良好的回油控制
数码涡旋是唯一不需要油分离器或回油循环的系统。有两个因素使回油容易。第一，油只在负载周期内离开压缩机。所以，在低容量情况下，离开压缩机的油极少。第二，由于压缩机在负载周期内满负荷运行，负载周期内的气体速度足以使油回至压缩机。试验显示压缩机在最差的条件下，即100m 配管长度，30m 垂直落差且室内机、室外机位置可互换(有正常的回油弯)，负荷最低时都可以使润滑油回到压缩机。
2．4 卓越的除湿性能
除湿性的好坏也是保证用户舒适性的一个关键，尤其是在低负荷运行时。数码涡旋压缩机提供了非常好的除湿性，因为它与变频系统相比具有较低的吸气压力。在任一百分比容量调节，负载状态时压缩机全负荷运行，全负荷运行将导致较低的平均吸气压力，得到较低的显热比。
2．5 电磁干扰非常小，无电磁污染问题
数码涡旋系统产生非常小的电磁干扰，因为涡旋盘的负载和卸载只是一个简单的机械操作。这一独特的性能不仅使数码涡旋系统不需要昂贵的电磁抑制电子装置，也增加其可靠性和简易性。
2．6 无需制冷剂旁通
大多数现行技术选用热气旁通和液体旁通装置。因压缩机不能达到极低的容量。所以需要这些旁通管保护装置。数码涡旋系统能使容量低至10％，所以无需这些旁通管，因而节省了开支并使系统简化。
3 数码涡旋技术在多联机中的应用及节能措施
据一项在上海及周边地区的调查分析，多联机、风管机、冷热水机组、单元式机组分别占到此类市场的70％、13％、12％、5％。2004年上海市场多联机市场容量在10亿元左右。可以很明显地看出，多联机已经明显占据主导地位。
目前，国际上单冷媒多联系统主要有变频多联系统和变容多联系统。变频多联系统起步较早，而变容多联系统是最新发展起来的高新技术，能够很好地解决容量调节等问题，成为了单冷媒多联系统的发展方向。
在室内机和室外机的外形方面，数码变容多联机和变频多联机没有太大的不同，但在容量调节方面，两者有本质的区别。变频多联机通过改变压缩机的频率来调节，而数码变容多联机则通过数码变容压缩机容量的改变来调节。数码变容多联机能够满足人们对空调任意调节、精确控制的要求，具有节能、舒适、噪声低、使用灵活等一系列优点。
数码多联中央空调集一拖多技术、智能控制技术、多重健康技术等多种高新技术于一身。在节能技术方面主要采用的数码变容涡旋压缩机技术、双压缩机技术、制冷剂直接输送技术、制冷剂的智能分配技术、风机调速技术等。
3．1 数码涡旋压缩机技术
数码涡旋压缩机实现容量调节的内部结构及过程前面已经作了详细的介绍，这里不再说明。数码涡旋压缩机可以在10％和100％的范围内，输出任意大小的容量（无级输出)。
3．2 双压缩机技术
对容量稍大的机组采用两个压缩机（一个数码变容涡旋压缩机，一个定容涡旋压缩机)。采用两台压缩机并联，有以下优点：（1）有效的容量控制，小于数码涡旋压缩机的容量时，只需启动数码涡旋压缩机，大于数码涡旋压缩机的容量时，启动定容涡旋压缩机和数码涡旋压缩机；（2）提高可靠性，较单台大压缩机停开次数减少；（3）启动负荷降低，单台压缩机的启动时间可以分别用时间延迟方法分开；（4）备用性，如果一台压缩机损坏，还有部分容量；（5）置换费用减少，如果一台压缩机损坏，可花较少的费用去更换压缩机。
直接输送制冷剂技术
系统直接以制冷剂作为传热介质。传送的热量几乎是水的10倍、空气的20倍，而且不需庞大的风管和水管系统，减少了输送耗能及冷媒输送中能量损失。表1是几种传热介质性能比较表。表1是几种传热介质性能比较表
种类 | 利用热 | 输送冷量kJ/kg | 输送100kW冷量时耗能 | 水 | 显热 | 20.1 (△t=5℃) | 4.05 | 空气 | 显热 | 10.1(△t=10℃) | 6.38 | 制冷剂 | 潜热 | 206 | 2.16 |
由表1可知，同样输送100kW的冷量。以制冷剂作为输送介质，所需的输送系统耗能仅为室内风机所耗的2.16kW分别是以水和空气作为传热介质所需能耗的52.7%和33%由于采用制冷剂直接蒸发制冷，没有传统中央空调系统先把冷量传递结水，
再由冷水传给室内空气这一中间过程，减少了一个能量传递环节，从热量传递的网络图上看就是减少了一项传热热阻，当然也就减少了能量的损耗。
3．4 制冷剂的智能分配技术
数码变容量压缩机加电子膨胀阀组成的制冷系统，可实现大范围内流量的调节，以适应整体负荷的变化。通过电子膨胀阀的制冷剂流量由以下两个因素决定：（1）蒸发器进口和出口的温差；（2）室内温度和空调设定温度的温差。室内电子膨胀阀是一个反馈元件。在使用电子膨胀阀进行流量调节时，一般有以下两种方法：一是控制蒸发器出口的真实过热度，用一只压力传感器和一只温度传感器置于出口处，分别检测蒸发器出口处的压力p2和温度t2，p2为蒸发压力pe，换算pe对应的制冷剂饱和温度即蒸发温度te，再计算温差△t=t2-te，将其作为控制参数，见图4(a)；另一种情况是用两只温度传感器分别检测制冷剂在蒸发器进口和出口的温度t1和t2，计算温差△t=t1-t2，并以其为控制参数，见图4(b)。△t的数值决定了电子膨胀阀的开度，即控制过热度，通过电子膨胀阀的调节使蒸发器始终保持最佳状态。
图4 电子膨胀阀控制过热
电子膨胀阀按理想方式分配各个房间的制冷剂流速，由模糊控制将舒适度调整至最佳，通过图5空调系统得到蒸发器进口和出口温差，再加上室温和设定温度的温差，计算出过热量和室温状态，然后启动阀门来控制制冷剂流量。通过对电子膨胀阀开度的控制可以实现制冷剂在各室内机蒸发器的智能分配。
图5 电子膨胀阀对制冷剂流量的控制
3．5 风机调速技术
数码多联机组可以实现能量10%～100%范围内的无级变换，随着室内负荷的降低，室外冷凝器的能力变得很大，为实现节能和系统的合理匹配，室外换热器的风机采用调速技术。
4 节能效果分析
4．1 能效比
数码多联机组由于采用了数码涡旋压缩机等新技术措施，系统具有很高的部分负荷能效比.三星某数码多联机组能效比的测试结果见图6，从图不同机组的能效比比较可以看出，在整个运行过程中三星DVM空调系统的能效比都要高于传统的整体空调系统。
4．2 运行费用
数码多联机组具有高能效比和高季节能效比，系统运行时可以大幅度节约能源和运行能源费用。从表2可以看出，与冷水机组相比，数码多联机组可以节约费用21%，与整体系统相比，数码多联机组可以节约费用48%。表2的比较进一步说明了数码多联机组具有优良的节能潜力。表2运行费用比较
项目 | 三星DVM系统 | 冷水机组 | 整体系统 | 能耗，kW | 44.2×0.8数码涡旋压缩机 | 43×1.0 | 52.5×1.0 | 月能耗，kWh | 12906 | 15695 | 19162 | 年能耗（一年运行6个月），kWh | 77436 | 94170 | 114972 | 一年费用，US￥ | 5575 | 6780 | 8277 | 三年费用，US￥ | 10726 | 20340 | 24833 | 五年费用，US￥ | 27877 | 33900 | 41389 | 费用比较 | 100％ | 121％↑ | 148％↑ |
*热负荷：104.67kW
*总面积：750㎡
*运行时间：夏季和冬季各运行三个月5 结论
（1）数码多联机具有节能、舒适等一系列优点，是中央空调的一个很有潜力的发展方向。
（2）容量调节系统在市场上的需求正呈现出快速增长的势头，数码涡旋是这一领域内一个很好的选择。数码涡旋系统提供了独特的优点，低负荷时更好的除湿性能，宽容量调节范围，长连管也能保证正常回油，使用简单，系统元件少，没有电磁干扰问题，因此，谷轮数码涡旋技术能设计出可靠、节能、简单的空调系统。
（3）数码多联机采用了数码变容涡旋压缩机技术、双压缩机技术、制冷剂直接输送技术、制冷剂的智能分配技术、风机调速技术等多项节能技术，具有高能效比、节能的特点。与水系统比较，可节约运行费用20%与传统整体系统比较，可节约运行费用48% 。
参考文献：
【1】吴业正,韩宝琦. 制冷原理与设备[M].西安:西安交通大学出版社,1997.
【2】廖全平,李红旗. 涡旋变频压缩机. 流体机械, 2002,30(2): 35一37.
【3】张智力,吴喜平. VRV空调系统节能因素分析. 能源技术, 2002年23(2): 59一61.
【4】金培耕,伍光辉. MDV系统在建筑物节能中的应用. 制冷与空调, 2002, 2(l): 41一44.
【5】薛勃,顾中平,黄国强等. 电子膨胀阀在小型中央空调系统中的应用研究.制冷与空调2002,2. (end)
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(6/12/2006) |
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