通過對(duì)變頻渦旋壓縮機(jī)和數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)從工作原理上進(jìn)行分析，指出了各自適合的，并對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上流行的變頻和數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)組進(jìn)行了綜合比較，闡述了這兩種工業(yè)冷水機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)和不足，最后指出了進(jìn)一步研究和推廣兩種工業(yè)冷水機(jī)需要解決的問題。
隨著我國工業(yè)發(fā)展水平的提高，高精度高節(jié)能的工業(yè)冷水機(jī)已經(jīng)不再是一種奢侈品，早已走入人們生活的各個(gè)場(chǎng)所。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)冷水機(jī)的耗電已占整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)用電量的10%以上，而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，比例會(huì)逐漸提高。因此，對(duì)于工業(yè)冷水機(jī)而言，如何提高系統(tǒng)的效率已顯得越來越重要。這一要求使得開發(fā)可變?nèi)萘康墓I(yè)冷水機(jī)成為當(dāng)前的潮流。可變?nèi)萘抗I(yè)冷水機(jī)有很好的發(fā)展市場(chǎng)。
迄今為止用于調(diào)節(jié)容量的壓縮機(jī)技術(shù)真正主導(dǎo)市場(chǎng)的只有變頻和數(shù)碼渦旋技術(shù)兩種，分別采用兩種完全不同的方式進(jìn)行壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)，由此帶來了它們?cè)谠S多方面的差異。1978 年，日本部分公司提出變頻空調(diào)的概念，由于變頻空調(diào)具有許多優(yōu)點(diǎn), 因此很快進(jìn)入了發(fā)達(dá)國家的市場(chǎng)。而后 “海爾”、“美的”、“格力”等公司也相應(yīng)推出了變頻空調(diào)產(chǎn)品，并有代替目前使用的單頻空調(diào)的趨勢(shì)[2]。1990 年初，隨著渦旋壓縮機(jī)被研制出來，空調(diào)系統(tǒng)的容量改變方式也得到很大發(fā)展[3]。全球最大的渦旋壓縮機(jī)廠 Corpland 公司于1993年提出了數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)，在工業(yè)制冷設(shè)備行業(yè)，香港安格斯集團(tuán)（深圳市安格斯機(jī)械有限公司）于2010年8月完成了高精度高節(jié)能數(shù)碼渦旋工業(yè)冷水機(jī)的樣機(jī)測(cè)試，計(jì)劃于2011年全面推出 該款機(jī)型。
以下對(duì)數(shù)碼渦旋和變頻渦旋兩種工業(yè)冷水機(jī)做了比較，分析它們各自的優(yōu)勢(shì)及不足。
2 變頻渦旋與數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的工作原理
渦旋變頻壓縮機(jī)由于采用了變頻器（工作原理如圖1所示）, 因此其轉(zhuǎn)速隨頻率變化而產(chǎn)生不同的輸氣量，從而使制冷、制熱量增大或減小。當(dāng)今全封閉變頻壓縮機(jī)的變頻調(diào)節(jié)有交流變頻和直流變頻兩種方式。交流變頻壓縮機(jī)一般指壓縮機(jī)動(dòng)力采用交流異步電機(jī)，由變頻器向電動(dòng)機(jī)定子側(cè)線圈提供三相交流電流、產(chǎn)生回轉(zhuǎn)磁場(chǎng),從而在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生了二次電流, 因回轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和二次電流產(chǎn)生的電磁作用而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)。直流變頻壓縮機(jī)一般指壓縮機(jī)動(dòng)力采用直流無刷電機(jī)，即BLDC電機(jī)。工作時(shí),定子通入脈沖直流電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永久磁鐵的磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩,達(dá)到一定轉(zhuǎn)速[5]。此外，大功率變頻壓縮機(jī)逐漸引入更先進(jìn)的變頻控制方式，壓縮機(jī)采用永磁同步調(diào)速電機(jī)，即PMSM電機(jī)。它們都通過將頻率電壓不可控的市電經(jīng)過整流逆變等電力電子變換得到頻率電壓可控的電源驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制壓縮機(jī)吸排氣量和能力輸出[6]。
圖1 變頻控制器工作原理圖
數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)（圖2）利用渦旋壓縮機(jī)的軸向柔性技術(shù)，動(dòng)靜渦盤能沿軸向脫離分開一段距離實(shí)現(xiàn)加載與卸載，即數(shù)碼 0和 1 的轉(zhuǎn)變（圖3）[1]。當(dāng)動(dòng)靜渦盤處于密封狀態(tài)時(shí)，壓縮機(jī) 100％運(yùn)行；當(dāng)動(dòng)靜渦盤軸向脫離時(shí)，壓縮機(jī)吸－排氣腔導(dǎo)通，壓縮腔內(nèi)無壓縮，即壓縮機(jī)電機(jī)雖然運(yùn)轉(zhuǎn)，但壓縮機(jī)不作功。通過組合 0 和 1 狀態(tài)的時(shí)間，即可實(shí)現(xiàn)任意比例的能力輸出。 圖2數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)如下圖
圖3調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如下圖
2 當(dāng)電磁閥處于常閉位置時(shí)，活塞上下側(cè)的壓力為排氣壓力，有一彈簧確保兩個(gè)渦盤共同加載。電磁閥通電時(shí)，調(diào)節(jié)室內(nèi)的排氣被釋放低壓吸氣管，它導(dǎo)致活塞上移，頂部渦盤也隨之上移。該動(dòng)作使兩渦旋盤分隔，這樣無制冷劑流量通過渦旋盤；外接電磁閥斷電時(shí)，再次使壓縮機(jī)滿載，恢復(fù)壓縮機(jī)操作。動(dòng)靜渦盤分離間距的幅度值約 1.0mm。
3、變頻和數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)在工業(yè)冷水機(jī)中的主要應(yīng)用方案 3.1 變頻渦旋壓縮機(jī)在工業(yè)冷水機(jī)中的主要應(yīng)用方案
3.1.1 工業(yè)冷水機(jī)
工業(yè)冷水機(jī)是渦旋變頻壓縮機(jī)應(yīng)用的主要形式之一，它主要以風(fēng)冷式變頻工業(yè)冷水機(jī)、水冷式變頻工業(yè)冷水機(jī)等形式應(yīng)用于工業(yè)冷水機(jī)系統(tǒng)中。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓縮機(jī)回油良好、控制方案簡(jiǎn)單、壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)等方面
3.1.2 熱泵低溫制熱運(yùn)行
在我國北方冬季采暖季節(jié)隨著環(huán)境溫度的降低，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)的制熱量會(huì)迅速降低，而需求制熱量卻大大增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)無法滿足冬季人們的實(shí)際需求。同時(shí)，外界溫度的下降，使系統(tǒng)的COP急劇降低，而壓縮比越來越大，壓縮機(jī)的排氣溫度迅速升高，導(dǎo)致壓縮機(jī)的損壞。由于變頻壓縮機(jī)可以超頻運(yùn)行，所以可通過提高渦旋變頻壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率, 增加壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的排氣量,從而使更多地制冷劑參與循環(huán)，以緩解熱泵在低溫環(huán)境下制熱性能衰減問題。
3.2 數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)在工業(yè)冷水機(jī)中的主要應(yīng)用方案
目前數(shù)碼渦旋工業(yè)冷水機(jī)的功率范圍為3匹~30匹，從數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的功率范圍可以看出,它主要應(yīng)用于高精度高節(jié)能型工業(yè)冷水機(jī)中。
4、變頻和數(shù)碼多聯(lián)空調(diào)機(jī)組的性能比較
機(jī)組運(yùn)行范圍及調(diào)節(jié)性能
目前，變頻壓縮機(jī)運(yùn)行范圍一般為30~115Hz。在高頻段，變頻壓縮機(jī)可以進(jìn)一步提升運(yùn)行頻率的方式，使變頻壓縮機(jī)輸出超過其額定能力。總體上看，變頻壓縮機(jī)可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的48%~104%之間[7]。其能量調(diào)節(jié)須考慮到壓縮機(jī)頻率調(diào)整所需的時(shí)間，由于變頻壓縮機(jī)本身的動(dòng)態(tài)特性限制，在調(diào)整能量時(shí)應(yīng)小于一定的速度，故調(diào)節(jié)為分步，分階段調(diào)節(jié)。
數(shù)碼壓縮機(jī)在全負(fù)荷時(shí)輸出能力為100%，不能實(shí)現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)行。在低負(fù)荷輸出階段，理論上數(shù)碼壓縮機(jī)可以達(dá)到無限低的輸出能力，但在實(shí)際機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)要考慮負(fù)荷階段所需的最少時(shí)間及卸/負(fù)載周期過長(zhǎng)導(dǎo)致的負(fù)面作用。數(shù)碼壓縮機(jī)要求負(fù)載時(shí)間不少于2.5s，以保證壓縮機(jī)具有穩(wěn)定的輸出能力，在此基礎(chǔ)上要求壓縮機(jī)卸/負(fù)載周期不大于30s，避免機(jī)組參數(shù)有過大的波動(dòng)。一般情況下定義數(shù)碼壓縮機(jī)可調(diào)節(jié)范圍位于其額定能力的17%~100%之間[7]。由于數(shù)碼壓縮機(jī)通過調(diào)節(jié)卸/負(fù)載周期達(dá)到在瞬間調(diào)整輸出能力的目的，故其能量調(diào)節(jié)為數(shù)字化連續(xù)能量調(diào)節(jié)。
由于壓縮機(jī)具有以上不同的特性，導(dǎo)致兩種多聯(lián)空調(diào)機(jī)組有不同的特性。當(dāng)室內(nèi)能力需求增加，變頻機(jī)組可進(jìn)行壓縮機(jī)的超頻運(yùn)行以增加制冷或制熱能力，當(dāng)整機(jī)能力需求很少時(shí)，變頻機(jī)組由于其壓縮限制，必須維持在一個(gè)較高的輸出能力，從而導(dǎo)致維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的困難程度增加以及消耗過多的能源。而數(shù)碼機(jī)組從輸出能力的能力上不具備超負(fù)荷運(yùn)行的特性，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于其壓縮機(jī)可以低至其額定輸出能力的17%，基本可以滿足機(jī)組運(yùn)行的最小負(fù)荷的要求[8]。在能量調(diào)節(jié)方面，數(shù)碼壓縮機(jī)的連續(xù)無級(jí)調(diào)節(jié)可以更加嚴(yán)格的控制室內(nèi)溫度，與變頻技術(shù)相比是一個(gè)提高,變頻渦旋壓縮機(jī)只能達(dá)到分步分階段調(diào)節(jié),如圖4。 
圖4 數(shù)碼渦旋與變頻系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)的比較
能效比
能效比(EER)是衡量工業(yè)冷水機(jī)性能優(yōu)劣的重要參數(shù),它的高低直接反映工業(yè)冷水機(jī)的節(jié)能效果。數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)與變頻工業(yè)冷水機(jī)的能效比如圖5所示。
圖5 不同制冷能力數(shù)碼與變頻系統(tǒng)能效比
從圖5可以看出, 從總體上數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)由于采用容量調(diào)節(jié)范圍大,又可數(shù)字化連續(xù)調(diào)節(jié)能量的數(shù)碼渦旋壓縮機(jī),其在不同制冷能力下能效比較應(yīng)用變頻渦旋壓縮機(jī)的變頻工業(yè)冷水機(jī)要高.特別當(dāng)制冷能力高于15(KW)時(shí),變頻工業(yè)冷水機(jī)的能效比劇烈下降而數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)略有上升。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的主要原因在于壓縮機(jī)的區(qū)別，限于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造和變頻器控制性能，設(shè)計(jì)變頻壓縮機(jī)時(shí)一般會(huì)保證額定頻率段頻率最高并兼顧整個(gè)可運(yùn)行頻率范圍。所以，一般的變頻工業(yè)冷水機(jī)在輸出適中的制冷能力時(shí)具有最佳的能效比,高于一定范圍能效就會(huì)下降。相對(duì)于變頻壓縮機(jī)，數(shù)碼壓縮機(jī)采用控制壓縮機(jī)卸載和負(fù)荷的時(shí)間比例來進(jìn)行輸出調(diào)節(jié)，因此數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)能效比隨輸出的制冷能力的增加而增加,當(dāng)輸出減少時(shí)能效比緩慢下降。
啟動(dòng)及運(yùn)行特性
數(shù)碼壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電流相對(duì)較大，等同于普通壓縮機(jī)的啟動(dòng)特性。由于數(shù)碼壓縮機(jī)的周期卸/負(fù)載特性，數(shù)碼空調(diào)機(jī)組在運(yùn)行的大部分區(qū)間里，各項(xiàng)主要參數(shù)如高壓、低壓、排氣溫度等都呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，從而給數(shù)碼機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行增添了一定的難度。
變頻壓縮機(jī)與數(shù)碼壓縮機(jī)在啟動(dòng)及運(yùn)行特性方面有較大的不同。變頻機(jī)組在啟動(dòng)過程中采用變頻壓縮機(jī)低頻啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較小，對(duì)電網(wǎng)基本沒有沖擊，有利于保證電網(wǎng)的穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，壓縮機(jī)輸出功率一定，系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)都處于穩(wěn)定狀態(tài)。
回油
回油是多蒸發(fā)器變轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)主要問題[9]。當(dāng)變頻空調(diào)機(jī)組處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，變頻壓縮機(jī)處于低頻狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速減緩，在一定頻率下，制冷劑將沒有足夠的流速帶動(dòng)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油從系統(tǒng)中回到壓縮機(jī)，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，壓縮機(jī)油位可能降至一個(gè)危險(xiǎn)的水平，這就要求變頻機(jī)組必須依靠油分離器或復(fù)雜的回油循環(huán)回油，以保證壓縮機(jī)的正常油位。
數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)是一種獨(dú)特的壓縮機(jī)，理論上它無需油分離器或回油循環(huán)。數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)靠外接電磁閥的開閉控制壓縮機(jī)的卸負(fù)載，在卸載周期內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速幾乎為零，離開壓縮機(jī)的油很少；在負(fù)載周期內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流速接近滿負(fù)荷流速，足以使管路內(nèi)的油回到壓縮機(jī)。故相對(duì)于變頻工業(yè)冷水機(jī)，數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)回油更加容易。
電磁干擾
電磁干擾是變頻工業(yè)冷水機(jī)的一個(gè)主要問題。變頻工業(yè)冷水機(jī)中的變頻壓縮機(jī)須采用大功率整流和逆變器件，在電壓整流和逆變過程中，電壓、電流發(fā)生劇變，產(chǎn)生高頻電磁噪聲，會(huì)對(duì)電網(wǎng)和工廠電器產(chǎn)生干擾作用。在世界上許多國家，尤其在歐洲，對(duì)任何系統(tǒng)可能散發(fā)的電磁干擾量有嚴(yán)格的限制。由于數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的加載和卸載是機(jī)械操作，數(shù)碼渦旋系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾可忽略不計(jì)，具有更好的電磁兼容性，可用于通訊機(jī)房等精密場(chǎng)所，適應(yīng)性更廣。
可靠性
工業(yè)冷水機(jī)的可靠性是研究開發(fā)的一個(gè)重要方面，在變頻工業(yè)冷水機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，電子控制裝置一般很復(fù)雜。鑒于安裝的不確定性和天氣變化的極端性，復(fù)雜的電子控制裝置會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。如果采用各種旁通裝置，如熱氣旁通管和液體旁通管，可靠性將更難保證[10]。數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)系統(tǒng)基本上是簡(jiǎn)易系統(tǒng)，只需簡(jiǎn)單的電子控制，故較變頻工業(yè)冷水機(jī)系統(tǒng)更加可靠。
小結(jié)
由于變頻渦旋壓縮機(jī)與數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)在工作原理和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，變頻工業(yè)冷水機(jī)與數(shù)碼工業(yè)冷水機(jī)有各自不同的應(yīng)用前景：變頻渦旋壓縮機(jī)可用于工業(yè)冷水機(jī)、低溫?zé)岜谩⒌榷喾N工業(yè)冷水機(jī)中，數(shù)碼壓縮機(jī)由于其功率范圍而主要應(yīng)用于工業(yè)冷水機(jī)中。由于兩種壓縮機(jī)都主要應(yīng)用于工業(yè)冷水機(jī)中，本文主要針對(duì)兩種工業(yè)冷水機(jī)的運(yùn)行范圍及調(diào)節(jié)性能、能效比、啟動(dòng)及運(yùn)行特性、回油、電磁干擾、可靠性等方面詳細(xì)分析了各自的優(yōu)勢(shì)和不足。針對(duì)各自系統(tǒng)的不足，變頻技術(shù)應(yīng)著重解決低頻時(shí)提升能效比、電磁干擾等方面的問題，而數(shù)碼技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)解決如何減少壓縮機(jī)啟動(dòng)電流大以及運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)壓力波動(dòng)等問題 。
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