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1、数码涡旋技术在 VRV 空调系统的应用及探讨湛江海洋大学 江燕涛 湖南大学 杨昌智摘要 介 绍数码涡 旋压缩机的工作原理及在 VRV 空调系统中的应用.对数码涡旋技术和变频技术进行了比较，并对数 码涡旋技术在使用中可能存在的问题，以及新的控制理 论和控制技术在数码涡旋 VRV 空调 系统中的应用等方面进行了分析和探 讨。关键词 数码涡旋技术 变频技术 VRV 空调系统相对传统的分散式家用空调型式而言，家用小型中央空调具有节能、舒适、容量调节方便、噪声低、振动小等突出的优点，目前主要以变制冷剂流量（Varied Refrigerant Volume，简称 VRV）空调系统为主。九十年代我国开发的
2、 VRV 空调系统大多参照日本的变频控制方法，但九十年代后期美国谷轮公司开发了数码涡旋压缩机，并首先被大金用于VRV 空调系统后，我国美的、海尔、新科等空调厂家这两年也纷纷研制开发了数码涡旋 VRV空调系统。1 数码涡旋压缩机工作原理数码涡旋压缩机是利用轴向“柔性”技术，它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）运行，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
3、压缩机的总输出平均容量。压缩机这两种状态的转换是通过安装在压缩机上的电磁阀来控制。如图 1：一活塞安装于顶部固定涡旋盘处，活塞的顶部有一调节室，通过 0.6mm 直径的排气孔和排气压力相连通，而外接 PWM 电磁阀连接调节室和吸气压力。电磁阀处于常闭位置时，活塞上下侧的压力为排气压力，一弹簧力确保两个涡旋盘共同加载。电磁阀通电时，调节室内的排气被释放至低压吸气管，导致活塞上移，带动了顶部的涡旋盘上移，该动作使两涡旋盘分隔，导致无制冷剂通过涡旋盘。当外接电磁阀断电时，压缩机再次满载，恢复压缩操作。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
4、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%）。（a） （b）图 12 数码涡旋压缩机与变频压缩机相比的特点2.1 容量调节广，温度调节迅速（1）变频压缩机的调节范围只能在 50%-130%，数码涡旋压缩机是在 10%-100%。 （2）变频压缩机的容量输出是通过变频器分级达到，而数码涡旋通过负载和卸载时间的改变获得，容量能迅速从 100%转换至 10%（反之亦然） ，不需分步实现，是属于连续和无级的调节。（3）变频压缩机必须通过中间频率，从低频到高频或反之的转换过程中存在时间的滞后量，当系统内的负荷突然发生变化时，变频系统无法立即响应负荷的变动，使得室温的波动
5、较大。而数码涡旋技术的无级调节和宽广的调节范围确保了室内空气温度的精确控制。2.2 电控系统简单，系统的可靠性大变频控制系统容量调节范围较窄，所以在变频调节的同时一般采用热气旁通和液体旁通的方法来共同响应负荷的变化。数码涡旋压缩机调节范围广，不需任何一种能量旁通手段，因而减少了该部分的控制系统，同时其容量调节方法是通过机械活动达到，亦少了变频器及变频控制中复杂的电控部分，所以其电控系统简易。复杂的电子装置既娇也贵，减少了变频器、变频控制系统他旁通的控制系统等，无疑增加了系统的可靠性，节省了成本。2.3 具有良好的回油特性，安装灵活性更大变频 VRV 系统在低频时，制冷剂流速较低，回油困难，系统
6、一般设计有油分离器和回油循环。数码涡旋压缩机由于在卸载期间没有排出制冷剂，也就不存在回油的问题，而在负载时压缩机是满负荷运行，这时气流的速度足以令润滑油较充分地流回压缩机，所以数码涡旋系统在任一容量输出时回油均良好，是目前唯一不需油分离器或/和回油循环的系统，相应的控制系统也简洁。目前有的厂家为确保系统更安全可靠，设计了一种集电子、机械控制为一体的油位控制器，用于监控和保证压缩机曲轴箱内的正确油位，这使系统配管更自由，不因配管过长造成压缩机回油不良而被烧毁，延长了系统的使用寿命。现在数码涡旋 VRV 系统的单一系统配管最长可达 125 米，室内、外机之间可允许落差 50 米，上下层室内机之间高
7、度可达 15 米。2.4 制冷系统简单，维护方便定速空调系统和变频空调系统大多设计有热气旁通和液体旁通装置，而数码涡旋系统因能使容量最低调至 10%，无需这些旁通系统，同时由于良好的回油特性，不需油分离器或/和回油系统。这样，制冷系统、回油系统及电气控制系统的简单化，使系统部件较变频系统减少（如表 1），装置结构简单，提高了运行的安全性和可靠性，并为安装和维护提供了方便。2.5 无电磁干涉问题，使用场所更广泛变频器工作时会产生高频谐波，会使供电系统的正弦电压波形发生歪变，导致诸如：降低电网的功率因素、使电容器和变压器过热、在荧光屏和示波器等上产生闪点、影响精密仪器的精度等不良后果，并会引起高电
8、设备电容量等发热烧毁等到危险。以欧洲为中心的许多地区都有严格限制高频波的 EMC 规定，有些地区还因上述理由禁止销售和安装变频空调。我国虽没出台有关的规定，但对电源干扰要求很高的精密实验室、通讯机房、电站、电视台等场合，变频系统受限用。而数码涡旋的负载和卸载只是一个简单的机械运动，不会产生高次谐波，克服了对电网的干扰，扩大了适用范围。表 1部件 典型变频系统数码涡旋系统微处理器多个 单个电磁阀多个 单个热气旁通需要 不需要液体旁通需要 不需要油分离器需要 不需要扼流器必须 不需要变频器必须 不需要2.6 保证良好的除湿能力，提高了舒适性图 2 所示是五匹变频空调和五匹数码涡旋空调在不同容量时的
9、蒸发温度比较。变频系统在低容量（低频）运行时，蒸发温度较低，随着运行频率的降低，蒸发温度逐渐升高，整个运行阶段平均蒸发温度较高，而一般的空调系统多在部分负荷下运行，这就导致了除湿能力下降。而数码系统无论在何种运行比例时，其负载运行时均是全负荷，所以如图所示能在整个运行阶段保持较低的蒸发温度，尤其容量在 40%至 80%范围内（较常使用的容量区间），数码涡旋体现了明显的优势，所以其显热比较少，除湿能力较强，保证了高精度的湿度要求。数码涡旋空调这种在低容量情况下能有效提供较好的湿度控制功能，对于相对湿度较高的地区及一些特殊场合尤为适用。3 问题与前景由于数码涡旋系统在 VRV 空调系统上述这些独特
10、的优点，目前我国的多个空调厂家纷纷把数码涡旋系统应用于 VRV 空调系统中。但在开发数码涡旋 VRV 空调系统时，由于每个厂家的电气控制、制冷系统、油系统等有所区别，产品的节能性、设备的简易性及安全性，亦有所不同。在分析研究数码涡旋技术在 VRV 空调系统中的应用时，有以下几个方面值得深思和探讨。3.1 核心技术问题在 VRV 空调技术方面，日、美公司再度充当了核心技术的控制者，在进入商用空调初期，国内家用空调企业分别选择大金、东芝等日本企业的变频空调技术，2000 年美国艾默生旗下的谷轮公司开发了数码涡旋压缩机，并供应亚洲市场，由于数码技术具有的优势，我们几大空调厂家在 2002 年前后开始
11、与谷轮公司合作，大量购买谷轮公司的数码涡旋压缩机及采用谷轮公司提供的技术。由于技术的保密性，国内厂家难以明白一些技术设计的真实用意，更难以进行深入的开发研制。如数码涡旋压缩机的周期时间，是数码涡旋运行中的一个重要参数，其相同的容量可用不同的周期时间而获得，即同一容量比例，周期时间可以是多样的，谷轮公司在 10%至 90%的容量比例，设计的周期时间是 10 秒至 25 秒，如表2 所示，其间周期时间是呈曲线变化。我们只知周期时间过长（超过 60 秒）会影响润滑油返回压缩机的效果，但为何采用这样的时间变化却有待作更进一步的研究。类似因素，一方面使国内数码空调价格难以下降，另一方面也制约了我们数码涡
12、旋技术的发展。表 23.2 容量调节问题容量百分比 周期地间（秒） 容量百分比 周期地间（秒）10% 20 60% 1220% 20 70% 1030% 18 80% 1540% 16 90% 2550% 14图 2目前我国的数码涡旋 VRV 空调系统，一般是采用一台数码压缩机并联合一台或多台定速涡旋压缩机的启停，在一个制冷系统内进行容量控制，以达到对室内机的单独和线性控制。如果是一个 10 匹数码 VRV 空调，是由一个五匹数码涡旋压缩机和一个同功率的定速涡旋压缩机并联成一个室外机组合亦即一个模块，这个 10 匹的数码模块与 2 至 3 个十匹的定速机模块（每个定速机模块是由两台五匹定速机组
13、成）并联，便形成 20 匹或 30 匹机。由于数码涡旋压缩机的最小容量是 10%，那么 10 匹机的最少容量便是 5%，20 匹是 2.5%，30匹是 1.7%，于是便具有模块越多最小容量越小的良好特点。数码涡旋压缩机是属于无级调节，具有调温迅速温度波动小的优点，但如果国内厂家在开发 VRV 空调时，根据室内的总负荷而确定对应的数码涡旋压缩机的运行容量时，控制系统设计为有级的容量调节方式，那么在容量的调节精度上便与变频空调器的相仿。假设还是上述的组合形式，但五匹数码涡旋压缩机的容量调节划分为 10%、20%、30%等至 100%十级，那么在十匹机时就可分为 20 级，在 20 匹时时分为 40
14、 级，30 匹将是 60 级，这样虽然最小容量如上述不变，但能量的调节出现了有级，并且随着并联台数的减少而容量级数减少，控制精度减弱，这时便与变频 VRV 非常相似，体现不出数码涡旋技术在容量调节中控制精度乃至温度精度的优势,所以我们厂家如果是在生产变频 VRV 的基础上开发数码涡旋产品的，需注意有关问题。3.3 能效比的评价变频系统中，由于变频压缩机在交流直流变换器中将会有 10%的损耗，加上马达损耗约 5%-10%，总变换损耗将达到 15%-20%，同时，在变频系统中由于需要注入大量的润滑油，这些都使得变频系统的能效比变得较低。数码涡旋压缩机无论是负载或卸载，电机始终运行，卸载时所耗功率约
15、是负载的 10%，此外，由于数码涡旋压缩机的操作容量范围很宽，它的启停次数很少，这些使得数码涡旋压缩机具有优秀的能效比（EER），同时它在部分负荷运行时也具有良好的能效比。通过比较谷轮公司的各种型号数码涡旋压缩机的 EER 值发现，无论是采有 R22 冷剂或 R407C 冷剂，所有型号的 EER 值都在 3.0 W/W 以上，最高达到3.3W/W。图 3 是韩国三星一个五匹数码涡旋压缩机和一个五匹定速涡旋压缩机组成的十匹 VRV空调系统与两家公司生产的变频 VRV 在制冷和制热情况下的能效比的比较。从图中可以看到在整个调节范围内，数码涡旋都具有较好的能效比，在制冷状态，负荷在 35%以上时，能
16、效比大于变频空调，在制热状态，负荷在 30%至 80%时能效比较佳，而这些区间正是空调使用较多的区域。从两图可以明显知道，数码涡旋在制冷情况时 EER 值更具优势。所以数码涡旋的季节能耗比（SEER）值亦是较大,谷轮数码涡旋技术按 JIS & ARI 标准进行了评估，降低年能量消耗 40%。但一个空调系统的能效比大小，不仅由压缩机决定，而是由制冷系统、电子控制系统等综合因素决定，所以数码涡旋压缩机的出现只是提供了一个节能的平台。如同数码涡旋技术的无级调节能力一样，若空调系统设计为多级调节，亦难体现这一技术的优越性。3.4 为新的控制原理和技术提供了硬件目前空调系统的主要研究是节能性和舒适性，在评价热舒适性方面过去是采用控制室内温度的单一的控制方式，现在评价空调环境的热舒适方法有很多，其中有国际标准PMV 指标和 SET*指标。在一些国家和地区已研究以 PMV 或 SET*值作为空调系统的控制目标；另一方面，目前控制理论的模糊控制理论和神经网络控制已大量被引进空调控制领图 3 （a ） 制冷状态图 3 （b） 制热
