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1、制冷技术2003年第1期空调制冷机组的选择与分析夏国欣陈汝东（同济大学上海200092）【摘要】本文着重分析了负荷变化特点及制冷机组在部分负荷下的运行情况，提出了以这两者为首要考虑点进行机组选型的思 路。【矢键词】负荷变化部分负荷机组选型SELECTION AND ANALYSIS OF AIR-CONDITIONINGREFRIGERATING UNIT( Abstracti This article focuses on the feature of load variation and the state o f refrigeration unit when runs under pa
2、rt 一 load condition, and gives a way to the s election of refrigerating unit, in which the two formers are thought as the most i mportant factors. Keywords ) load variation part - load selection of refrigerati ng unit一、存在的问题及分析目前左国内的空调设计中对于制冷机组容呈的确 定、台数的配备和机型的选择，往往只根据经验，结果造 成设备初投资大呈增加并引起电气土建和建筑等方面 的
3、造价相应上升;装机容呈远远超过实际需 要（有的甚至 超过50%以上），部分制冷设备长年闲置制冷机组运行 效率彳氐，费用高，事故出现频繁。产生这种现象的原因是多方面的。其中一个很主要 的原因就是设计者没有充分把握负荷变化的规律,味的 将最大负荷值作为机组选型时唯一考虑的因素，而忽视了 负荷在不同时间、不同场合的变化规律。从各方面的统计 资料来看，在我国。般空调供冷期中出现展大负荷的时 间很少大概只占全年运行时间的百分之几，制冷机组绝 大部分的时间都芷作在部分负荷工况下。图1是北京地区旅馆类建筑的空调冷负荷时间频数 曲线。该图以全年最大冷负荷的弟为跨度分成20个负荷区 间，分别统计出冷负荷在各区间
4、出现的小时数，以及各负 荷区间时数占全年总时数的比例。从图中可以看出在绝 大多数供冷时间内，机组所需提供的冷呈远小于其最大设 计冷量。80%以上的时间内供冷呈在展大冷量的50%以下; 而供冷量超过最大冷量70舶勺时间仅占5%左右，可见高负 荷出现的时间非常少。并且，在对供冷季节各个月的空调冷负荷累积值进行计算和分析后发现，即使在峰值负荷 最高、运行时数仍然占有相当的比例。图1空调冷负荷时菽图设计者除了需要充分把握住负荷变化的规律外，还 需要熟悉各种制冷机组的特点 适用范围，特别是机组在 部分负荷下的运行情况。因为只有将这两个条件结合起来， 综合考虑，才有可能得到满意的设计。常用的制冷机组按压缩
5、机可分为活塞式螺杆式和 离心式等。1. 活塞式制冷机组活塞式属于中小冷量制冷机组，它造价低廉体积 小 效率也较髙所以仍被广泛用于家用冷藏 住宅空调 汽车空调以及小型商用空调等领域。但随着其 它新机种2003年第1期制冷技术特别是螺杆式）的不断开发及效率的提22制冷技术2003年第1期浜第肚1M能高，活塞式固有的缺陷，比如冷量小、结构复杂易 损件多、对湿行程敏感负荷调节性能差（只能依畀增减 气缸数进行有限级数调节）等等，都使得其使用范围日益 缩小，目朗活塞式制冷机组的单机容量使用范围-般在1 ooW 2ookW之间。2. 螺杆式制冷机组螺杆式属于中等冷呈制冷机组按其转子数量的不 同，有单螺杆和双
6、螺杆机组之分。近年来随着螺杆新齿形 的开发加工精度的提高、髙精度滚动轴承的应用 合成 冷冻油的使用 经济器系统和内容积比自动调节技术的应 用都使得螺忏制冷机组在能耗持续下降的同时;运行效 率大大提高，机组的COP值已经接近离心式制冷机组的 水平。再加上其原有的结构简单、零部件少、抗液击能力 强、运行平、能量可以无级调节、部分负荷时的能量损失 比离心式少等优势，使得螺杆机组的应用范围逐渐扩大， 现在正以中等冷呈为基础，向大、小冷呈两个方向同时延 伸，并大有取代活塞式制冷机组的趋势。目前螺杆式制冷 机组一般在单机容呈为isokW i4ookW的场合中使用。金如r图2螺杆式压缩机容积与负祈关系图图2
7、轟杆曼隹霸鬻降胡负荷的 矢系图。可以看到当调节压缩机制冷量的滑阀刚刚从全 负荷开始调花时由于旁通口的阻力，实际容积（虚线） 不会像理论容积（实线）那样从100%突然到80%，而是连 续变化的。而在滑阀滑动到负荷率接近O绻的极限位這时， 排气腔就会与工作容积连通，会造成排气腔内的高压气体 倒流入工作容积内，所以为防止这种情况的发生 一般只 允许滑阀移动到负荷10舶勺位宣。因此，螺杆式压缩机通 常就在10% 100%之间进行冷呈无级调节。但是，在冷量 调节的同时，功耗并不与负荷变化成正比，图3是螺杆式 压缩机功耗与负荷的变化矢系图，可以看到，两者随着蔑 发温度的不同有着不同的矢系曲线（图中的点划红
8、是理想 的正比线）。蒸发温度越低压缩比越高，则功耗与负荷 越不成正比；只有在蒸发温度较高 压缩比较低时两者 才接近于正比矢系。并且，在负荷率为5帆的时候，各个 蒸发温度的功耗负荷变化曲线都已经偏离理想正比线较 多，因此，若从运行的经济性考虑-般让螺杆式制冷机 组左50%负荷以上运行为宜，在50%以下的低负荷运行是很 不经济的。另外，螺杆式制冷压缩机左运行中会因为内外压比 不等产生欠压缩和过压缩的情况，两种情况都会产生额外 功耗。针对这种情况，目前开发出了内容积比可调机构， 使得内外压比能够趋于一致减小了功耗，提高了螺杆机 运行的经济性，并在-定程度上满足了用户对变工况的要 求。3. 离心式制冷
9、机组离心式属于中大冷呈制冷机组，它制冷量大机械 磨损小易损件少运行平稳容易实现多级压缩和多种 蒸发温度、制冷量可以进行无级调节，特别是在变频技术 发展遍来后，再结合进口导叶调节等手段，可以使机组的 调节范围变宽并在部分负荷运行时仍可保持高效率。离 心式机组的主要缺点就是工况不能有大的变化，且适应范 围狭小;在低负荷率时容易发生喘振，因此离心式机组一 般只在30% 100%负荷之间进行无级调节（严格地说负荷 下限的确定与电机转数有矢）。目前离心式制冷机组压缩 比在2 30之间，主要用在单机容量超过35（）kW的场合。由于最常用的是固定转速的电动机，因此离心式制 冷压缩机在部分负荷时大多采用进导叶
10、调节、进气调节、 旁通调节等手段。其中进气调节和旁通调节的经济性较差， 朗者常用在冷呈变化不大的场合，而后者作为工作点进入 喘振区后的调节手段往往和其它调节方法配合使用。逬口 导叶调节方法结构简单，经济性相对前两者较好，因而在 固定转速的空调离心机中采用昴多。当导叶全部打开时为 满负荷;而在导叶全部矢闭时负荷约为满负荷的10%。图 4是逬口导叶变化时压缩机的性能曲线图。从图中可以清 晰地看出，当机组运行在喘振包络线右侧的正常工作区时，2003年第1期制冷技术23二空调制冷机组选配原则和方法在了解全年负荷变化规律和常用制冷机组的特性后* 就可以进行机组选型了。选型一般包括制冷机组总容呈的 确定，
11、机组类型的确定，机组性能与品牌比较，台数及单 台容量的确定等步骤。其中的每个步骤，又都综合考虑了随着系统性能曲线的变化（BCDE），压缩机可以 通过进口导叶来随时调节适应但显然这是以牺牲-些运 行效率为代价的。而当机组性能曲线进人喘振区后（E- F-G），单罪调节进口导叶已经无能为力，这时就需要 用旁通调节的方法来适应工况了。但是，进导叶调节效率不很高，调节范围也有限 难以得到较好的部分负荷性能*因此现在已有离心式机组 采用变频驱动装置（VSD），可以使电机实现无级变速 从而改变压缩机的转速来适应负荷变化，大大降低了输人 功率，提髙了离心压缩机的效率，因而采用变频装這的离 心式机组特别适用于长
12、期处于低负荷运行或负荷变化剧 烈的场合。离心式制冷机组采用变频调节与进口导叶调节相结 合的方式能够实现良好的部分负荷特性。如在图4的压缩 机上添加变频装置，则可以得到同点压缩机的变频性能曲 线图，如图5所示。可以看到，在部 分负荷时，压缩机通 过变频实现电机转速的无级调节（图中用马赫数Ma表示）， 使得喘振包络线右边的各个工作点都能保持很高的运行 效率，特别地如果压力变化配合转速的话，从30%负荷到 满负荷几乎都能实现最高运行效率。而当系统性能曲线出 了喘振包络线后（DEFG），就必须结合逬导叶 调节才能扩大机组稳定运行的范围，提高运行效率，并同 时避免喘振的发生。ki 8 a （H）图5变频
13、压缩机性能图图6所示的就是它们两者结合的控制运行方式图：当 机组检测到其运行工况在区域1时，就自动全部打开逬口 导叶，只依畀到运行左区域2时就自动将电动机转速调 至最低只依界进口导叶调节来满足需要；当检测到运行 在区域3时，则会同时调节电动机转速与进口导叶开度 以达到最佳运行效率。这样，通过上述三个区域不同的组 合调节方法，既增大了机组的正常运行范围，减小了喘振 区，又提髙了机组在各个工况点的运行效率，节省了大 量的运行费用（一般可节省30%左右）。离心式变频机组经 过三代的发展，机组本身与变频装這的价格比由最初的1: 1到1 ：O- 5再到现在的0_ 2 0_ 25;体积比由最初的1: 1到
14、现左变频装宣可作为一只小箱子放在机组上，技术越 来越成熟，性价比也越来越高，可以预计变频式离心机组 会为越来越多的用户所采用。不过变频技术也存在缺陷， 就是变频过程中会对外产主幅射，从而可能会对处于附近 的的人体产生不良影响，西方发达国家已经开展了研究工 作,对此我国也应加以必 要的尖注和研究。图6变频压缩机运行控制方式图制冷技术24初投资、运行维护、可菲安全等方面的因素。1- 机组总容量的确定空调制冷机组的总容量应满足空调系统的空调设计 负荷要求。在确定总容虽时需考虑机组的实际运行工况偏 离设计运行工况时可能产生的冷量不足，因此在一般情况 下,对机组要求的制冷量应增加510%的安全余呈。当然
15、， 这都是建立在负荷计算基本正确的基础上。2- 机组类型的确定使用什么类型的制冷机组应由用户和设计者根据用 户的实际情况共同确定，其基本原则是：（1）在供电可以保证的地区，要优先选用电力直 接 驱动的制冷机组，如离心式螺杆式等（活塞式一般只左 小冷量时才考虑）。因为从经济技术分析来看，以电力驱 动的制冷机组性能要优于以热力驱动的制冷机组。（2）如果有条件供给蒸气或热水，则可考虑釆用蒸 气型或热水型溟化锂制冷机组;而如果可以使用诸如天然 气等能源，则直燃型;臭化锂制冷机组也是一个可行的选 择。（3）对于需要同时提供冷、热负荷，或者夏冬季冷、 热负荷相差不是太大的地区，推荐使用热泵性机组。这样 可以省去锅炉设备，节省了初投资和运行费用。（4）在能解决设备排放和噪声污染问题的前提下 对于中小型冷量（单机容M1400kW以下），推荐选用风冷 型制冷机组。3- 机组性能的确定与品牌比较在一年八绝大部分运行时间里机组都工作在部分负 荷状态下，因此确定机组部分负荷运行性能是非常重要的 工作，而这实际上是一个综合考虑的过程。比如对于螺杆 机来说是选择普通的单机头滑阀调节，还是选择部分负 荷效率出色但满负荷效率较低的多机头柱塞调节，还是选 择工况适应力强的内容枳比调节，这就得将机组运行工况、 负荷
