变频压缩机综合效率系数的研究与应用

宫天泽， 郑学利， 赵宇开

(海信科龙空调有限公司 研发中心，山东 青岛 266071)

0 前言

变频压缩机已被广泛使用于家用空调和商用空调产品，由于压缩机能耗占空调整机能耗的80% ～90%，压缩机的能效水平也就决定了空调整机的能效水平。

变频压缩机在使用过程中，会在不同的工况条件下运行，压缩机转速也会在某一范围内变化。目前，变频压缩机能效要求所执行的国家标准是《GB/T 15765－2006房间空气调节器用全封闭型电动机－压缩机》[1]，该标准只规定标准工况下额定制冷能力的测试要求，而各压缩机厂家所编制的压缩机规格书中，也是依据国标，仅提供了额定点的能效值。

对变频压缩机在变工况、变转速条件下能效特性研究，有助于找到更优的压缩机选型、设计方案，从而提高压缩机使用效率，间接降低空调整机成本，提升产品竞争力，提高企业利润。

1 变频压缩机能效测试

实验选取某型号R410A转子式直流变频压缩机，在标准压缩机性能试验台进行能效测试，实验设备与测试方法依照《GB/T 5773－2004容积式制冷剂压缩机性能试验方法》[2]。

实验在过冷度8℃、吸气过热度11℃、压缩机环境温度35℃条件下，对不同冷凝温度Tc、蒸发温度Te、压缩机转速进行交叉组合，并测试压缩机制冷能效系数COP。其中冷凝温度Tc分别选取40℃、50℃、60℃，蒸发温度Te分别选取 －5℃、0℃、5℃、10℃，压缩机转速分别选取30 r/min、60 r/min、90 r/min、120 r/min，测试结果如下。

图1 COP与蒸发温度关系(压缩机转速=60 r/min)

图2 COP与冷凝温度关系(压缩机转速=60 r/min)

图1、图2显示了在相同压缩机转速情况下，工况变化对COP的影响。

从图1可见，蒸发温度较低时，冷凝温度的降低对COP提升的贡献较小。在实际制冷系统匹配过程中，当蒸发器过小时，一味增大冷凝器，对提升COP的贡献并不明显。此时，应考虑先提高蒸发温度。

从图2可见，冷凝温度越高，COP随蒸发温度的变化并不明显，在实际制冷系统匹配过程中，当冷凝温度很高时，一味提高蒸发温度，并不是提高COP的最佳方式，应考虑适当降低冷凝温度。

图3 COP与压缩机转速关系(冷凝温度=50℃)

图4 COP与压缩机转速关系(蒸发温度=5℃)

从图3、图4可以看出，COP随压缩机转速的变化关系。相比于工况的变化，转速在30～90 r/min期间的变化对COP影响较小，但转速从90 r/min升高到120 r/min时，COP出现衰减明显;当工况不变时，转速在60 r/min时，压缩机效率较高。所以，在变频空调匹配设计时，应选择合适排量的压缩机，避免压缩机以过高转速运行，可以将额定能力对应压缩机转速设计在60 r/min左右，使压缩机的额定COP相对较高[3－4]。

2 综合效率系数分析方法

2.1 理论性能系数COP0[5]

对于已知制冷剂的蒸汽压缩式制冷循环，假设压缩过程为等熵压缩，且压缩机的输入功率全部为制冷剂做功;不考虑蒸发、冷凝过程的压力损失。理论上，当系统的蒸发温度、冷凝温度、过冷度、吸气过热度四个参数确定的情况下，可以计算出制冷系统的理论性能系数COP0。

图5 蒸汽压缩式制冷循环p－h图

如图5所示，由冷凝温度与过冷度SC得到状态点3，根据蒸发温度和吸气过热度SH得到状态点1，画等熵线经过状态点1并与冷凝压力线相交，得到状态点2。

根据制冷剂热力性质表，可以得到各状态点1、2、3 的焓值(h1、h2、h3)，从状态点3 到状态点4 为等焓节流过程，即h4=h3。所以，根据以下公式可计算出理论性能系数。

2.2 综合效率系数η_total

实际蒸汽压缩式制冷循环中，由于存在泄露损失、余隙容积损失、吸气加热损失、摩擦阻力损失、压缩机电机发热等影响因素，实际性能系数COP要低于该工况下理论性能系数COP0[6]。

考虑到上述影响因素较多，且相互耦合，难以独立测试及分析。本文将全部影响因素综合到一起，提出压缩机综合效率系数η_total，该系数等于实际性能系数与理论性能系数之比，即，

压缩机综合效率系数，体现了压缩机在实际压缩过程接近理想状态的程度，越接近1，其实际性能系数越接近理论性能系数，压缩机的效率也就越高。

按照前面的各种实验工况，根据R410a制冷剂热力性质，可计算出个各测试点的COP0，再根据公式(2)和各测试点的实测COP，可以计算得到各测试点的综合效率系数，如表1。

表1 综合效率系数数据汇总

在实验测试的所有条件下，综合效率系数最大值为74.0%，最小值为52.8%，可见，压缩机在不同的运行条件下，其综合效率系数相差较大。

从图6、图7可见，当工况确定的情况下，压缩机转速为60 r/min时，综合效率系数最高;转速在30～90 r/min范围内，综合效率系数相差不大，而从90 r/min上升到120 r/min，综合效率系数明显下降。

图6 综合效率系数与转速关系(蒸发温度=5℃)

图7 综合效率系数与蒸发温度关系(冷凝温度=50℃)

图8 综合效率系数与工况关系(压缩机转速=60 r/min)

图8可见，在相同转速下，工况变化对综合效率系数的影响。相同蒸发温度下，冷凝温度越高，压缩机的综合效率系数越低;相同冷凝温度下，蒸发温度越高，综合效率系数越高。在实际制冷系统运行过程中，如果高低压差增加，那么余隙容积、泄漏损失等因素对能效影响更加明显，会导致压缩机综合效率系数降低。

在《GB/T 15765－2006房间空气调节器用全封闭型电动机－压缩机》中，规定压缩机测试标准工况:蒸发温度 7.2℃、冷凝温度 54.4℃、过冷度8.3℃、吸气过热度27.8℃。在此工况下，实测该压缩机的综合效率系数为73.4%。

变频空调器实际制冷运行条件一般是，蒸发温度范围在0～10℃，冷凝温度范围在40～55℃，压缩机转速一般在30～90 r/min范围内。那么，压缩机综合效率系数的范围也就缩小为68.1% ～74.0%。

以上可见，压缩机的实际COP主要由COP0决定，在一般使用条件，其综合效率系数变化范围较小。可以根据压缩机规格书中标称的额定工况下COP计算出额定工况的综合效率系数，并以此估算其他运行条件的COP。

3 综合效率系数应用

目前，变频空调的能效等级评价方法主要是制冷季节能源消耗效率SEER和制冷综合性能系数IPLV(C)。SEER用于评价变频房间空调器的能效水平，IPLV(C)用于评价变频多联空调机组的能效水平。这两种评价方法都需要考察制冷系统不同负荷条件下的COP，而在已知负荷条件下，可以计算出压缩机的COP0，压缩机的实际性能系数又由综合效率系数决定。所以，根据压缩机的综合效率系数特性，对空调器进行压缩机选型设计，可以提升整机能效水平。

3.1 提高SEER的压缩机选型设计

根据 《GB/T 7725 －2004 房间空调器》[7]和《GB 21455－2008转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级》[8]规定的SEER计算方法，作者对此方法进行拟合，得出了简化计算公式如下。

式(3)中，EERcr和EERcm分别是额定制冷能力测试的性能系数和额定中间制冷能力测试的性能系数。

从式(3)可以看到，EERcr要比EERcm对SEER贡献更大，所以在压缩机选型时，尽量选择η_total更高的转速下测试额定制冷能力。

3.2 提高IPLV(C)的压缩机选型设计

根据《GB/T 18837－2002多联式空调机组》[9]规定的IPLV(C)的计算方法，在负载比例为100%、75%、50%、25%运行条件下，对应的性能系数测试结果分别为EER1、EER2、EER3、EER4，可以得到。

从式(4)可见，在IPLV(C)计算中，50%负荷所占权重最大，然后大小依次是75%、25%、100%负荷。所以，对于变频多联空调的压缩机选型时，应尽量选择压缩机η_total较高的转速点来匹配IPLV(C)权重大的负荷测试点[10]。

3.3 多变频压机并联系统能效提升

对于采用多个压缩机并联的多联机系统，在某一已知能力需求条件下，压缩机能力输出存在多个转速组合方案。根据压缩机综合效率系数特性，可以找到更加节能的运行方案。例如，对于采用两个排量相同变频压缩机并联的系统，两个压缩机分别以30 r/min+90 r/min运行和60r/min+60 r/min运行，两种情况下的总能力输出基本一致，且系统压力、温度等状态参数也基本相同，由于压缩机在60 r/min左右的综合效率系数较高，与第一种方案相比，采用第二种方案的压缩机总体实际性能系数可提升3%左右。

4 结论

压缩机的实际性能系数主要由理论性能系数决定，本文提出的压缩机综合效率系数，可以直观地表示压缩机实际能效接近理论能效的程度。

通过对综合效率系数与工况、转速变化关系的分析，得到压缩机综合效率系数的基本规律。根据已知制冷系统运行工况，计算出压缩机的理论性能系数，再根据已知或估算的压缩机综合效率系数，可以计算得到压缩机实际性能系数，可以减少实验工作，提高产品开发效率。

本文举例介绍了压缩机综合效率系数分析方法在制冷系统设计中的应用，该方法对变频空调器SEER和变频多联空调机组IPLV(C)的提高，以及对多压机并联系统的控制优化具有一定的指导作用。

[1]GB/T 15765－2006:房间空气调节器用全封闭型电动机－压缩机[S].

[2]GB/T 5773－2004:容积式制冷剂压缩机性能试验方法[S].

[3]唐景春，王铁军，刘向农.变频制冷压缩机的匹配研究[J].低温与超导，2004(11).

[4]张华俊，陈林，刘勇，等.直流调速滚动转子空调压缩机的实验研究[J].制冷空调与电力机械，2003(1).

[5]吴业正.制冷原理及设备[M].西安:西安交通大学出版社，1997:28－31.

[6]缪道平.制冷压缩机[M].北京:机械工业出版社，2004:113－117.

[7]GB/T 7725－2004:房间空调器[S].

[8]GB 21455－2008:转速可控型房间空气调节器能效限定值及能源效率等级[S].

[9]GB/T 18837－2002:多联式空调机组[S].

[10]何学平，方建良，赵巍，等.VRV家用中央空调器SEER的计算与分析[J].节能技术，2005，23(1):37－39.