冷凝机组节能技术研究

冷凝机组节能技术研究

齐方成   ,杨虹

珠海格力电器股份有限公司     广东珠海 519070

摘  要本文针对目前冷凝机组中采用的主要节能技术进行了分析研究。重点针对直流变频技术、压缩机节能技术、精确控制技术和光伏应用四种节能技术在冷凝机组中的应用进行详细介绍。

关键词  冷凝机组  节能技术  直流变频 压缩机 精确控制 光伏

The Research of Energy Saving Technology about Condensing Unit

QiFangcheng Yang Hong

Gree Electric Appliances, Inc. of ZhuhaiZhuhai Guangdong519070

AbstractThis paper analyses and discusses the key energy saving technology about condensing unit. Exactly introduced four technologies applied to condensing unit. The four contains Full DC invertertechnology, compressor energy saving technology, precision control technology and solar energy using technology.

KeywordsCondensing unit Energy saving technology Full DC inverter Compressor Precision control Solar energy

冷凝机组连接冷风机、冷盘管等末端设备使用于冷库，或连接冷柜使用于商场、超市等特殊的场所，通常需要全年运行，持续不断的输出冷量，如果长期处于低能效运转状态，将造成大量的能源浪费。因此探讨冷凝机组节能技术，致力于提高冷凝机组能效的研究，将减少能耗，提高经济效益。

本文将从直流变频技术应用、压缩机节能技术、精确控制节能技术、光伏应用四个技术方面来谈冷凝机组的节能特性。

1 直流变频技术

1.1直流变频压缩机技术

交流变频压缩机通过改变供电电源的频率来改变转速，供电频率高，则压缩机高速运转，供电频率低，则压缩机低速运转；直流变频压缩机电机始终只有两相是上有电的，通过改变输出直流电压来改变转速。直流变频压缩机工作频率范围要比交流变频压缩机广，并且直流变频电机只有一个线圈耗电，而交流变频电机有两个线圈耗电，所以直流变频相对交流变频更加节能省电。

直流变频压缩机是指通过变频器把交流电转换为交流电源，并送至逆变器，逆变器输出受控的输出电源送至压缩机的直流电机（交流变频压缩机是指逆变器输出频率可调的交变电源，使压缩机电机的转速随电源频率的变化作相应的变化），控制压缩机的排量，实现无级连续调速，因此相比交流变频压缩机，直流变频压缩机更省电，噪音更小。

冷凝机组运行过程中，负荷变化导致压缩机的负载也在一定范围内变化，若采用定速压缩机，无论负荷如何变化，压缩机电机只维持特定负载运转，并且电机设计的额定点在最大负荷工况附近，因此常常盈余输出冷量，造成很大的能源浪费，并且定速压缩机具有启动过程中振动大、噪音大，启动瞬间产生较大的冲击电流从而引起电源电压的波动

[1]，压缩机频繁启动等固有缺点。

冷凝机组采用直流变频压缩机，低频软启动方式，启动电流小，对电网无冲击作用；启动后高速运转，迅速输出较大冷量，快速将库温或柜内温度降至设定值，接近或达到设定值后，降低运转速率，以维持库温或柜内温度基本恒定，降温速度快，控温精度高；变频压缩机通过节能控制可减少停机压力损失，有效避免频繁开停的问题[2]；直流变频压缩机根据负荷变化实时调整冷量输出，全负载段维持高效运行，避免冷量的盈余浪费，机组能效高。冷凝机组通常需要全年运行制冷，因此采用直流变频压缩机可节约大量的能源。

1.2直流变频风机

冷凝机组采用常规定速风机，无论负荷如何变化，电机始终维持恒定输出，能耗大；并且随着风机的频繁启停，冷凝侧压力波动较大，稳定性差。冷凝机组采用直流变频风机，精准调速以适应冷凝侧压力的变化，电机长期维持低频高效运行，并且压力控制稳定；运转速率适应环境温度的变化，大多数时间都能维持较低频率运转，噪音更低，并且可设定超级静音模式，适用于超市、民用冷库等对噪声要求更高的场所。

变频控制的风机在冷凝侧负荷较小时，维持低频运转，相比定速电机启停次数显著减少，因此降低了电机的损坏率[3]，延长了电机乃至整个制冷机组的使用寿命。

2 压缩机节能技术

2.1双级压缩机

双级压缩是指将压缩过程分为两次来实现，将来自蒸发器的压力为Pe的低压制冷剂于低压压缩机或压缩机的低压级第一次压缩到中间压力Pm，然后再用高压压缩机或压缩机的高压级压缩到冷凝压力

Pc。双级压缩机相比单级压缩机，压缩功率显著减小，因此能效更高，并且排气温度相比单级压缩机更低，制冷机组运行环境更加舒适可靠。

图1  双级压缩机与单级压缩压焓图对比

最新的研究结果表明，在压缩比小于8的工况下，与单级压缩制冷比较，采用双级压缩时，理论制冷系数提高4.16~7.08%，在压缩比大于8的工况下，采用双级压缩时理论制冷系数比单级提高了9.01~10.85%，排气温度可降低33~44℃，实际运行的节能率可达37.7%[4]。

冷凝机组通常在冷冻冷藏等压缩比大于8的工况下运行，排气温度较高，若机组长期使用于高压比、高排气温度的亚健康情况下运行，制冷机组的可靠性较差，因此冷凝机组使用双级压缩机，能效提升的效果更加显著，并且机组运行环境更加舒适，有利于延长机组的使用寿命，运行的可靠性也得到提升。

2.2高压腔压缩机

全封闭涡旋压缩机根据压缩机中电机所处的工作环境温度，可以分为高压腔压缩机和低压腔压缩机。高压腔压缩机从系统中吸取低温低压的气态冷媒先进入涡旋盘压缩，压缩后高温高压的冷媒进入涡旋盘以下的腔体内，然后再从排气口排出，因此压缩机的电机处于高温高压的工作环境中。高压腔压缩机吸气直接进入涡旋盘压缩，吸气过热度小，容积效率高，因此性能系数高；高压腔压缩机在高压腔内进行油气分离，低温运行时油温可以得到保证，润滑效果好压缩机寿命长，稳定性好；高压腔压缩机排气经过高压腔，起到缓冲的作用，因此振动、噪音小；高压腔压缩机避免压力频繁变化导致油起泡造成跑油，可靠性更高。

冷凝机组采用高压腔压缩机避免压缩机吸气无效过热，性能系数更高，节能效果更好。冷凝机组搭配冷盘管等末端设备使用时，冷媒的灌注量较大，因此回油可靠性变差，采用高压腔压缩机，在高压腔内实现油气分离，使压缩机内润滑油较多，确保润滑效果。另外冷凝机组用于冷冻冷藏工况，通常需要在低温工况下运行，使用高压腔压缩机，低温运行时油槽处于高压腔，油温得到保证，润滑效果更好。

2.3变容压缩机

当负荷减小时，为避免蒸发温度降低导致性能系数下降，通过容量调节方法，使得压缩机的容量变小，以减少制冷剂循环量，具有这种功能的压缩机称为变容压缩机。

在冷凝机组中，通过变频形式实现容量调节，从而适合负荷变化，有效保证制冷系统的高效运行，并且变频除了可以实现容量调节外，还可以优化电机运行，并降低能耗。

3 精确控制节能技术

冷凝机组用于冷库，通常需要全年制冷运行，因此采用精准、先进的节能控制技术可以达到相当可观的节能效果。适用于冷凝机组的精确控制节能技术包括微电脑+传感器精准控制、库温开机控制、变频压缩机控制以及变频风机控制技术。

3.1微电脑+传感器精准控制技术

常规冷凝机组采用压力开关，根据给定压力控制冷凝机组的开关，优点是控制简单，缺点是只输出开关量，无法精确调节运转状态，常常导致机组频繁启停，库温波动比较大；采用微电脑+（压力）传感器控制方式，传感器输出模拟信号或数字信号，方便微电脑后期处理，从而精准控制冷凝机组开关机及运转，避免机组频繁无效启停，并控制制冷系统始终处于高能效运转状态，最大限度节能节电，并且传感器输出信号通过主板处理后变成标准变送器信号，可用于远程传输。

3.2开机控制技术

常规冷凝机组使用于冷库，需单独配置冷风机、节流阀、电器盒等设备，通常电器盒检测实际库温，并与冷风机联动，而冷凝机组检测自身吸气压力进行开停机操作。这种控制方式受冷风机形式、连管长度等的影响，吸气压力检测值具有延迟或不准的问题，因此冷凝机组有时候出现误停机，导致无效启停。

为减少因压力检测延迟或不准导致的无效启停问题，在制冷系统液管管路设置供液电磁阀，供液电磁阀与冷风机联动，冷凝机组接收供液电磁阀的信号进行开关机操作。这种控制方式有效减少了冷凝机组无效启停的次数，但是供液电磁阀与库温检测值还是存在一定的延误，无效启停的问题依然存在。

小冷库成套冷凝机组将电器盒、供液电磁阀以及节流阀集成到外机，直接检测库内温度，根据库温控制机组开停，库温控制精度高，并且避免了检测延误或不准导致的无效启停问题。

3.3变频压缩机控制技术

冷凝机组采用变频压缩机，优化控制系统，可达到明显的节能效果。开机时低频运行实现软启动，启动电流小，节电节能；制冷运行时，高速运转，将库温迅速降低至设定值，降低了货物的腐损率，用户省心省力；当库温接近或达到设定值后，降低运行频率低速运转，其一避免机组反复启停导致可靠性降低，寿命减少，其二控制制冷机组稳定运行时运转频率始终处于能效最优点，使制冷机组长期节能运行，全年运行具有显著的节能效果。

3.4变频风机控制技术

采用变频风机的冷凝机组，同样优化其控制系统，全年运行节能效果明显。根据冷凝侧负荷变化实时调整风机转速，冷凝侧压力稳定后，风机始终处于低频运行状态，节约了大量的电能；并且风机频率精准调节，压力控制稳定，从而制冷机组舒适稳定运行，避免机组频繁开停，间接节能。

4 光伏技术

制冷空调行业在方便人们生活的同时，也消耗了巨大的电能，现阶段人们依赖于煤、石油和天然气等常规能源，但每日持续消耗大量的能源，使得三者逐渐走向衰竭，并且带来了日益严重的环境污染问题[5]。因此在制冷空调行业，越来越多的人将眼光投向风能、水能、生物质能和太阳能等清洁能源利用，其中太阳能以巨大的优势获得越来越多的重视。

太阳能光伏空调系统，在光照充足时，照射在太阳能电池上的太阳光转化成电能，通过控制器调整输出电流和电压，使其尽可能稳定，较为稳定的电能一部分直接为压缩机供电，多余的另一部分则通过充电电路储存在蓄电池中或并入电网[6]，在光照不足时提供制冷系统所需的电量。

光伏技术应用具有不可比拟的优势，再加上政策的扶持，光伏技术将是冷凝机组节能性发展的一个重要方向。近几年政策解读如下：

2006年《中华人民共和国可再生能源》颁布，首次指出电网企业应当与可再生能源发电企业签订并网协议并以高于常规能源发电平均上网电价的价格全额收购覆盖范围内可再生能源并网发电项目上的上网电量。

2007年《中华人民共和国可再生能源》配置文件再次强调并要求电网企业优先调度科再生发电资源。

2009年通过了中华人民共和国可再生能源法修正案，国家设立专项资金保障可再生能源发电全额保障性收购制度。

2015年发布《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》，提出了光伏市场准入基本要求和“领跑者计划”技术指标。

同年，国家能源局向河北、山西、内蒙古、安徽、云南、甘肃、青海、宁夏和新疆等9个省区转发了由水电水利规划设计总院编制的《光伏扶贫试点实施方案编制大纲（征求意见稿）》，计划在上述省区开展光伏扶贫工程试点。

2016年国家发改委发布了《可再生能源发电全额保障性收购管理办法》，进一步明确了保障制度并特别指出防止以“电网安全”为由弃光。

2017年，印发《解决弃水弃风弃光问题实施方案》，目标到2020年在全国范围内有效解决弃水弃风弃光问题。

基于光伏技术应用的巨大优势以及我国政策的扶持，将冷凝机组与光伏技术应用天然契合，实现冷凝机组发电用电自给自足，节能节电的同时，可为用户节约大量的开支。

将光伏直流变频压缩机[7]应用于冷凝机组中，太阳能经过处理直接给直流变频冷凝机组供电，可以省去光伏电路系统中的逆变器，节省了直流电在逆变器中的损失，简化了整个系统。同时直流变频压缩机具有具有能效高、稳定性高并且避免制冷机组频繁启停等固有优点，因此光伏直流变频冷凝机组是未来冷凝机组发展的一个重要方向。

图2  光伏直流变频冷凝机组示意图

5结论

综上所述，冷凝机组应用于冷库、商超等特殊场所，常常需要全年运行制冷，消耗大量的能源的同时也造成了一定的环境污染问题。本文探讨了节能技术在冷凝机组中的应用，旨在提高冷凝机组的能源利用率及改善环保特性，详细介绍四种冷凝机组节能技术，包括直流变频技术、压缩机节能技术、精确控制技术以及光伏应用，总结如下：

（1）直流变频技术应用包括直流变频压缩机和直流变频风机的应用，直流变频机组应用于冷凝机组中，能够提高制冷机组能效，并提高运行的稳定性，同时温度控制精度也到提升。

（2）双级压缩机、高压腔压缩机和变容压缩机的使用，拓宽了机组的使用范围，更适合冷冻冷藏等低温工况下运行。

（3）精确控制技术在冷凝机组的应用使温度控制更加精准，有效保证货物质量，延长储存时间。

（4）光伏应用以其可再生、清洁、政策扶持等优势越来越受到人们的重视，冷凝机组与光伏应用契合使用是未来冷凝机组发展的一个重要方向。

参考文献

[1]崔景潭,晏刚,等. 变频空调压缩机及变频调速系统的技术现状[J].制冷与空调,2003 3（2）:11-13.

[2]郝华杰,申晓亮. 变频压缩机的研究现状[J].制冷技术,2010 4（7）:52-54.

[3]张秉祺. 变频器在风机风量调节中的应用[J].电机与控制应用,2008 35（1）:30-31.

[4]张建一,宋怡梦. 单级压缩或双级压缩制冷的技术经济分析[J].制冷技术,2009 37（12）:23-28.

[5]中国标准化研究院等.中国用能产品能效状况白皮书（2012）[M].北京:中国标准出版社，2012.

[6]李强,王斌. 直流准并网技术及其在光伏太阳能空调器上的应用[J].日用电器,2011 2（40）

[7] 赵洋,刘忠宝,等. 一种光伏直流空调器的理论研究及经济性分析[J].

[8] 江亿,等. 碳中和制冷技术发展路线，2022.