第１９卷第３期２　０　１　９年３月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ　６１－６４收稿日期：２０１９－０１－２８作者简介：陈清，高级工程师，学士，研究方向：单螺杆制冷压缩机、离心式制冷制冷压缩机。

单螺杆压缩机内容积比优化对部分负荷性能提升的研究陈清　沈鹏飞　范士则（麦克维尔空调制冷（苏州）有限公司）摘　要　螺杆式冷水机组全年大部分时间运行在部分负荷，提升部分负荷运行时压缩机的能效比，可有效降低机组全年运行能耗。

现有的定频单螺杆式制冷压缩机，内容积比通常以１００％负荷的运行工况设计。

而部分负荷运行时，由于环境温度降低，机组冷凝温度低于１００％负荷工况，压缩机排气压力与吸气压力比值下降。

此时压缩机内容积比与压比不匹配，存在过压缩损失。

针对部分负荷工况优化压缩机内容积比设计，可有效提高压缩机综合部分负荷能效比（ＩＰＬＶ），实现机组运行全年节能减排。

关键词　部分负荷；定频单螺杆制冷压缩机；内容积比优化；提高部分负荷能效比Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ＶＲ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｃｒｅｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｈｅｎ　Ｑｉｎｇ　Ｓｈｅｎ　Ｐｅｎｇｆｅｉ　Ｆａｎ　Ｓｈｉｚｅ（ＭｃＱｕａｙ　Ａｉｒ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ　＆Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ（Ｓｕｚｈｏｕ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．）ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｅ　ｓｃｒｅｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｃｈｉｌｌｅｒ　ｗｏｒｋｓ　ｏｎ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ａｔ　ｍｏｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｉｎ　ｔｈｅｆｕｌｌ　ｙｅａｒ．Ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｓｔ　ｅｆｆｅｃ－ｔｉｖｅｌｙ．Ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｔｈｅ　Ｎｏｎ－ＶＦＤ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｃｒｅｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｉｎｄｅｘ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｂｕｔ　ｗｈｅｎ　ａｔ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ，ｔｈｅ　ｃｈｉｌｌｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒａｔｉｏ　ｗｉｌｌ　ｇｏｄｏｗｎ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｒｏｐ．Ｔｈｕｓ　ｔｈｅｒｅ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｏｖｅｒ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｌｏｓｓｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｉｓｍａｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｉｎｄｅｘ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒａｔｉｏ．Ｏｐｔｉ－ｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ　ｉｎｄｅｘ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ，ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ｖａｌｕｅ（ＩＰＬＶ）．ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ；ｎｏｎ－ＶＦＤ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｃｒｅｗ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ；ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｉｎｄｅｘ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｉｏ；ｉｍｐｒｏｖｅ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 目前，我国建筑能耗占比已达到社会总能耗的三分之一，其中，空调和采暖的能耗约占建筑能耗的２０％。

因此，降低冷水机组的运行能耗，对整个社会的节能减排工作，可起到重要作用。

建筑物冷水机组的选型，通常根据最大热负荷进行。

然而，由于室外温度的变化，建筑物热负荷通常是低于冷水机组选型时的最大热负荷的，这将导致冷水机组大部分时间处于部分负荷下运行。

以北京地区夏季负荷为例，５～９月空调制冷季节中，建筑物配用的冷水机组９８％的时间运行在７０％负荷以下［１］。

因此，单纯地追求满负荷高性能，对冷水机组的全年运行的节能减排作用并不明显；而提高部分负荷能效比，已成为冷水机组的关键课题。

国家相关标准ＧＢ　１９５７７—２０１５已经提出了以综合部分负荷性能系数（ＩＰＬＶ）来认定冷水机组的能效等级［２］。

作为广泛应用于冷水机组的单螺杆式制冷压缩机，得益于变频和可变内容积比技术的应用，整机的ＩＰＬＶ可达到远超国家一级能效的标准。

然而不可否认的是，定频单螺杆冷水机组，由于其较为低廉的初始投资和较高的性价比，仍然占据市场的主流。

因此，我们仍需要研究如何提高定频　·６２　·第１９卷　单螺杆式制冷压缩机的部分负荷性能，以降低冷水机组的全年运行能耗。

１　单螺杆压缩机的内容积比作为容积式压缩机的一种，单螺杆压缩机通过改变气体体积来提高其压力（图１）。

吸气结束时，单螺杆压缩机的螺杆转子、星轮片和机体外壳之间形成一个密闭的基元容积Ｖ１；随着压缩过程的进行，这个密闭腔体的体积逐渐变小而气体压力逐渐升高；当密闭腔体与滑阀的排气孔联通时，压缩过程结束，排气过程开始，此时容积为Ｖ２［３－４］。

因此，根据气体状态方程，在理想状态下，压缩过程结束时，气体压力为Ｐ２＝Ｐ１×（Ｖ１／Ｖ２）ｋ，ｋ为气体绝热指数。

容积的比值Ｖ１／Ｖ２称为内容积比［５］。

图１　单螺杆压缩机工作过程定频单螺杆式制冷压缩机为了追求冷水机组整机满负荷工况的性能，一般根据满负荷的运行工况设置内容积比。

针对空调工况使用的水冷冷水机组，满负荷运行工况冷凝压力与蒸发压力的比值大约为２．６，单螺杆压缩机内容积比（ＶＲ）一般设计为２．０；而风冷冷水机组的应用工况，满负荷冷凝压力与蒸发压力的比值约为３．８，单螺杆压缩机的内容积比（ＶＲ）一般设计为３．０。

２　部分负荷运行时的过压缩损失与双螺杆压缩机类似，单螺杆压缩机也存在过压缩和欠压缩现象［６］。

不管是过压缩还是欠压缩，都将造成压缩机额外的做功损失。

如图２所示，当压缩结束时，压缩腔内部压力小于外部排气压力，将造成欠压缩，此时腔内气体将产生定容压缩，升高腔内压力，再排出压缩腔，造成的额外功率见图２（ａ）阴影部分。

而当压缩终止时，压缩腔内部压力高于外部压力则称为过压缩。

此时腔内气体将发生定容膨胀，额外消耗的无用功见图２（ｂ）阴影部分。

理想的压缩过程为图２（ｃ），压缩终止压力与外部背压相同，无额外做功损失，压缩机图２　容积式压缩机过压缩和欠压缩损失耗功最小，能效比最高。

由于定频单螺杆压缩机的内容积比是以满负荷运行工况设计的，因此，一般可以避免满负荷工况下的过压缩和欠压缩损失，获得较高的满负荷效率。

然而，当冷水机组处于部分负荷工况运行时，由于冷凝压力与蒸发压力的比值减小，导致压缩机处于过压缩状态，产生无效作功，降低压缩机能效比。

虽然，为了尽可能匹配内容积比与压缩机负荷，一般将排气口设置于压缩机的增减载滑阀上，使滑阀在减载的过程，内容积比逐渐降低，消除一定的过压缩损失。

但是，以满负荷工况设定压缩机内容积比，部分负荷时的过压缩损失无　第３期陈清等：单螺杆压缩机内容积比优化对部分负荷性能提升的研究·６３　·　法完全消除。

如图３所示，以水冷应用为例，随着滑阀的移动，部分负荷内容积比下降；当内容积比低于２２％时，位于机体上的固定排气口打开，内容积比进一步下降。

但是，由于满负荷内容积比的限制，部分负荷时的内容积比无法与运行工况完全匹配，运行时仍然存在一定的过压缩损失，导致压缩机效率下降。

图３　理论最佳内容积比与实际运行内容积比对比３　基于部分负荷工况的内容积比优化为了消除部分负荷时的过压缩损失，可以考虑基于部分负荷工况，优化减小压缩机的设计内容积比，以进一步消除部分负荷时的过压缩损失，提高部分负荷能效比。

虽然，基于部分工况优化设计后的内容积比，将造成满负荷存在一定的欠压缩损失，导致满负荷性能下降。

但是，由于冷水机组大部分时间处于部分负荷运行，相对于满负荷性能的下降，部分负荷的性能提升，对冷水机组全年的能耗降低能起到决定作用。

以机组综合部分负荷能效比（ＩＰＬＶ）的计算来看，１００％负荷性能占到的权重仅为２．３％，而７５％、５０％、２５％负荷占到的权重则分别为４１．５％、４６．１％、１０．１％。

因此部分优化单螺杆压缩机的内容积比，提高部分负荷能效比，如果能实现机组ＩＰＬＶ的提升，则可以降低机组全年的运行能耗。

以水冷冷水机组应用为例，根据ＧＢ／Ｔ　１８４３０．１中，关于水冷冷水机组的部分负荷水温和流量规定［７］，压缩机的在不同负荷下的运行工况见表１。

表１　水冷冷水机组部分压缩机运行工况负荷／％工况／℃Ｔｅ　Ｔｃ　ＳＨ　ＳＣ权重／％１００　５．５　３７　０．１　４．５　２．３７５　５．６　３１．５　０．１　３．５　４１．５５０　５．８　２８　０．１　２　４６．１２５　５．９　２２　０．１　１　１０．１ 从表１可见，部分负荷运行时机组冷凝温度低，压比小于满负荷工况。

以满负荷工况设计压缩机内容积比，部分负荷时，存在压缩机过压缩损耗，降低压缩机能效比。

我们通过计算水冷冷水应用不同满负荷与部分负荷内容积比之间的关系，发现当满负荷内容积比设计为为１．８时，部分负荷运行时的内容积比与实际运行压比最匹配，可获得最佳的部分负荷效率。

同时，为了调整２５％负荷工况的内容积比，我们优化了机体上固定排气口的开口尺寸，进一步降低了２５％负荷时的内容积比，以获得最佳的部分负荷运行效率。

优化后的部分负荷内容积比变化如图４所示。

图４中，内容积比曲线在低负荷时的转折是由于固定排气口地作用。

图４　优化前后部分负荷内容积比对比４　内容积比优化后的部分负荷性能为了实际验证内容积比优化对定频单螺杆压缩机部分负荷性能的影响，我们使用同一台压缩机，首先测试了优化前的压缩机性能；然后根据内容积比优化后压缩机排气口的几何尺寸，对滑阀和机体进行了加工更改，优化前后的压缩机排气口对比见图５。

图５　优化前后排气口对比针对表１水冷冷水机组压缩机运行的工况，测试内容积比优化前后压缩机在不同负荷下的性能见表２。

　·６４　·第１９卷　表２　内容积比优化前压缩机性能项目内容积比／％１００　７５　５０　２５ＩＰＬＶ优化前ＣＯＰ　６．０８　６．６５　７．０２　５．０１　６．６４优化后ＣＯＰ　６．０１　６．８２　７．３３　５．２９　６．８８由测试结果可见，将水冷冷水应用的定频单螺杆压缩机，内容积比由２．０ＶＲ更改为１．８ＶＲ，同时针对部分负荷运行工况内容积比的需求，优化机体固定排气口。

虽然满负荷ＣＯＰ下降了约１．２％，但是部分负荷工况ＣＯＰ均有不同程度的提升，综合部分负荷能效比（ＩＰＬＶ）提高约３．６％。

不同负荷ＣＯＰ对比见图６。

图６　内容积比优化前后压缩机性能对比５　结束语由于冷水机组大部分时间运行在部分负荷工况下，因此以综合部分性能系数（ＩＰＬＶ）来评价冷水机组的性能，是一种较为科学和客观的方式。

传统的定频单螺杆式制冷压缩机，内容积比是以满负荷运行工况设计的，虽然满负荷运行时性能较高，但是部分负荷存在过压缩损失。