风冷变频制冷系统运行能耗分析与实验
摘要：文章研究了风冷制冷系统变频运行时频率对系统性能的影响，并对变频节能的机理进行了分析。通过实验，定量分析变频风冷制冷系统的节能作用。实验结果表明，在实验工况下，变频制冷系统与定频系统相比能节省6％左右的能耗。
Abstract: This paper studies the effect of frequency conversion technology on the performance of refrigeration system and analyses the reason of the energy conservation. The system's function of energy conservation is certificated with quantitative classification in the experiment. The result of the experiment shows that the refrigeration system adopting frequency conversion technology can save energy about 6%.
Keywords: Frequency conversion Air conditioning
1 前言
在制冷系统中，压缩机作为制冷系统中重要的环节之一，其能量消耗非常大，通常情况下占到总能耗的25％－ 50％。对于制冷系统变工况、变负荷的运行条件，理想的系统控制方式是用变频器改变压缩机转速，与实际负荷相匹配，实现制冷系统的节能，变频技术在空调制冷系统中应用得越来越多。日本研究和应用变频技术较早，到上世纪90 年代末变频空调器的市场占有率就已达到了90％以上。我国在90 年代也引入了变频技术，但到目前为止，变频空调在房屋建筑中仍采用较少，设计人员对其节能优势的认识也有所不够。本文通过实验定量分析了变频制冷系统的节能作用。
2 变频制冷系统的节能分析
变频式压缩机主要是通过改变电源频率使压缩机的电机转速变化而达到流量控制的目的。其感应电动机的转速(r/min)表达式为：
（式中: n—电机的转速(r/min) ;
f —— 电源频率(Hz) ;
p —— 电机的极对数;
s —— 电机转差率.
电机功率与电机转速的关系为：
式中: N0 —— 设计工况下电机的功率(kW) ;
n0 —— 设计工况下电机的转速(r/min) ;
N1 —— 电机的实际功率(kW) ;
n1 —— 电机的实际转速(r/min) .
从式（1）中可以看出改变电机的电源频率f 就可以改变电机的转速n；而式（2）则表明电机输入功率的变化率是转速变化率的三次方，只要转速变小，输入功率就能很快变化到某个较小的数值，从而取得较明显的节能效果。
变频制冷系统可以随室内热负荷的变化而调整压缩机转速，使制冷量与热负荷达到平衡。在初始运行阶段，压缩机以最大转速运转，使室温迅速地降低。当接近到设定值时，控制程序控制压缩机转速降低，制冷量减少，以平衡室内的热负荷。由于实际制冷系统通常是在设计的额定负荷以下工作的，这样变频压缩机通常可以在低频、低制冷量的情况下运行以维持热的平衡，功耗较小。在这样的工作条件下，传统的定频系统只能在额定频率下运转，不能与实际负荷相匹配，不可逆损失大，相比变频系统而言，其功耗大。
通常定频系统采用开停控制，使得室内温度波动较大，并且带来了开停损失。当压缩机开机后，排气压力迅速增加，同时压缩机吸气压力迅速下降，蒸发器液态工质闪蒸，引起蒸发器内部温度迅速下降，大量的液态工质转移到气液分离器中，并在其内气化，而以液态形式离开蒸发器的工质未能起到制冷作用，使开机阶段冷量反而下降。停机时，系统高温高压区的液态工质通过节流装置转移到低温低压区，这个节流过程是高度不可逆的自发过程，伴随着可用能的损失。下次开机时重新建立冷凝压力和温度分布，多消耗的压缩功在下一次停机时再一次耗散。可见，相比于低转速连续工作的变频制冷系统而言，定频制冷系统功耗要多。
3 实验装置
本实验是在自搭建的制冷系统智能控制实验台上进行的。制冷系统为蒸汽压缩式循环，工质为R22。系统中分定频和变频两个回路。变频回路中节流装置为电子膨胀阀，定频回路中节流装置为热力膨胀阀。被冷却空间是由硬质聚氨脂泡沫塑料围成的2 m × 2 m × 2 m 的冷库。其系统流程图如图1 。
实验 中通过测量压缩机与变频器总的功率来近似压缩机耗功。采用间接测量制冷量的电量热法：冷库隔热采用硬质聚氨脂泡沫塑料，导热系数较小，通过调节电加热器输入电压保证库内温度不变，从而可忽略冷库向外界的散热量，此时电加热器所消耗的功率就近似地看作制冷系统运转频率下的制冷量。这种间接测量制冷量的方法操作简单，易于在实验室中实现。
4 实验结果分析
4.1 系统性能分析
变频制冷的最大特点就是可通过改变输入频率来改变系统的制冷量。为了了解在不同频率下系统的制冷量和EER 值，获得变频制冷系统的主要性能。实验测定了从30 — 110Hz 频率每隔5Hz时压缩机输入功率和制冷系统的制冷量，并由此计算不同频率下系统的EER 值。实验结果如图2 所示：
从系统性能图2 中可以看出，压缩机耗功与频率基本呈线性关系，随着运行频率的升高，压缩机输入功率不断增大，但是在30Hz 以下，压缩机功率随频率的变化趋于平缓，随着频率的降低而变化得较小，这是由于电机效率的降低以及压缩机摩擦功耗占据压缩机功耗的主要部分，此时制冷量较小，节能效果不明显，所以设定压缩机运转频率的下限为30Hz。随着频率的增加，制冷量的变化规律是非线性的，频率越高，制冷量增加得越少。在75Hz以下的EER 值明显较75Hz 以上的EER 值高，随着频率的增加，E E R 值基本上呈下降的趋势。
4.2 系统能耗分析
设定过热度为5℃，蒸发压力0.164MPa，环境温度20℃，调节电加热器功率为0.45kW，分别采用变频制冷系统和定频制冷系统对被冷空间进行冷却，保持库内温度为-5℃。实验结果如表1所示：
可以看出，采用变频控制连续制冷较定频开停控制10 小时可以节能6.32％。变频制冷系统在开机阶段频率逐渐增大，达到最大运转频率，制冷量加大，输入功率也较大，使库温迅速降低。降低到设定值以后，频率较小，制冷量相应减小以平衡热负荷，压缩机一直运行在低频率，低功耗的状态下。而定频系统在达到库温设定值以下时停机，当库温由于热负荷的影响增大时，系统重新开机，过程中存在开停损失。随着系统运行时间的增加，节能的比率还能进一步增加。
5 结论
通过本实验，可得到如下结论：
①制冷系统变频运行时，低频率工况时系统的EER 值比高频率工况时要高。
②采用变转速压缩机的制冷系统比定频制冷系统能节省能耗6％左右。
参考文献
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