工商用制冷壓縮機的發展與展望

中國３０多年來經濟的高速發展，造就了巨大的制冷（熱泵）裝置需求，比如建筑業發展使得空調使用量急速增長；冷藏鏈及其物流業發展，加快冷凍冷藏基礎建設的速度。２０１５年中國集中空調市場的整體容量約為６６０億元人民幣。但是，制冷（熱泵）產品的大量使用消耗了巨大的電力，也形成了巨大的節能減排壓力；食品質量和安全是民眾更加關心的問題，這就要求更普遍地使用冷藏鏈設備，而且要求冷藏鏈設備具備更高的品質。
目前上正在普遍采用的無臭氧破壞作用的替代ＣＦＣｓ和ＨＣＦＣｓ的制冷劑ＨＦＣｓ，包括目前常用的Ｒ１３４ａ，Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４０４Ａ 等，均屬于《聯合氣候變化框架公約》框架下的《京都議定書》所列明的應實施減排的六大類溫室氣體之一。
２０１６年１０月，《蒙特利爾議定書》第２８次締約方會議上，社會達成了基加利修正案，規定了對ＨＦＣｓ開展逐步削減的時間表。新的修正案將對行業未來的發展帶來全面而深刻的影響，將推動制冷劑進行新一輪的替換，即用低溫室效應潛能（ＧＷＰ）的制冷劑替換目前廣泛使用的高ＧＷＰ制冷劑，如Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ 等。所有這些，再加上產品傳統的高質量、低成本要求，造就了目前制冷（熱泵）產品在我國大發展的時代、更是大變革的時代的總體表現是產品種類繁多、技術日新月異，很多資深的專業人士都感到茫然、眼花繚亂，更別說非專業人士和廣大用戶了。
作為制冷（熱泵）系統或機組的核心部件，壓縮機決定其性能和成本，是一種設計和制造水平要求*的產品，既是制冷技術水平的綜合體現，也是制造水平的綜合反映。另外，壓縮機必須適應制冷（熱泵）技術和產品的發展和變革，這也造就了壓縮機在我國市場上不僅品種多，而且新產品、新技術、新工藝不斷涌現。這里，筆者依據主要壓縮機生產廠商的技術資料，對目前我國市場上銷售的工商用制冷壓縮機產品進行梳理，分類介紹它們的性能特點、主要參數、運行范圍和技術特征，以期能對我國工商用制冷壓縮機市場有一個概貌性介紹。

圖１　工商用制冷劑壓縮機制冷量分布
目前我國市場上常見的工商用制冷壓縮機的制冷量范圍如圖１所示，活塞式壓縮機和渦旋式壓縮機（包括全封閉和半封閉式）的制冷量普遍在３００ｋＷ 以下，開啟式活塞式壓縮機和螺桿式壓縮機的制冷量范圍分布在２０００ｋＷ 以下，離心式壓縮機的制冷量可以達到９０００ｋＷ。
工商用制冷壓縮機的排氣量如圖２所示，半封閉活塞式壓縮機、開啟式活塞式壓縮機、全封閉螺桿式壓縮機和渦旋式壓縮機的排氣量都在４００ｍ３／ｈ以下，半封閉螺桿式壓縮機的排氣量在２０００ｍ３／ｈ以下，開啟式螺桿式壓縮機的排氣量可達８９４３ｍ３／ｈ。

圖２　工商用制冷壓縮機排氣量分布
１、活塞式壓縮機
１．１　冷藏鏈用（中低溫用途）
半封閉活塞式壓縮機是冷凍冷藏領域中小型制冷裝置采用的主要機型，如圖３所示。從適用的蒸發溫度看，半封閉活塞式壓縮機有中高溫、中溫和低溫工況機型；從適用的冷凝溫度看，有低冷凝壓力（水冷）和高冷凝壓力（風冷）機型。半封閉活塞式壓縮機的冷卻方式主要有２種，分別是吸氣冷卻和空氣冷卻。該類型壓縮機的蒸發溫度能夠達到－５０℃，適用的制冷劑為Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ，Ｒ５０７Ａ，Ｒ１３４ａ和Ｒ４０７Ｃ，常用機型的名義功率為０．５～７０ｈｐ（１?。瑁穑剑埃罚常怠。耄祝?，制冷量范圍約為０．３１～
８２．８?。耄?。

圖３　半封閉活塞式壓縮機
單機雙級半封閉活塞式壓縮機如圖４所示，其部分汽缸作為高壓級缸，其余汽缸作為低壓級缸，常見的高、低壓缸數比為１：２或１：３。該類壓縮機適合低溫用途，適用的制冷劑為Ｒ２２和Ｒ４０４Ａ，常用機型的名義功率為１５～３０?。瑁?，制冷量范圍約為１５～４０?。耄?，排氣量范圍為２８～１０１．２?。恚常?。此類壓縮機應用于較低的蒸發溫度場合，可用Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ和Ｒ５０７Ａ制冷劑，其顯著優勢就是采用板式換熱器進行液體過冷處理，提高了制冷量與系統的總能效，允許zui低蒸發溫度達到－６０℃。

圖４　單機雙級半封閉活塞式壓縮機
低溫用途的ＣＯ２半封閉活塞式壓縮機主要用于亞臨界循環，亞臨界循環的ＣＯ２壓縮機冷凝溫度范圍為－２０～１０ ℃，蒸發溫度范圍為－２５～－５０℃，電機功率范圍為０．５～３０?。瑁?。圖５所示為此類壓縮機的運行工況范圍，其主要用于復疊制冷系統的低溫級。

圖５　亞臨界循環的ＣＯ２半封閉活塞式壓縮機運行界限
開啟式活塞式壓縮機具有轉速高、多汽缸、節能、排氣溫度低、適用溫度范圍寬、安裝維修方便等特點，目前在中大型冷藏庫中仍有廣泛使用。該類壓縮機設有頂開吸氣閥片的調節機構，可以使部分或者全部汽缸處于卸載狀態，從而實現分級能量調節。例如，對于６缸機型，可實現“三級”能量調節（３３％，６６％和１００％）；對于４缸和８缸機型可實現“四級”能量調節（２５％，５０％，７５％和１００％）。１２５缸徑系列分別有２，４，６和８缸機型，適用工質為Ｒ７１７和Ｒ２２，配用電機功率為２２～１１５?。耄?，制冷量范圍約為６１～２６４?。耄?。１７０缸徑系列分別有４，６和８缸機型，適用工質為Ｒ７１７，配用電機功率范圍為９０～２５０?。耄?，制冷量范圍為
２５５～１?。保保丁。耄?。６缸和８缸機型有單機雙級壓縮機，其中的２個汽缸作為高壓級缸，其余汽缸作為低壓級缸，蒸發溫度可以低至－４５℃。圖６所示為開啟式Ｒ７１７活塞式壓縮機。

圖６　開啟式Ｒ７１７活塞式壓縮機
１．２　空調用（中高溫用途）
常見空調用半封閉活塞式壓縮機，單臺輸入功率范圍為１０～１９０ｈｐ，３～８臺并聯后用于制冷量范圍為８６～３５００ｋＷ 的冷水機組。
中高溫用途的ＣＯ２半封閉活塞式壓縮機主要用于跨臨界循環，高壓側zui大壓力為１４０ｂａｒ，低壓側zui大壓力為８０ｂａｒ。圖７所示為跨臨界循環ＣＯ２半封閉活塞式壓縮機的運行界限。
空調用全封閉活塞式壓縮機的排氣量范圍為５．２６～９４．５ｍ３／ｈ，輸入功率范圍為１．３９～２６．７９ｋＷ。

圖７　跨臨界循環ＣＯ２半封閉活塞式壓縮機的運行界限
２、螺桿式壓縮機
２．１　冷藏鏈用（中低溫用途）
螺桿式壓縮機主要應用于大中型的冷藏凍結裝置，如速凍設備、預冷設備、制冰機和冷藏庫等。zui常見的型式是低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機，適用制冷劑為Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ 和Ｒ５０７Ａ等，常用機型的排量范圍為１００～４２０?。恚常?。此類壓縮機的能量調節方法有：旁通調節和滑閥調節。
滑閥調節方法通過油壓系統和滑閥實現，可實現“三級”能量調節（３３％，６６％和１００％）、“四級”能量調節（２５％，５０％，７５％和１００％）或“無級”能量調節（２５％～１００％連續）；旁通調節方法通過旁通系統實現，可實現“三級”能量調節。通常情況下，壓縮機的內容積比（即壓縮比）是固定的，例如：內容積比為４．４，比較適合應用于低蒸發溫度工況（蒸發溫度zui低可至－５０℃）；內容積比為２．６，比較適合應用于中、高蒸發溫度工況。有的機型內置容積比調節裝置，壓縮機運行時可根據工況實時調整內容積比。部分機型可選配補氣口（即經濟器口），構成制冷系統時可實現經濟器流程，進一步提高制冷性能和能效比，特別是對于中、高壓縮比的場合尤其適合。單機系統自帶多段式油分離器，分離效果好且壓降低。圖８所示為低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機。多臺壓縮機可以并聯成機組使用，每個并統可以連接多至６臺壓縮機。

圖８　低溫用途的半封閉螺桿式壓縮機

圖９　開啟式螺桿式壓縮機
隨著上已達成全面禁用氟氯烴（ＣＦＣ）類、逐漸限制使用氫氟氯烴（ＨＣＦＣ）類制冷劑的共識，氨作為自然工質，在大型制冰系統、建筑領域、醫療制藥等制冷工程有著廣泛的應用。為此，主要生產商專門開發了開啟式螺桿式壓縮機系列產品，以滿足廣大客戶的需要，如圖９所示。目前常用機型的排氣量范圍為１９０～１?。担埃啊。恚常?。壓縮機的內容積比有固定和可調２種類型，通常情況下，固定式的內容積比為２．２，２．６和３．０等；可調式內容積比范圍為２．６～５．１。為了達到更低溫度、更率的目的，近年來有生產企業推出了單機雙級螺桿式壓縮機，圖１０所示為一臺螺桿式壓縮機實現二級壓縮。圖１１所示為單機雙級螺桿式壓縮機以氨為工質時的運行界限。該壓縮機有開啟式和半封閉式２種型式，對于開啟式機型，氨、氫氟烴（ＨＦＣ）類制冷劑均可使用，對于半封閉式機型，只可使用氫氟烴（ＨＦＣ）類制冷劑，如Ｒ４０４Ａ和Ｒ５０７Ａ等。目前常用機型的排氣量范圍為５００～５?。埃埃啊。恚常?，吸氣壓力對應的制冷劑飽和溫度范圍為－６５～－１０℃，排氣溫度范圍為４５～１００℃，設計壓力為２．８?。停校?，可以實現
１０％～１００％的連續無級能量調節。通常采用分子篩三級油分離系統，分油效率達到９９．７％。

圖１０　開啟式單機雙級螺桿式壓縮機

圖１１　單機雙級螺桿式壓縮機的運行界限（ＮＨ３）
２．２　空調用（中高溫用途）
工商空調用螺桿式壓縮機主要是半封閉型式，使用的工質為Ｒ２２，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ１３４ａ等。電源有：２相，２３０Ｖ，５０Ｈｚ和３相，４００Ｖ，５０Ｈｚ。容量調節方式主要采用滑閥調節方式，可選擇四級或無級調節；也可采用旁通調節方式，為三級冷量調節或二級冷量調節。自帶ＥＣＯ（經濟器）接口，可直接連接經濟器進一步提高能效比?？蛇B接液噴、外置油冷卻器，使壓縮機在高排氣溫度時應用范圍更大?？蛇x擇不同內容積比，并可增加內置內容積比調節裝置，使壓縮機具備運行時內容積比切換的功能。圖１２所示為中溫用途的半封閉螺桿式壓縮機。

圖１２　中溫用途的半封閉螺桿式壓縮機
立式全封閉螺桿式壓縮機采用耐高溫電機，保證壓縮機長期*運行。該壓縮機用于空氣源熱泵機組，空調工況制冷量范圍為２４６～１７８０ｋＷ，制熱量范圍為２８５～２０２４ｋＷ。
螺桿式壓縮機的容量調節一般采用滑閥進行調節。變頻螺桿式壓縮機采用變轉速進行容量控制。例如，有廠家開發了Ｒ１３４ａ變頻螺桿式制冷壓縮機，內置變頻器，體積小、結構緊湊、安裝簡易，變頻調節范圍為３０～７０Ｈｚ（推薦范圍），在應用范圍內的任意工況下效率均實現*化，功率因數高于０．９。
３、渦旋式壓縮機
與活塞壓縮技術相比，渦旋技術具有與生俱來的優勢。渦旋式壓縮機內配有獨立的渦旋腔，因此可以省去吸氣閥。與往復式壓縮機的脈沖壓縮方式相比，渦旋式壓縮機的連續壓縮方式可省去吸氣與排氣消聲器。由于避免了壓力在閥門與消聲器上的損失，壓縮機的效率更高。
３．１　冷藏鏈用（中低溫用途）
低溫渦旋式壓縮機（如圖１３所示）適用于zui低可達－４０℃的低溫制冷領域，其運行工況范圍見圖１４，主要用于超市用陳列柜。該系列壓縮機帶有補氣口，構成經濟器流程，經濟器采用板式換熱器。該類壓縮機適用工質為Ｒ２２，Ｒ４０４Ａ 和Ｒ４０７Ｃ，工作容積范圍為１１５～２０５ｃｍ３，制冷量范圍為６～２２ｋＷ。
ＣＯ２亞臨界渦旋式壓縮機，制冷量范圍為７～２３ｋＷ，采用數碼調節方式，可實現１０％～１００％容量范圍內的無級調節。

圖１３　低溫渦旋式壓縮機

圖１４　低溫渦旋式壓縮機運行工況范圍
３．２　空調用（中高溫用途）
渦旋式壓縮機早期主要應用于單元式空調機。對于商用空調，早期使用渦旋式壓縮機的產品為空氣源熱泵冷（熱）水機、屋頂式空調機，壓縮機的輸入功率范圍為７～１５?。瑁?，工作容積９０～１８２ｃｍ３，能效比高達３．３，適用的制冷工質為Ｒ４１０Ａ，Ｒ２２和Ｒ４０７Ｃ。圖１５所示為中高溫用途的全封閉渦旋式壓縮機。

圖１５　中高溫用途的全封閉渦旋式壓縮機
隨著技術的進步，渦旋式壓縮機進一步大型化，目前市場供應的大型商用空調渦旋式壓縮機的名義功率范圍為２０～４０ｈｐ，能效比范圍為３．２５～３．４９，適用的制冷劑為Ｒ２２，Ｒ４０７Ｃ和Ｒ４１０Ａ，主要用于冷水（熱泵）機組，以及大型空氣源熱泵機組和屋頂式空調機等。而某公司的Ｒ４１０Ａ 機型，名義功率為６０?。瑁?，制冷量高達１８３ｋＷ，能效比為３．１９，噪聲為８８ｄＢ（Ａ）。該類壓縮機系列均有補氣口（ＥＶＩ孔）選配。帶補氣口的渦旋式壓縮機可以構成經濟器流程，運行工況范圍顯著擴大，能夠改進其在寒冷氣候區的制熱性能和炎熱氣候區的制冷性能，能效比也有所改善。
多臺壓縮機可以并聯使用，如圖１６所示，以擴大應用的容量范圍。應用２０～４０?。瑁鹕逃脺u旋式壓縮機，zui多并聯壓縮機數量為６臺，推薦系統配置方式見表１。采用機械能量調節方式的數碼渦旋式壓縮機（如圖１７所示）可實現１０％～１００％的容量調整范圍，實現０．５℃的溫度控制。

表１　多臺壓縮機并聯使用推薦系統配置方

圖１６　大型商用并聯渦旋式壓縮機組

圖１７　數碼渦旋式壓縮機
半封閉渦旋式壓縮機（如圖１８所示）適用工質為Ｒ２２，Ｒ１３４ａ，Ｒ４０４Ａ，Ｒ４１０Ａ 和Ｒ５０７Ａ，排氣量范圍為３８．５～７２．３?。恚常?，制冷量范圍（Ｒ２２）為２６．５～７６．９?。耄?。

圖１８　半封閉渦旋式壓縮機

圖１９?。墓荆裕韵盗须x心式壓縮機
４、離心式壓縮機
目前市場上很難見到中低溫用途離心式壓縮機。中高溫用途離心式壓縮機多應用于１０００～４５００ｋＷ 制冷量范圍的中、大型制冷系統。
磁懸浮軸承是一種利用磁場使轉子懸浮起來，從而在旋轉時不會產生機械接觸及機械摩擦，不再需要機械軸承以及機械軸承所必需的潤滑系統。因此，近年來企業推出了使用磁懸浮軸承的離心式壓縮機產品。
圖１９所示為Ｄ公司生產的ＴＴ 系列離心式壓縮機。該系列壓縮機配備徑向和軸向磁軸承使得軸實現懸浮，從而避免金屬之間的接觸，并因此避免摩擦及潤滑要求。該系列壓縮機采用Ｒ１３４ａ制冷劑，zui高壓比達到５．２，zui大轉速為４００００ｒ／ｍｉｎ，制冷量范圍為２１０～７００ｋＷ。
Ｇ公司ＣＣ系列磁懸浮變頻離心式冷水機組采用永磁同步電機、雙級壓縮等多項先進技術，機組滿負荷性能系數（ＣＯＰ）可達７．１９，部分負荷綜合能效系數（ＩＰＬＶ）達１２．０６。
Ｔ公司開發的三級壓縮冷水機組將三級壓縮、直接傳動和二級經濟器等先進的節能技術集于一體，效率高、振動小、噪聲低、制冷劑泄漏量少，調節能力和工況適應能力很強，很早就應用于蓄冰工況和熱泵工況。制冷量范圍為２２８５～８７９０ｋＷ，輸入功率范圍為３５３～１２５９ｋＷ。
５、主要技術特征和趨勢
通過以上介紹可以看出：壓縮機廠家都在通過新技術、新工藝的應用不斷改進、完善壓縮機的性能，使之性能進一步提高、成本進一步降低；其次，細化產品系列和型號，更好滿足不同用戶的需求；其三，重視產品額定工況能效比提高的同時，更加注重改善壓縮機的全工況性能和能效水平，以及適合環保的法規。
從整體上看，我國市場銷售的壓縮機產品的技術特征和變化趨勢還是比較顯著的，具體歸納如下：
１）型式多樣化
活塞式、螺桿式、渦旋式和離心式等主要壓縮機型式，在冷藏鏈、商用空調、工業制冷等應用領域均有相應的壓縮機產品。在型式趨于多樣化的同時，各種工商用制冷壓縮機的容量和運行范圍得到不斷擴大，使其傳統領地出現了交錯重疊。例如，在商用空調領域，渦旋式壓縮機的大型化和螺桿式壓縮機在名義功率３０～６０?。瑁鸱秶霈F重疊，離心式壓縮機的小型化又和螺桿式壓縮機在名義功率１００～３００ｈｐ范圍出現重疊；冷凍用途的低溫渦旋式壓縮機與傳統的中小型半封閉活塞式壓縮機產生了競爭。
２）領地壟斷化（專門化）
盡管壓縮機型式多樣，應用范圍出現了重疊，但是在某些特定應用場合，主導機種的壟斷性在加強。例如，渦旋式壓縮機在６～３０ｈｐ（壓縮機電機功率）商用空調壓縮機這一領地獨占優勢，全封閉活塞式壓縮機用量持續減少；３０ｈｐ以下的冷凍壓縮機，以及新出現的ＣＯ２亞臨界循環壓縮機，基本上是半封閉活塞式壓縮機的天下，渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機對其無法構成實質性的競爭；３００ｈｐ以上的冷水機組中，離心式壓縮機也無競爭對手。
３）工質自然化
只有自然工質能夠很好地滿足零ＯＤＰ和低ＧＷＰ的要求，盡管它們物性存在這樣或者那樣的不足，但自然工質壓縮機的應用一直在持續增長。Ｒ７１７壓縮機，除了在大型冷庫使用外，目前在復疊制冷系統和熱泵熱水機組得到一定的應用；ＣＯ２壓縮機在復疊制冷系統和熱泵機組的應用持續增加；另外，Ｒ２９０壓縮機和Ｒ７１８壓縮機在熱泵機組和空調機組中得到應用，目前研究人員還在致力于Ｒ７２９制冷技術民用化。
４）調節連續化
頂開吸氣閥等傳統的壓縮機能量調節方式，一般都是“三級”或“四級”的階梯式調節，這種調節方式無論是控溫精度還是能效水平都不理想。近年來，壓縮機逐步采用連續性的調節方式，如螺桿式壓縮機滑閥和數碼渦旋式壓縮機都能實現１０％～１００％范圍內能量的連續調節。更值得說明的是，連續調節特性更優的變頻驅動調節，目前所有機種均有變頻的機型，壓縮機采用變頻驅動的趨勢非常明顯。
５）工況擴大化
各種壓縮機都在持續地擴大其運行工況，使單個壓縮機構成的制冷（熱泵）系統能夠在更高的冷凝溫度或更低的蒸發溫度下工作，以達到傳統雙級壓縮或復疊系統才能達到的溫度范圍。zui明顯的例證是，采用單機雙級螺桿式壓縮機的系統可以達到－６０℃的蒸發溫度；強化補氣的渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機，可以使系統能夠在－２０℃低溫環境中具備良好的制熱性能。
６）功能熱泵化
近年來，隨著空氣源熱泵熱水器在我國市場走俏，各大生產商爭相研發和生產以制熱功能為主的熱泵壓縮機，產量一直持續增長。隨著北方清潔空氣行動的加快，以及長江中下游等南方地區采暖呼聲越來越高，替代北方冬季傳統燃煤采暖的熱泵機組和適合南方采暖需求的熱泵機組的市場容量將會急速增長，這都將進一步擴大熱泵壓縮機的品種和產量。
盡管上述變化特征十分明顯，但與上世紀后３０年以活塞式壓縮機、渦旋式壓縮機大規模應用為代表的壓縮機旋轉化趨勢相比，都是改良而非革命性的變革。隨著出臺的節能減排和環境保護法規越來越嚴格，壓縮機變革的呼聲越來越高，變革的力量正在聚集。壓縮機的變革如何破局，筆者認為，一方面是機構上的突破；另一方面是壓縮原理上的突破。相信通過壓縮機同行們的不懈努力，將持續推動壓縮機技術和產品的快速進步。