VRV空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究(一).

1、VRV 空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究(一)摘要：通過(guò)對(duì)影響蒸發(fā)器換熱量的講因素？D?D 膨脹閥開(kāi)度、空氣溫 度、風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、和冷凝溫度等參數(shù)的分析，得出了不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影 響和調(diào)節(jié)特性，提出了新的更適合于制冷系統(tǒng)的控制方法？D?D 風(fēng)量控過(guò)熱度、開(kāi)度控室內(nèi)溫度的獨(dú)立 控制原理和方法， 這種控制方法更適合用于制冷空調(diào) 系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)囂 電子膨脹閃工調(diào)節(jié)特性 控制方法 獨(dú)立控 制 電子膨脹閥？D?D 蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略符號(hào) CD?D?D 開(kāi)度系數(shù) Z?D?D 軸向長(zhǎng)度，m Te. Tc?D?D 蒸發(fā)、冷凝溫度，CTin?D?D 室內(nèi)溫 度，CTa?D?D 換熱器進(jìn)口風(fēng)溫，CFi?

2、D?D 壓縮機(jī)頻率，Hz Gr?D?D 制冷劑 流量，kg/s Ga?D?D風(fēng)量， m3/h Tsu?D?D過(guò)熱度，CTsb?D?D過(guò)冷度，CQ?D?敢熱量， kWp?D?D介質(zhì)密度，kg/m3 P-壓力，Pa h?D?D 介質(zhì)焓，J/kg A?D?D 管內(nèi)截面積，m2 S?D?Df內(nèi)截面周長(zhǎng)，m A (z) ?D?開(kāi)度對(duì)應(yīng)的截面積 d?D?D 管徑T?D?D 管內(nèi)表面切應(yīng)力，N/m2 q?D?熱流密度，W/m2a?D?D 兩相 流空泡系數(shù) g?D?D 重力加速度，9.8m/s2u?D?D 流速，m/s Ov?D?D 電子膨脹閥 開(kāi)度 下標(biāo) l?D?D 液相制冷劑 v?D?D 汽相制冷劑 a?

3、D?D 空氣 1.引言 隨著制 冷空調(diào)技術(shù)的迅速發(fā)展，空調(diào)器正在從傳統(tǒng)的單室內(nèi)機(jī)、單室外機(jī)的結(jié)構(gòu)逐漸 向單室外機(jī)多室內(nèi)機(jī)及多室內(nèi)機(jī)和多室外機(jī)系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸趨于復(fù) 雜，具有代表性的變流量制冷系統(tǒng)( Variable Refrigerant VolumeAir - conditioningSystem, 簡(jiǎn)稱(chēng) VRV 也從單元變流量制冷系統(tǒng)(SVRV 向多元變流量制冷系統(tǒng)發(fā)展( MVR)V 1-3 。對(duì)于多室內(nèi)機(jī)的熱回收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，室內(nèi) 機(jī)可能同時(shí)做冷凝器或蒸發(fā)器使用，而且隨著人民生活水平的提高，對(duì)室內(nèi)熱 舒適性也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的一些控制方法已不能再適應(yīng)新空調(diào)系統(tǒng)的 需要。由于系統(tǒng)的

4、復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)的一些基于制冷空調(diào)系統(tǒng)整體的控制 算法都由于其兼容性和可擴(kuò)展性等因素而受到了很大的局限，因此各室內(nèi)機(jī)和 室外機(jī)獨(dú)立控制的思想已經(jīng)被引入到制冷空調(diào)系統(tǒng)的控制之中，一些控制理論 和算法如矩陣電子控制算法、人工神經(jīng)元算法和模糊控制算法都已經(jīng)被引用到 實(shí)際的制冷空調(diào)系統(tǒng)中 4-8 。為使制冷空調(diào)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行，除了在控 制技術(shù)上提高之外，更要注重研究制冷空調(diào)系統(tǒng)本身的運(yùn)行調(diào)節(jié)特性。本文在 通過(guò)分析系統(tǒng)在制冷模式下電子膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機(jī)風(fēng)量、蒸發(fā)溫 度、冷凝溫度等對(duì)室內(nèi)機(jī)換熱的影響的基礎(chǔ)上，得出了室內(nèi)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，找 出了對(duì)室內(nèi)機(jī)制冷模式下更合理的控制策略。 2. 數(shù)

5、學(xué)模型 2.1 電子膨脹閥 電子膨脹閥是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)等手段使閥芯產(chǎn)生連續(xù)位移， 從而改變制冷劑流通 面積的節(jié)流裝置。研究表明，電子膨脹閥的流量特性可借鑒熱力膨脹閥的研究 成果9-12 ，其模型描述為： 能量方程： hin=hout(1) 動(dòng)量方程：2.2 蒸發(fā)管路及蒸發(fā)器模型 2.2.1管內(nèi)制冷劑側(cè)穩(wěn)態(tài)模型 在 VRV 空調(diào)系統(tǒng)中，由于膨脹閥可能設(shè)置在離蒸發(fā)器較遠(yuǎn)的位置，節(jié)流后的兩相制冷劑 沿膨脹閥后的管路進(jìn)入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器內(nèi)部的大部分區(qū)域制 劑處于兩相流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)液體過(guò)冷度較小時(shí)，由于管道阻力及上升立管中重力 的影響，液態(tài)制冷劑將會(huì)出現(xiàn)閃蒸，閃蒸之后管路內(nèi)的流動(dòng)也為氣、液兩相

6、流 動(dòng)；當(dāng)室內(nèi)換熱器制熱采用其出口電子膨脹閥控制制冷劑過(guò)冷度時(shí)，膨脹閥之 后的高壓液體管內(nèi)仍然可能呈氣、液兩相狀態(tài)。在制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)，蒸發(fā)管路 內(nèi)制冷劑兩相流呈環(huán)狀流 13,14 ，故本文以環(huán)狀流建模。因制冷劑蒸發(fā)現(xiàn)象可 能發(fā)生上述管段的任何位置，建模時(shí)必須在動(dòng)量議程中考慮重力項(xiàng)。 能量守恒 議程： 整理上述議程，分別得到氣、液兩相流的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒 方程。 質(zhì)量守恒方程： 動(dòng)量守恒方程： 式中Ptp=a pV+（1-a）pl 是微元管段中兩相流體單位容積的質(zhì)量，稱(chēng)為兩相流 體的密度。 在式（3）（5）中存在 P、a、uv 和 u1 四個(gè)未知數(shù)，方程無(wú)法 封閉求解。傳統(tǒng)的方法采用空隙率

7、經(jīng)驗(yàn)公式作為補(bǔ)充方程，使方程封閉。但目 前還不存在公認(rèn)準(zhǔn)確的空隙率模型計(jì)算公式；本文采用文獻(xiàn)4所提出的兩相界面關(guān)系方程使方程封閉。 氣、液兩相界面關(guān)系方程： 在式（ 3）（ 6）四 個(gè)方程中，共有 P、a、uv 和 u1 四個(gè)未知數(shù)，方程組封閉可解。2.2.2 空氣 側(cè)換熱模型 因橫流蒸發(fā)器外側(cè)的空氣流速較低，一般 Re 2000，且蒸發(fā)器沿 氣流方向的管排數(shù)較少，故忽略空氣側(cè)壓降，只考慮質(zhì)量守恒和能量守恒方 程。 質(zhì)量守恒方程： 能量守恒方程： 3. 調(diào)節(jié)特性 數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電 子膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，可以得出系統(tǒng)的仿真特性。對(duì)于選定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，換熱 器的幾何參數(shù)為定值，是一個(gè)不可調(diào)的參數(shù)。

8、因此，影響電子膨脹閥蒸發(fā)器 部分換熱效果的因素主要有電子膨脹閥開(kāi)度、換熱風(fēng)量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫 度、室內(nèi)環(huán)境溫度、換熱器幾何參數(shù)。 3.1 膨脹閥開(kāi)度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影 響 如圖 1 所示，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量為 600m3/h 其他參數(shù)不變時(shí)，蒸發(fā)器換熱量隨膨脹 閥相對(duì)開(kāi)度的變化曲線(xiàn)。 圖 1 換熱量隨膨脹閥相對(duì)開(kāi)度變化曲線(xiàn) 當(dāng)電子膨 脹閥開(kāi)度很小時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑流量也很小，制冷劑很容易在蒸發(fā)器內(nèi) 變成熱氣體， 在蒸發(fā)器出口處有一定的過(guò)熱度， 蒸發(fā)器兩端的制冷劑焓差基本 為一定值。因?yàn)橹评鋭┝髁侩S電子膨脹閥開(kāi)大而增加，在換熱條件仍能保證蒸 發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱時(shí)，出口制冷劑焓值變化不大，所以蒸發(fā)器

9、的換熱量也隨 流量的增加而逐漸增加。當(dāng)膨脹閥繼續(xù)開(kāi)大，制冷劑流量增大到一定程度以 后，換熱條件已經(jīng)不能使制冷劑出口有過(guò)熱度，出口已經(jīng)處于兩相區(qū)，管外空 氣側(cè)的流量和換熱系數(shù)基本為定值，制冷劑流量的增大造成出口干度的降低， 但管內(nèi)制冷劑的換熱系數(shù)會(huì)有所上升，因此，蒸發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相 對(duì)開(kāi)度的增加略有上升。這說(shuō)明，在蒸發(fā)器出口有過(guò)熱度的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié) 電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量的效果是很明顯的，而當(dāng)蒸發(fā)器出口 已出現(xiàn)回液的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量收效 甚微。 3.2 室內(nèi)機(jī)風(fēng)量對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響 換熱量隨室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化曲 線(xiàn)如圖 2 所示，當(dāng)風(fēng)

10、量很小時(shí)，不能使管內(nèi)的制冷劑完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有 一定的回液，隨著風(fēng)量的增加，管外的換熱系數(shù)也逐漸增加，空氣帶走的熱量 增多，因此蒸發(fā)器出口處的制冷劑干度也逐漸增加，制冷劑在蒸發(fā)器進(jìn)出口的 焓差逐漸增大，在制冷劑流量不變的情況下，換熱量逐漸增大，當(dāng)風(fēng)量增大到 一定程度以后，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑能夠完全蒸發(fā)，風(fēng)量增加使制冷劑只能進(jìn)行 顯熱交換，出口焓值變化已經(jīng)不大，所以換熱量隨風(fēng)量增大而略有增加。 圖 2 換熱量隨風(fēng)量變化曲線(xiàn) 3.3 冷凝溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響 在其他因素 不變的情況下，冷凝溫度、冷凝壓力的變化主要通過(guò)影響制冷劑流量來(lái)影響蒸 發(fā)器的換熱量，如圖 3 所示。隨著冷凝壓力的升高，電

11、子膨脹閥的進(jìn)出口壓差 也隨著增大，在蒸發(fā)器能夠保證制冷劑完全蒸發(fā)的情況下，制冷劑流量的增加 也就意味著蒸發(fā)器換熱量的增加。 圖 3 換熱量隨冷凝溫度變化曲線(xiàn) 3.4 蒸 發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響 在其他因素不變的情況下，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力 的變化從兩個(gè)方面來(lái)影響蒸發(fā)器的換熱量，一方面隨著蒸發(fā)溫度（蒸發(fā)壓力）的升高，電子膨脹閥的進(jìn)出口壓差減小，使得通過(guò)電子膨脹閥的制冷劑流量減 ?。涣硪环矫?，蒸發(fā)溫度的升高，使得制冷劑與空氣的換熱溫差減小，也使換熱效果降低。兩個(gè)方面的因素共同使蒸發(fā)器的換熱量隨著蒸發(fā)溫度的升高而降 低。如圖 4 所示。 圖 4 換熱量隨蒸發(fā)溫度變化曲線(xiàn) 3.5 室溫對(duì)蒸發(fā)器換熱

12、量的影響 室內(nèi)溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響如圖 5 所示。室內(nèi)溫度就是蒸發(fā)器 空氣側(cè)的入口溫度，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，室內(nèi)溫度主要影響管內(nèi)外的換熱溫 差，由于經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器冷卻，空氣溫度最多只能降低到蒸發(fā)溫度，所以當(dāng)風(fēng)量一 定時(shí)也決定了蒸發(fā)器的最大換熱量。當(dāng)室內(nèi)溫度很低時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑不 能完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有回液現(xiàn)象，隨著室內(nèi)溫度的上升， 換熱器的換熱量 也逐漸上升， 蒸發(fā)器出口的制冷劑干度也逐漸上升；當(dāng)室內(nèi)溫度上升至一定值 時(shí)，制冷劑能夠完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的過(guò)熱度，由于制冷劑溫度最高 只能升到室內(nèi)溫度，制冷劑的在蒸發(fā)器出口的焓值變化很小，換熱量隨室溫的 增加略有上升。 圖 5 換熱量隨室

13、溫變化曲線(xiàn) 3.6 調(diào)節(jié)參數(shù)的聯(lián)合 影響 影響蒸發(fā)器換熱量的參數(shù)中蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是表征系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)， 不能直接作為調(diào)節(jié)參數(shù)，室內(nèi)溫度是被控對(duì)象；如果系統(tǒng)正常運(yùn)行，還需要蒸 發(fā)器出口制冷劑保持一定的過(guò)熱度以防止回液。因此，要控制的參數(shù)是室內(nèi)溫 度和過(guò)熱度，能作為調(diào)節(jié)參數(shù)的只有室內(nèi)機(jī)風(fēng)量和電子膨脹閥開(kāi)度。室內(nèi)機(jī)風(fēng) 量和電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)室內(nèi)蒸發(fā)器的聯(lián)合影響結(jié)果如圖 6 所示。 圖 6 制冷 量、過(guò)熱度隨膨脹閥開(kāi)度和室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化曲線(xiàn) 電子膨脹閥和蒸發(fā)器聯(lián)合工 作輸入、輸出狀態(tài)方程可以用下式來(lái)表示： 結(jié)合前面的分析可以發(fā)現(xiàn)： (1) 當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑已經(jīng)過(guò)熱時(shí)，因制冷劑出口焓值變化不大，電子

14、膨脹 閥所決定的制冷劑出流量是決定換熱量的主要因素；風(fēng)量對(duì)換熱量不大，而對(duì) 過(guò)熱度影響較大。各調(diào)節(jié)手段民對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象之間可近似認(rèn)為是相互獨(dú)立的，此時(shí) B(t )是對(duì)角占優(yōu)的。 (2) 當(dāng)蒸發(fā)器出口為兩相流時(shí)，蒸發(fā)器空氣 側(cè)進(jìn)出口溫差基本為定值，換熱量主要由風(fēng)量決定，電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)換熱量 影響不大，但進(jìn)、出口焓差與流量近似成反比，對(duì)出口干度的影響較大。室內(nèi) 機(jī)風(fēng)量對(duì)過(guò)熱度同樣有較大的影響。此時(shí) B(t )是上三角矩陣。調(diào)節(jié)手段對(duì)控 制對(duì)象的影響是有一定的耦合度的。 (3) 只要保證蒸發(fā)器出口為過(guò)熱狀態(tài)， 就能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)手段與控制對(duì)象之間的獨(dú)立調(diào)控。而在制冷空調(diào)系統(tǒng)中，保證蒸 發(fā)器出口過(guò)熱又是保

15、證系統(tǒng)正常運(yùn)行所必需的條件之一。所以在過(guò)熱度優(yōu)先控 制的模式下，獨(dú)立調(diào)節(jié)是可以實(shí)現(xiàn)的。 (4) 在蒸發(fā)器出口未過(guò)熱的情況下， 調(diào)節(jié)風(fēng)量和調(diào)節(jié)膨脹閥開(kāi)度對(duì)過(guò)熱度有同等程度的影響。仍可以采用風(fēng)量控過(guò) 熱度優(yōu)先的方法，同時(shí)用膨脹閥開(kāi)度來(lái)改善風(fēng)量對(duì)過(guò)熱度的調(diào)節(jié)，獨(dú)立控制與 適當(dāng)?shù)鸟詈弦材苋〉猛瑯有Ч?根據(jù)上述分析，提出了風(fēng)量 Ga控制過(guò)熱度Tsu，電子膨脹閥開(kāi)度 Qu 控制室內(nèi)溫度 Tin 的控制策略。百事通 5.結(jié)論在兩 個(gè)優(yōu)先原則下，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)風(fēng)量與電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)室內(nèi)溫度與過(guò)熱度的 解耦控制，獨(dú)立控制策略是可以實(shí)現(xiàn)的；獨(dú)立控制策略可用于復(fù)雜的系統(tǒng)，可 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)采用分布式控制模式；獨(dú)立控制

16、策略便于實(shí)現(xiàn)模塊化，不會(huì)因系統(tǒng) 形式的改變而對(duì)控制方法產(chǎn)生較大的影響；獨(dú)立控制策略有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性， 不會(huì)由于系統(tǒng)的復(fù)雜而增加控制部分的成本。參考文獻(xiàn) 1 彥啟森 . 空調(diào)技術(shù) 的發(fā)展與展望 . 中國(guó)暖通空調(diào)制冷， 1998年學(xué)術(shù)年會(huì)學(xué)術(shù)文集， 1998：1-52 荒野？匆?.空調(diào)環(huán)境技術(shù)展望.三菱電機(jī)技報(bào)，1992, 66 (4): 2-33 石 文星 . 變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究 . 清華大學(xué)博士學(xué)位論 文， 20004 Fumio Matsuok. Electric Control Methods in matrix forminAir Conditioners. Ref

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