VRV空调系统特性与控制策略研究（二）――――压缩机-冷凝器联合调节特性与控制策略

摘要 　　通过对影响VRV空调系统压缩机-冷凝器模块流量和换热量的压缩机频率、室外空气温度、冷凝温度、冷凝器风量、压缩机吸气压力与吸气过热度的模拟分析，得出了不同参数对系统的影响和调节特性，提出了压缩机频率控制冷剂流量，室外机风量控过冷度的新的控制原理和方法，这种方法更适合于VRV空调系统。 关键词：VRF空调系统　压缩机　冷凝器　调节特性　控制策略　独立控制

符号 　　f*----压缩机的零频率，因压缩机而异 　　α、β----常数，且α＜1，β＞1 　　υ、υ0----在特定的吸气温度、实际吸气温度下的比容 　　Fυ----容积效率修正系数 　　h0、△h----在特定、实际吸气温度下等熵压缩至排气压力时的焓增 　　ρH----断面上制冷剂的均相平均密度 　　hH-----断面上制冷剂的均相平均焓 　　ai、bi、ci、ci----常数 　　θ----液面与管道轴心之间所形成的夹角 　　其它符号同本文（一） 　　 　　 1.引言 　　在本文（一）的基础上，通过分析VRV空调系统在制冷模式下压缩机频率、室外温度、室外机风量、蒸发温度、冷凝温度等对室外冷凝器换热的影响，得出了室外机的调节特性，从而归纳出了制冷模式下对室外机机更合理的控制策略――压缩机频率控制制冷剂流量，室外机风量控制过冷度。 　　 　　 2.仿真模型 　　 　2.1变频压缩机 　　定速压缩机的建模至今已研究得较为充分，现在普遍采用图形法和效率法。本文针对VRV系统中使用最为广泛的旋转活塞式变频压缩机建立了图形法仿真模型[1]。 　　制冷剂流量： 　　　 　　输入功率： 　　 　　出口温度： 　　 　2.2 冷凝管路和冷凝器 　　 　　2.2.1 管内两相制冷剂稳态模型 　　制冷剂凝结换热主要在冷凝器内进行，但小负荷制热运行时，由于压缩机排气温度较低及管路的绝热效果不理想，制冷剂蒸汽在压缩机至室内冷凝器之间的高压气体管中也可能出现凝结现象。根据管内流速不同，制冷剂在管内两相区的流动可能存在三种流型，即雾状流、环状流和波状流。其流型的划分可根据韦伯数We和傅鲁德数Fr来判定［2］。 　　雾状流：We≥40及Fr≥7 　　环状流：We＜40及Fr≥7 　　波状流：Fr＜7 　　对于压缩机至室内冷凝器之间的竖直管段，不存在波状流流型，波状流将存在于雾状流之后，环状流将靠近冷凝管的末端。根据以上准则，对可能出现的三种流型分别给予建模。 　　(1) 环状流 　　　能量守恒方程： 　　　　 　　　质量守恒方程： 　　　　 　　　动量守恒方程： 　　　　 　　 　　　　式中　Ρtp=αρv+(1-α) ρl ，为两相流体的密度。界面关系方程： 　　(2) 雾状流 　　假定在雾状流中气、液两相流速相等，即uv=u1=u，文献[2]指出对于雾状流可用均相模型来建模。 　　　质量守恒方程： 　　　　 　　　动量守恒方程： 　　　　　　　(9) 　　　能量守恒方程： 　　　　 　　　　　(10) 　　(3) 波状流 　　由于策略的影响，气体和液体出现分层，分别在水平管咱的顶部和底部流动。因气体剪切力的影响，与气相接触的液 　　体表面呈波状流动。波状流的质量与能量守恒方程与环状流相同。 　　动量守恒方程： 　　　(11) 　　　式中　α-空隙率， 　　界面关系方程： 　 (12) 　　以上是冷凝管路三种流型的封闭方程，用流型判断准则确定管内流型后，选取相应的方程组进行模拟求解。 　　 　　2.2.2 管内单相制冷剂稳态模型 　　 对管内过热气体和过冷液体单相流动建模之前作如下的假设： 　　(1) 制冷剂流动为一维流动； 　　(2) 在管路流动断面上是物性均一的介质； 　　(3) 物性仅在流动方向上发生变化。 　　质量守恒方程： 　　　 　　动量守恒方程： 　　　 　　能量守恒方程： 　　　 　　2.2.3 空气侧换热模型 　　由于冷凝管、高压液体管及保温管外侧不存在湿交换，故只列出能量守恒即可。 　　能量守恒方程：

3.调节特性
　　3.1 压缩机频率-流量特性
　　 　　　　　　
　　　　　　　　　　图　1　Gr-Fz-Te关系曲线
　　
　　当空调系统制冷剂过热度Tsu＝5℃，冷凝温度Tc＝50℃时，制冷剂流量Gr与压缩机频率Fr、蒸发温度Tc的关系曲线如图1所示。在相同入口状态下，制冷剂质量流量随压缩机频率的上升而增加；随着蒸发温度的升高，压缩机的压缩比逐渐变小，压缩机入口制冷剂比容减小，其流量特性曲线的斜率逐渐增加。
　　
　　3.2 冷凝温度-压缩机频率联合调节特性
　　在风温Tα＝35℃，Te＝7℃，Tsu＝5℃时，冷凝器换热量Q与压缩机频率Fl、冷凝温度Tc的关系曲线如图2所示。
　　 　　　　　
　　　　　　　　　　图2　Q-Fz-Tc关系曲线
　　
　　当冷凝压力不变时，在频率很小的情况下，制冷剂流量也很小，冷凝器出口有很大的过冷度；随着压缩机频率的上升，制冷剂流量增大，两相区长度相对增加，在仍保证冷凝器出口制冷剂过冷的情况下，冷凝器的换热量随着流量的增加而逐渐增大；当流量增大到冷凝器出口制冷剂为两相状态时，空气侧的换热已达到极限，所以换热量基本保持不变。当冷凝温度（冷凝压力）上升时，压缩机进出口压缩比增大，制冷剂质量流量变小；但冷凝温度的升高，压缩机出口的制冷剂焓值和温度都增大，与外界空气的换热温差就越大，增大了空气侧的换热极限，所以在冷凝器出口为过冷时，换热量只有少量增加，而冷凝温度增加后，增大了过冷段的长度，同时也使最大换热量有了很大的提高。
　　
　　3.3 冷凝器风量-风温联合调节特性
　　在Tc=50℃，Te=7℃，Tsu=5℃，Fz=80Hz情况下，冷凝器换热量Q与风量Gα、风温Tα的关系曲线如图3所示。
　　 　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图3　Q-Gn-Tα 关系曲线
　　当风温不变时，在风量很小的情况下，冷凝器出口制冷剂为两相状态；随着风量的增加，换热量逐渐增大，冷凝器出口制冷剂干度和焓值都逐渐减小；当风量增加到冷凝器出口制冷剂已经过冷后，尽管风量的增加会进一步加大冷凝器出口制冷剂的过冷度，从而增加换热量，但由于过冷制冷剂与空气只进行显热交换，换热量增加的速度明显减小。当风量不变、降低风温时，制冷剂与空气的换热温差增大，换热量也随之增大；尤其是当增大冷凝器出口制冷剂为两相状态时，增加的效果显著，当到冷凝器出口制冷剂为过冷后，降低风湿只能增大过冷度，但此时增加的部分为显热交换，换热量增加缓慢。

　　3.4 风量-频率联合调节特性
　　在Ta=35℃，Te=7℃，Tsu=4℃，情况下，Tc=48℃时，过冷度Tsb与压缩机频率Fs、风量Ga的关系曲线如图4(a)所示；Ga=2000m3/h时过冷度Tsb与压缩机频率Fz、冷凝温度Tc的关系如图4(b)所示。
　　当风量不变时，在压缩机频率很小的情况下，制冷剂流量很小，冷凝器出口制冷剂为过冷状态；随着频率的增加，制冷剂流量增大，换热量逐渐增大；当流量增大到一定程度后，冷凝器出口制冷剂为两相状态，流量的增加只能增加管内侧的换热系数，但管外侧空气换热已接近极限，换热量只有少量增加。当压缩机频率不变即制冷剂流量不变的情况下，当风量很小时，冷凝器出口制冷剂为两相状态；当风量增加后，冷凝器出口制冷剂的干度和焓值逐渐减小，换热量逐渐增大；当风量增大到冷凝器出口制冷剂过冷后，尽管风量的增加会进一步加大冷凝器出口制冷剂的过冷度从而增加换热量，但由于过冷剂与空气只进行显热交换，换热量增加缓慢。
　　
4.控制策略
　　在SVRV空调系统中，为满足室内蒸发器冷负荷的需要，要求室外机提供一定状态和流量的制冷剂，为了满足系统的稳定运行，在冷凝器出口有一定的过冷度要求；在热回收型MVRV空调系统中，多个室内机可能同时制冷和制热，需要室外机提供一定的制冷剂，并且室外机的换热量要和室内总负荷相匹配，都需要对室外机出口的制冷剂状态和流量进行控制。
　　 　　　　　　
　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　图4　Tsb-Fz-Gα和Tsb-Fz-Tc关系曲线
　　
　　以上对影响冷凝器换热的多个参数分别进行了分析，这些参数中，蒸发温度和冷凝温度是表征制冷系统运行的状态参数，风温由实际运行时的室外空气参数决定，压缩机入口过热度是压缩机正常运行的要求，因此上述参数中只有压缩机频率与冷凝器风量是调节参数，而用这两个参数要满足室内蒸发器侧负荷提出的制冷剂流量和过冷度要求。
　　压缩机与冷凝器联合工作状态方程为：
　　根据上文分析，在压缩机频率优先控制制冷剂流量的情况下，可以用风量独立调节过冷度，即B（t）为上三角矩阵，可以实现压缩机频率与室外机风量对系统制冷剂流量和冷凝器出口制冷剂过冷度的解耦控制。
　　
5.结论
　　根据以上分析，在压缩机频率优先控制制冷剂流量的情况下，可以用风量独立调节过冷度，可以实现压缩机频率与室外机风量对系统制冷剂流量和冷凝器出口制冷器出口制冷剂过冷度的解耦控制。
　　
参考文献
　　1.陈华俊.变频空调器压缩机性能模拟与分析.清华大学本科生毕业论文，1999
　　2.葛云亭.房间空调器系统仿真模型研究.清华大学博士学位论文，1997
　　
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