VRV_空調系統(tǒng)特性與控制策略研究(一)

1、vrv空調系統(tǒng)特性與控制策略研究(一)電子膨脹閥一一蒸發(fā)器聯(lián)合調節(jié)特性與控制策略摘要通過對影響蒸發(fā)器換熱量的講因素一一膨脹閥開度、空氣溫度、風量、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)對系統(tǒng)的影響和調節(jié)特性，提出了新的更適 合于制冷系統(tǒng)的控制方法一一風量控過熱度、開度控室內溫度的獨立控制原理和方 法，這種控制方法更適合用于制冷空調系統(tǒng)。關鍵詞：蒸發(fā)囂電子膨脹閃工調節(jié)特性控制方法獨立控制符號cd開度系數(shù)z一一軸向長度，mtc.tc一一蒸發(fā)、冷凝溫度，°c0一室內溫度，°ct“ 一一換熱器進口風溫，°ch壓縮機頻率，hzgr一一制冷劑流屋，kg/sga風量

2、，m3/htsu一一過熱度，°ctsb過冷度，°cq換熱量，kwp介質密度，kg/m3p壓力,pah介質焰，j/kga管內截血積，m2s管內截面周長，ma (z)開度對應的截面積d管徑t管內表面切應力，n/n?q熱流密度，w/m2ci兩相流空泡系數(shù)g重力加速度，9.8m/s2u流速，m/sov電子膨脹閥開度下標1一一液相制冷劑v一一汽和制冷劑a空氣1 引言隨著制冷空調技術的迅速發(fā)展，空調器正在從傳統(tǒng)的單室內機、單室外 機的結構逐漸向單室外機多室內機及多室內機和多室外機系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)結 構逐漸趨于復雜，具有代表性的變流量制冷系統(tǒng)(variable refrigerant vo

3、lume air - conditioning system,簡稱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(mvrv)冋。対于多室內機的熱回收系統(tǒng)來說, 室內機可能同時做冷凝器或蒸發(fā)器使用，而且隨著人民生活水平的提高，對 室內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新空 調系統(tǒng)的需要。由于系統(tǒng)的復雜程度的增加，傳統(tǒng)的一些基于制冷空調系統(tǒng) 整體的控制算法都由于其兼容性和可擴展性等因素而受到了很大的局限，因 此各室內機和室外機獨立控制的思想已經被引入到制冷空調系統(tǒng)的控制之 屮，一些控制理論和算法如矩陣電子控制算法、人工神經元算法和模糊控制 算法都已經被

4、引用到實際的制冷空調系統(tǒng)+ 14'8,0為使制冷空調系統(tǒng)能安全 穩(wěn)定的運行，除了在控制技術上提高z外，更要注重研究制冷空調系統(tǒng)本身 的運行調節(jié)特性。本文在通過分析系統(tǒng)在制冷模式下電子膨脹閥開度、室內 溫度、室內機風量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等對室內機換熱的影響的基礎上, 得出了室內機的調節(jié)特性，找出了對室內機制冷模式卜更合理的控制策略。2 數(shù)學模型2.1電子膨脹閥電子膨脹閥是通過步進電機等手段使閥芯產生連續(xù)位移，從而改變制冷 劑流通面積的節(jié)流裝登。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巴 其模型描述為：能量方程：賂=扎)山(1)動量方程：gr=cda (z2pin(p

5、in-p<.t) (2)2.2蒸發(fā)管路及蒸發(fā)器模型2.2.1管內制冷劑側穩(wěn)態(tài)模型在vrv空調系統(tǒng)屮，由于膨脹閥可能設直在離蒸發(fā)器較遠的位置，節(jié) 流示的兩相制冷劑沿膨脹閥示的管路進入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器 內部的大部分區(qū)域制劑處于兩相流動狀態(tài)；當液體過冷度較小時，由于管 道阻力及上升立管屮重力的影響，液態(tài)制冷劑將會岀現(xiàn)閃蒸，閃蒸之麻管路 內的流動也為氣、液兩相流動；當室內換熱器制熱采用其出口電子膨脹閥控制制冷劑過冷度時,膨脹閥z后的高壓液體管內仍然可能呈氣、液兩相狀態(tài)。 在制冷空調領域內，蒸發(fā)管路內制冷劑兩相流呈環(huán)狀流故本文以環(huán)狀 流建模。因制冷劑蒸發(fā)現(xiàn)彖可能發(fā)生上述管段的任何位置

6、，建模時必須在動 量議程屮考慮重力項。能量守恒議程：p、tkhv+(l- a ) p iuihi =瘵理上述議程，分別得到氣.液兩相流的質量孑叵方程和動雖守怛方程。質量守恒方程:a p vtiv+ (1- a ) p 1u1 =o(4)動量守恒方程:£ci p u+(l-ci ) p id二一霽一工 一 gp ®si nb(5)式中ptp=a p v+(l- a) pl是微元管段中兩相流體單位容積的質屋， 稱為兩相流體的密度。在式(3)(5)中存在p、a、u,和u四個未知數(shù)，方程無法封閉求 解。傳統(tǒng)的方法采用空隙率經驗公式作為補充方程，使方程封閉。但目詢還 不存在公認準確的

7、空隙率模型計乳公式；木文采用文獻4所提出的兩相 界面關系方程使方程封閉。氣、液兩相界血關系方程：£( a p vtr) =一 q 霽 一 -g p '"n b +山怎 a p、山)在式(3)(6)四個方程小，共有p、a、叭和u四個未知數(shù)，方程 組封閉可解。2.2.2空氣側換熱模型因橫流蒸發(fā)器外側的空氣流速較低，-般re<2000, u蒸發(fā)器沿氣流方向的管排數(shù)較少，故忽略空氣側壓降，只考慮質量守恒和能量守恒方程。 質量守恒方程：(gudu)=d<a (7)能量守恒方程:d7a(gahq)=ji dq a3 調節(jié)特性數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電了膨脹閥的數(shù)學模型，可

8、以得出系統(tǒng)的仿真特 性。對于選定的系統(tǒng)來說，換熱器的兒何參數(shù)為定值，是一個不可調的參數(shù)。 因此，影響電子膨脹閥一蒸發(fā)器部分換熱效果的因素主要有電子膨脹閥開 度、換熱風量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、室內環(huán)境溫度、換熱器兒何參數(shù)。3膨脹閥開度對蒸發(fā)器換熱量的影響如圖1所示，當系統(tǒng)風量為600m3/h m他參數(shù)不變時，蒸發(fā)器換熱量隨 膨脹閥相對開度的變化illi線。郴対開貞圖1換熱雖隨膨脹閥相對開度 變化曲線當電子膨脹閥開度很小時，通過蒸發(fā)器的制冷劑流量也很小，制冷劑很 容易在蒸發(fā)器內變成熱氣體，在蒸發(fā)器出口處有一定的過熱度，蒸發(fā)器兩端 的制冷劑焰差基本為一定值。因為制冷劑流量隨電子膨脹閥開人而增加，在

9、換熱條件仍能保證蒸發(fā)器出口制冷劑過熱吋，出口制冷劑焙值變化不大，所 以蒸發(fā)器的換熱量也隨流量的增加而逐漸增加。肖膨脹閥繼續(xù)開大，制冷劑 流量增大到一定程度以后，換熱條件已經不能使制冷劑出口有過熱度，出口 已經處于兩相區(qū)，管外空氣側的流呈和換熱系數(shù)基木為定值，制冷劑流量的 增大造成出口干度的降低，但管內制冷劑的換熱系數(shù)會冇所上升，因此，蒸 發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相對開度的增加略有上升。這說明，在蒸發(fā)器出 口有過熱度的情況下，通過調節(jié)電子膨脹閥的開度來調節(jié)蒸發(fā)器的換熱量的 效果是很明顯的，而當蒸發(fā)器出口已出現(xiàn)回液的情況下，通過調節(jié)電子膨脹 閥的開度來調節(jié)蒸發(fā)器的換熱量收效甚微。3.2室內機風量對

10、蒸發(fā)器換熱量的影響換熱量隨室內機風量的變化illi線如圖2所示，當風量很小時，不能使管 內的制冷劑完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的冋液，隨著風量的增加，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)器進出口的恰差逐漸增人，在制冷劑流量不變 的情況下，換熱量逐漸增人，當風量增人到一定程度以示，蒸發(fā)器內的制冷 劑能夠完全蒸發(fā)，風量增加使制冷劑只能進行顯熱交換，出口焙值變化已經 不大，所以換熱量隨風量增大而略有增加。圖2換熱雖隨風屋變化曲3.3冷凝溫度對蒸發(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影響制 冷劑流雖來影響

11、蒸發(fā)器的換熱雖，如圖3所示。隨著冷凝壓力的升高，電了 膨脹閥的進出口壓旁也隨著增人,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。7l(t)圖3換熱量隨冷凝溫度變化曲線3.4蒸發(fā)溫度對蒸發(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)壓力的變化從兩個方面來影 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 的進出口壓差減小，使得通過電子膨脹閥的制冷劑流量減??；另一方血，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)

12、溫度變化曲線3.5室溫對蒸發(fā)器換熱量的影響室內溫度對蒸發(fā)器換熱量的影響如圖5所示。室內溫度就是蒸發(fā)器空氣 側的入口溫度，當蒸發(fā)溫度一定時，室內溫度主耍影響管內外的換熱溫差, 山于經過蒸發(fā)器冷卻，空氣溫度最多只能降低到蒸發(fā)溫度，所以當風量一定 時也決定了蒸發(fā)器的最大換熱雖。當室內溫度很低時，蒸發(fā)器內的制冷劑不 能完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有回液現(xiàn)象，隨著室內溫度的上升，換熱器的換熱 量也逐漸上升，蒸發(fā)器岀口的制冷劑t度也逐漸上升；當室內溫度上升至一 定值時，制冷劑能夠完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的過熱度，由于制冷劑溫 度最高只能升到室內溫度，制冷劑的在蒸發(fā)器出口的焙值變化很小，換熱量 隨室溫的增加略冇上

13、升。圖5換熱疑隨室溫變化1111線3.6調節(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)運行的參 數(shù)，不能直接作為調節(jié)參數(shù)，室內溫度是被控對彖；如果系統(tǒng)正常運行，還需要蒸發(fā)器出口制冷劑保持一定的過熱度以防止冋液。因此，?？刂频膮?shù) 是室內溫度和過熱度，能作為調節(jié)參數(shù)的只有室內機風量和電子膨脹閥開 度。室內機風量和電子膨脹閥開度對室內蒸發(fā)器的聯(lián)合影響結果如圖6所 示o0.206i電子膨脹閥相対開廈圖6制冷量、過熱度隨膨脹閥開度 和室內機風量的變化llll線電了膨脹閥和蒸發(fā)器聯(lián)合工作輸入、輸出狀態(tài)方程可以用下式來表示: 結合前面的分析可以發(fā)現(xiàn)：(1) 當蒸發(fā)器出口制冷劑已經過

14、熱吋，因制冷劑出口焙值變化不人，電 了膨脹閥所決従的制冷劑出流雖是決従換熱雖的主要兇索；風屋對換熱雖不 大，而対過熱度影響較大。各調節(jié)手段民對應的控制對彖z間可近似認為是 相互獨立的，此時b (t)是對角占優(yōu)的。(2) 當蒸發(fā)器出口為兩相流時，蒸發(fā)器空氣側進出口溫差基本為定值， 換熱量主要由風量決定，電了膨脹閥開度對換熱蜃影響不人，但進、出口焰 差與流雖近似成反比，對出口干度的影響較大。室內機風雖對過熱度同樣冇 較大的影響。此吋b (t)是上三角矩陣。調節(jié)手段對控制對象的影響是有 一定的耦合度的。(3) 只要保證蒸發(fā)器出口為過熱狀態(tài)，就能實現(xiàn)調節(jié)手段與控制對象之 間的獨立調控。而在制冷空調系統(tǒng)

15、屮，保證蒸發(fā)器出口過熱又是保證系統(tǒng)正 常運行所必需的條件所以在過熱度優(yōu)先控制的模式下，獨立調節(jié)是可 以實現(xiàn)的。(4) 在蒸發(fā)器出口未過熱的情況下，調節(jié)風量和調節(jié)膨脹閥開度對過熱 度冇同等程度的影響。仍可以采川風量控過熱度優(yōu)先的方法，同時川膨脹閥 開度來改善風暈對過熱度的調節(jié)，獨立控制與適當?shù)鸟詈弦材苋〉猛瑯有?果o根據(jù)上述分析，提出了風量g“控制過熱度tsu，電子膨脹閥開度q?？?制室內溫度tin的控制策略。5 結論在兩個優(yōu)先原則下，可以實現(xiàn)室內機風量與電子膨脹閥開度對室內溫度 與過熱度的解耦控制，獨立控制策略是可以實現(xiàn)的；獨立控制策略可用于復 雜的系統(tǒng)，可對整個系統(tǒng)釆用分布式控制模式；獨立控

16、制策略便于實現(xiàn)模塊 化，不會因系統(tǒng)形式的改變而對控制方法產生較大的影響；獨立控制策略有 較強的可擴展性，不會由于系統(tǒng)的復雜而增加控制部分的成本。參考文獻1彥啟森.空調技術的發(fā)展為展望.中國曖通空調制冷，1998年學術 年會學術文集，1998： 152荒野戰(zhàn)也.空調環(huán)境技術展望.三菱電機技報，1992, 66 (4)： 2-33石文星.變制冷劑流量空調系統(tǒng)特性及其控制策略研究.清華大學 博士學位論文，20004 fumio matsuok. electric control methods in matrix form in air conditioners, refrigeration, 98

17、4; 59: (679)5松岡文雄.空調機it 6 t b 9電子制御方式.冷凍，1985;60： (693)6松岡文雄.空調機亦口二夕八制御.三菱電機技報，1987； 61(5)7 fumio matsuok. fuzzy technology in the refrigeration & airconditioning systems, trans, of the jar, 1991; 8(1)8中尾止喜他，年間冷房空調機高效率制御(第1報).空氣調和. 衛(wèi)生工學會論文集,1995； 599中尾正喜他，年間冷房空調機高效率制御(第2報).空氣調和(衛(wèi) 生工學會論文集，1996； 6011 nakashima y et al. reversible fl