vrv空调系统特性与控制策略研究（一）(1)

VRVVRV 空调系统特性与控制策略研究（一）空调系统特性与控制策略研究（一） (1)(1) 摘要：通过对影响蒸发器换热量的讲因素膨胀阀开度、 空气温度、风量、蒸发温度、和冷凝温度等参数的分析， 得出了不同参数对系统的影响和调节特性，提出了新的更 适合于制冷系统的控制方法风量控过热度、开度控室 内温度的独立 控制原理和方法，这种控制方法更适合用 于制冷空调系统。 关键词：蒸发嚣电子膨胀闪工调节特性控制方法独立 控制 电子膨胀阀蒸发器联合调节特性与控制策略 符号 CD开度系数 Z轴向长度，m Te.Tc蒸发、冷凝温度， Tin室内温度， T换热器进口风温， Fi压缩机频率，Hz Gr制冷剂流量，kg/s G风量，m3/h Tsu过热度， Tsb过冷度， Q换热量，kW 介质密度，kg/m3 P-压力，Pa h介质焓，J/kg A管内截面积，m2 S管内截面周长，m A（z）开度对应的截面积 d管径 管内表面切应力，N/m2 q热流密度，W/m2 两相流空泡系数 g重力加速度，/s2 u流速，m/s Ov电子膨胀阀开度 下标 l液相制冷剂 v汽相制冷剂 a空气 1.引言 随着制冷空调技术的迅速发展，空调器正在从传统的单室 内机、单室外机的结构逐渐向单室外机多室内机及多室内 机和多室外机系统发展，系统结构逐渐趋于复杂，具有代 表性的变流量制冷系统（VariableRefrigerantVolumeAir- conditioningSystem,简称 VRV）也从单元变流量制冷系统 （SVRV）向多元变流量制冷系统发展（MVRV）1-3。对于 多室内机的热回收系统来说，室内机可能同时做冷凝器或 蒸发器使用，而且随着人民生活水平的提高，对室内热舒 适性也提出了更高的要求，传统的一些控制方法已不能再 适应新空调系统的需要。由于系统的复杂程度的增加，传 统的一些基于制冷空调系统整体的控制算法都由于其兼容 性和可扩展性等因素而受到了很大的局限，因此各室内机 和室外机独立控制的思想已经被引入到制冷空调系统的控 制之中，一些控制理论和算法如矩阵电子控制算法、人工 神经元算法和模糊控制算法都已经被引用到实际的制冷空 调系统中4-8。为使制冷空调系统能安全稳定的运行，除 了在控制技术上提高之外，更要注重研究制冷空调系统本 身的运行调节特性。本文在通过分析系统在制冷模式下电 子膨胀阀开度、室内温度、室内机风量、蒸发温度、冷凝 温度等对室内机换热的影响的基础上，得出了室内机的调 节特性，找出了对室内机制冷模式下更合理的控制策略。 2.数学模型 电子膨胀阀 电子膨胀阀是通过步进电机等手段使阀芯产生连续位移， 从而改变制冷剂流通面积的节流装置。研究表明，电子膨 胀阀的流量特性可借鉴热力膨胀阀的研究成果9-12，其 模型描述为： 能量方程： hin=hout 动量方程： 蒸发管路及蒸发器模型 管内制冷剂侧稳态模型 在 VRV 空调系统中，由于膨胀阀可能设置在离蒸发器较远 的位置，节流后的两相制冷剂沿膨胀阀后的管路进入蒸发 器，所以在该段管路及蒸发器内部的大部分区域制 剂处 于两相流动状态；当液体过冷度较小时，由于管道阻力及 上升立管中重力的影响，液态制冷剂将会出现闪蒸，闪蒸 之后管路内的流动也为气、液两相流动；当室内换热器制 热采用其出口电子膨胀阀控制制冷剂过冷度时，膨胀阀之 后的高压液体管内仍然可能呈气、液两相状态。在制冷空 调领域内，蒸发管路内制冷剂两相流呈环状流13,14，故 本文以环状流建模。因制冷剂蒸发现象可能发生上述管段 的任何位置，建模时必须在动量议程中考虑重力项。 能量守恒议程： 整理上述议程，分别得到气、液两相流的质量守恒方程和 动量守恒方程。 质量守恒方程： 动量守恒方程： 式中 tp=vl 是微元管段中两相流体单位容积的质 量，称为两相流体的密度。 在式（3）（5）中存在 P、uv 和 u1 四个未知数，方 程无法封闭求解。传统的方法采用空隙率经验公式作为补 充方程，使方程封闭。但目前还不存在公认准确的空隙率 模型计算公式；本文采用文献4所提出的两相界面关系 方程使方程封闭。 气、液两相界面关系方程： 在式（3）（6）四个方程中，共有 P、uv 和 u1 四个 未知数，方程组封闭可解。 空气侧换热模型 因横流蒸发器外侧的空气流速较低，一般 ReXX，且蒸发 器沿气流方向的管排数较少，故忽略空气侧压降，只考虑 质量守恒和能量守恒方程。 质量守恒方程： 能量守恒方程： 3.调节特性 数值求解蒸发管路和电子膨胀阀的数学模型，可以得出系 统的仿真特性。对于选定的系统来说，换热器的几何参数 为定值，是一个不可调的参数。因此，影响电子膨胀阀 蒸发器部分换热效果的因素主要有电子膨胀阀开度、换热 风量、冷凝温度、蒸发温度、室内环境温度、换热器几何 参数。 膨胀阀开度对蒸发器换热量的影响 如图 1 所示，当系统风量为 600m3/h 其他参数不变时，蒸 发器换热量随膨胀阀相对开度的变化曲线。 图 1 换热量随膨胀阀相对开度变化曲线 当电子膨胀阀开度很小时，通过蒸发器的制冷剂流量也很 小，制冷剂很容易在蒸发器内变成热气体，在蒸发器出口 处有一定的过热度，蒸发器两端的制冷剂焓差基本为一定 值。因为制冷剂流量随电子膨胀阀开大而增加，在换热条 件仍能保证蒸发器出口制冷剂过热时，出口制冷剂焓值变 化不大，所以蒸发器的换热量也随流量的增加而逐渐增加。 当膨胀阀继续开大，制冷剂流量增大到一定程度以后，换 热条件已经不能使制冷剂出口有过热度，出口已经处于两 相区，管外空气侧的流量和换热系数基本为定值，制冷剂 流量的增大造成出口干度的降低，但管内制冷剂的换热系 数会有所上升，因此，蒸发器换热量只随电子膨胀阀相对 开度的增加略有上升。这说明，在蒸发器出口有过热度的 情况下，通过调节电子膨胀阀的开度来调节蒸发器的换热 量的效果是很明显的，而当蒸发器出口已出现回液的情况 下，通过调节电子膨胀阀的开度来调节蒸发器的换热量收 效甚微。 室内机风量对蒸发器换热量的影响 换热量随室内机风量的变化曲线如图 2 所示，当风量很小 时，不能使管内的制冷剂完全蒸发，蒸发器出口有一定的 回液，随着风量的增加，管外的换热系数也逐渐增加，空 气带走的热量增多，因此蒸发器出口处的制冷剂干度也逐 渐增加，制冷剂在蒸发器进出口的焓差逐渐增大，在制冷 剂流量