（制冷及低温工程专业论文）变制冷剂流量多联空调控制研究.pdf

摘要 摘要 变制冷剂流量多联空调系统( 简称w ) ，由于其舒适、节能、美观等优点，正越来越得到广泛的 应用。与普通变频空调相比，在v r v 系统中，由于室内机台数众多，而室外机机只有一台，各室内 机之间相互影响，如何对制冷剂流量进行合理、精准分配以满足不同室内负荷的需求，以及如何对变 频压缩机进行控制，以提供合适的制冷剂流量是v r v 控制中必须要解决的二个关键问题。 本文通过仿真的方泫对v r v 系统的运行特性进行了分析研究，并在此基础上提出了对v r v 系统 的控制策略，研究殴计了对系统的控制方法，具体说来，本文主要完成了以下一些内容： 1 ) 以双联w 为代表，建立了双蒸发器w 系统的稳态数学模型，以此作为研究w 系统运行特 性的平台； 2 ) 利用所建立的数学模型，通过仿真的方法，研究v r v 系统在调节作用及拢动作用下，系统的各热 力参数变化规律，并进行了具体的分析，为掌握w 的运行特性、控制策略及方法的分析及制定 打f 基础； 3 ) 对的控制策略进行研究分析，并在控制策略的指导下，对变制冷量及变风量下蒸发器的制冷 量及过热度的变化规律进行研究，确定了本文对v r v 的控制策略，制定的控制方案解决了室内温 度调节时室内机的相互影响，能对室内温度进行更加精确的控制，提高了舒适度，并且方案具有 扩展性； 4 ) 根据蒸发压力及房间温度的非线性特性，设计了电子膨胀阀室温模糊控制，并对压缩机提出了吸 气压力模糊复合控制的方法，此控制方法理论上比单纯的吸气压力控制具有优越性。 关键词： v r v 控制策略电子膨胀阀变频压缩机模糊控制 a b s l r a c t r e s e a r c h0 nt h ec o n t r 0 10 fv a r i a b i er e f n g e r a n tv o i u m e a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m a b s t r a c t v ar i a b i er e f r i g e 阳t i o nv o i u m ea 计c o n d l t i o n e r ( v r v ) i sw i d e l yu s e dr e c e n t i yd u et oi t sm e t ss u c h a se 仟e c t i v e n e s s ，c o m f o r t a b t y 1 nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a 【i n v e r t e rd r i v e na i rc o n d i t i o n e r t h e r ea r e s e v e r a l i n d o o ru n 峙w i t ho n i yo n es e to fo u t d 0 0 ru n i ti nv r vs y s t e m ，b o t hp r o p e rm a s s 伺o w d i s t r _ b u t i o na n dc o m p r e s s o rc o n t r 0 ia r et h eh oe s s e n t a lp r o b i e m si nd e v e l o p i n gt h ec o n t r o ls y s t e m f o r v r v l nt h i st h e s i s ，t h eb e h a v j o r0 ft h ev r vs y s t e mi ss t u d i e db yt h ew a yo fm a t h e m a 石c a ls i m u l a t i o n b a s e d0 nt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec h a r a c t e r i s “co f t h es y s t e m ，c o n t r o ls t r a t e g ya n dm e t h o df o rt h e s y s t e ma r et h e np u tf o n a r d t h em a _ n 、o r ki sa sf o l i o w e d ： 1ah 0 一e v a p o r a t o rv r vm a t h e m a t i c 到s t e a d ym o d e i i se s t a b l i s h e da sar e p r e s e n t a t i o no fv r v s y s t e m t h i sm o d e ii sap o w e u it o o lf o rt h es t u d v i n q0 fv r vs v s t e m 2 b a s e do nt h em o d e i ，s i m u i a t i o ni sc o n d u c t e dt 0s t u d yt h ei a w s0 ft h ev r vs y s t e mb yv a r y i n gj t s w o r k i n gp a r a m e t e rs u c ha ss p e e do fc o m p r e s s o r ，o p e n n e s s0 fe e v ，a i rv o l u m e0 fi n d o o ru n i t s a n di n d 0 0 rr 0 0 mt e m p e r a t u r e s i mu l a t i o nr e s u i t sa r ea l s od i s c u s s e da n de x p i a i n e d a n dt h e c o n c l u s i o nd r a w np r o v i d e sg u i d e l i n e sf o rt h ed e s i g n i n g0 fc o n t r o is y s t e mf o rv r v 3 e x i s t i n gc o n t r 0 is t r a t e g yi st h e ns t u d i e da n db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ei n d o o ru n i t ， c o n t r o is t r a t e g yi sp u tf o r w a r d t h j sc o n t f 0 is t r a t e g yc a no v e r c o m ei n t e r e n c eb e h e e ni n d 0 0 r u n i t sa n dh a v et h ea n r b u t eo fe x p a n s b i | i t y ，i ta s og u a 阳n t e et h ep r e c i s ea i rt e m p e f a t u r ec o n t r o i i nr o o m sa n dt h u se n h a n c et h ec o m f o r t a b l i t y 4 c 0 n t r 0 im e t h o d sf o r 日：va n dc o m p r e s s o ra r es t u d i e da n daf u z z yc o n t r 0 is v s l e mi sd e v e l o p e d f o rt h ec o n t r o lo fa i rt e m p e 旧t u r eb ye e v a l s oan e wc o n t r 0 im e t h o d h e r en a m e da sc o m p o s t e f u z z yc o n t r o lo fi n s u c t i o np r e s s u r ei si n t r o d u c e df o rt h ec o n t r o lo fc o m p r e s s o rt h i sc o n t r o l m e t h o dh a sa na d v a n t a g eo v e rs i m p i ei n s u c t i o np r e s s u r ec o n t r o lm e l h o dt h e o r e t i c a y k e yw o r d s ：v r v ， c o n t r o is t r a t e g y ，日e c tr i ce x p a n s i o nv a l v e ( e e v ) ， i n v e r t e 卜d r i v e nc o m p r e s s o r f u z z yc o n t r o l 第1 章绪论 1 1 研究背景及选题意义 第1 章绪论 能源问题是当今世界关注的焦点之一，随着制冷空调系统的广泛应用，空调用电负荷在整个用电 负荷中的比重越来越高。尤其是最近几年，每年的复天，都会因为空调的大量使用，而出现电力紧张 的现象，对人们的生活及生产造成一定的阻碍，空调系统的节能变得越来越重要。针对上述情况，国 家标准委和国家发改委联合发布了房问空调器能源效率限定值及能效等级标准能耗强制新标准， 按照能效比将空调分为l 到5 级，l 级最节能，5 级能效最低，规定从2 0 0 5 年3 月1 日起能效比低于5 级( c o p 小于2 6 ) 的空调产品不允许上市销售。 要想解决空调用电负荷过大，减轻对电力供应的压力，需要各方面的共同努力。首先大家要提高 节约能源的意识，养成节约能源的习惯，如尽量减少空调开启时间、夏季节调高空调设定温度等；房 屋建筑要采用节能的建筑材料及建筑方法，减小夏季或冬季的冷热负荷；在设计中央空调系统时，也 要将节能作为一个重要的设计目标。同时还要开辟新的能源利用方式，避免制冷空调对电力的过度依 赖，如吸收式制冷，太阳能制冷及目前较流行的燃汽空阔等能源利用的新方式。 从制冷与空调专业角度出发，采用变流量以适应空调负荷变化【1j ，在制冷空调领域受到广泛重视， 变水量、变风量和变制冷剂流量等变流量系统得到应用，在提高调控质量和节约能源两个方面效果突 出。 变制冷剂流量( v r f - v a r i a b l er e f r i g e r a n t 月o w ) 的制冷方式，根据室内机数量多少，可分为单联 式( s v r f ) 和多联式( m v r f ) 两种类型，单联式变制冷剂制冷系统( s v r f ) 即为俗称的变频空调； 多联式变制冷剂制冷系统( m v r v ) 于1 9 8 2 年由日本大金公司研制成功口j ，并被称为”v r v ”空调系统 ( v a r i a b i er e f r i g e 阳n tv o l u m ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ) ，俗称为多联机、v r v 或一拖多空凋，以下就 将变制冷剂流量多联空调系统简称为v r v 系统。 v r v 采用一台室外机，与多台室内机直接通过制冷剂管道相联接，室内机作为蒸发器或冷凝器的 方式进行制冷或供热。由于使用先进的压缩变制冷剂流量技术、电子膨胀阀控制技术及其它先进的智 能控制技术，能够对各个房问进进单独控制，对于环境负荷情况不断发生变化的大多数楼宇来说尤为 理想，更加有利于根据每个房间不同的实际条件对应地进行精确的控制。v r v 系统冷气分配灵活，负荷 适应变化范围广，尤其在系统部分负荷下，系统运行的效率较高，在家用或商用的小型中央空凋中， 相对其它型式的制冷系统( 水空气系统或全空气式系统) ，节能效果明显。在当前电力紧张的形势， 从节能的角度出发，是家用或商用的小型中央空调系统的首选。 同时，随着人民生活水平的提高及社会经济的发展，人们对室内舒适度及美观的要求也在不断的 提高，近几年房地产业蓬勃发展，小型商业建筑，别墅及大面积个人住房大量出现，传统的分体式家 用空调器无论是从室内温度调节的舒适度方面，还是从建筑的室外及室内装璜美观方面考虑，在这些 建筑的应用显然已不合适，而多联变频空调系统正是适合这类建筑的制冷空调方法，满足了人们对室 内舒适度及美观的要求。 具体来说，v r v 系统与其它型式的小型中央空调( 水一空气系统及全空气系统) 相比，有着许多的 优点： ( 1 ) ，v r v 有着较高的效率，这也是v r v 最显着的特点之一。在传统的中央空凋设计中，设备容 量的选择都是按以满足晟大负荷来确定的，而在实际的空调系统应用是，出现虽大负荷的概率是较小 的，根据美国供热、制热、空调工程师学会( a s h r a e ) 的最新统计数据表明9 j ，空调系统在5 0 7 5 负 荷运行时只全年运行时间的8 7 ，而1 0 0 负荷运行时间只占1 ，即空调系统大部分是在部分负荷下工作， 常规中央空调对此调节的方法是通过开关制冷系统来实现调节，这样不仅造成系统运行效率低，而且 控制效果差；而对于v r v 来说，系统在部分负荷下运行，此时换热器能力相对扩大，制冷换热效果好， 与普通单联式变频空调类似，v r v 在部分负荷( 低频) 下运转，c 0 p 随着频率的降低而升高，所以可以 东南大学硕士学位论文 说，对常规中央空调最不利的工况，对v r v 反而是有利的工况。同时，由于省掉了中间介质的传热损失， 整个系统能量传递效率高，制冷制热效果迅速。v r v 以制冷剂在室内换热器直接蒸发( 冷凝) 的方式 来制冷( 制热) ，不需要像传统中央空调那样，通过水或是空气作为空内制冷制热的媒介，这样一方面 可以提高( 降低) 制冷( 制热) 时的蒸发温度( 冷凝温度) ，使相同室内外环境及提供相同冷量下的情 况下，系统的制冷效率有所提高；另一方面，制冷或制热的速度也大大提高，这对于不是经常保持开 启状态的空调系统( 如家用) 或是需要快速制冷或制热的场合来说是非常适用的。 ( 2 ) ，v r v 系统有着优良的调节性能。传统的中央空调系统在室内负荷或是设定温度发生改变时， 一般仅能通过改变室内机循环风量或送风量或改变送风温度的方式进行调节，整个系统的能量调节方 式也是通过压缩机的开，关或是有限的级数调节来实现，由于系统及管路滞后效应，调节的效果及精度 差，调节时间长；而v r v 由于使用先进的压缩机变制冷剂流量技术及电子膨胀阀控制技术，在系统的 控制下，可以根据每个房间不同的实际条件对应地进行精准的控制，以满足各房间不同的负荷及对温 度的不同需求，温度调节精度高，调节时间短； ，一 ( 3 ) ，v r v 系统省掉了传统中央空调系统中的许多设备，如冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、水管、 风管、相应的风阀及水阀、膨胀水箱、冷却水处理设备等，系统仅通过很小的制冷剂管道相联，系统 的安装及运行可靠性得到提高，同时还减少了对建筑层高的需求。室外机布置在室外空地或屋顶、裙 楼等露天之处，不像传统中央空高那样需要专门的制冷设备层，节省了室内空间。 ( 4 ) ，v r v 系统负荷适应变化范围广，系统冷气分配灵活，对于建筑内不同朝向的房间，由于室 内负荷高峰不会同时出现，v r 、厂可以根据室内负荷的不同情况，自动地进行分配，而不会像传统中央 空调那样，会出现不同时段，室内过冷或过热而难以调节的现象。 综上所述，无论是从节约能源、室内舒适性、系统安装、美观方面等方面来看，v r v 有着比较明 显的优势，随着我国经济建设的发展，住宅建设的增长，人们对节约能源及室内空气环境要求不断的 提高，v r v 系统有着宽广的发展空间，其市场占有的份额会越来越大。 而目前，阻碍v r v 普及的主要障碍即是其较高的市场价格，这固然与其生产成本比其它形式的 空调器生产成本相对较高有关，另外的原因就是国外公司，主要是日本公司如大金、三菱、日立等， 对v r v 关键技术的垄断，以谋取较高的利润。国 空调生产厂家虽也推出了不少产品，但大多是直 接购买或通过合资的方式来利用国外的技术，并未真正掌握v r v 的核心技术。 相比于普通变频空调器，在对v r v 的系统中，由于室内机不止一个，各个房间负荷的不同，设 定的温度也不尽相同，这种各个室内机对制冷剂流量的需求也不相同，而由于系统由管道直接相通， 各调节因素，运行参数必相互影响，如何保证在稳态运行及变工况下，对压缩机进行容量以满足室内 机对制冷剂的需求以及对制冷剂流量进行精确分配及调节以适应各个室内机的不同需求，是v r v 系 统的技术关键。 所以对w 系统的研究非常必要，尤其是w 的核心控制技术更是我们需要多投入物力和财力 进行研究的方面，只有大力发展具有自主知识产权的w 控制技术，生产出具有自主知识产权的v r v 空调器，打破国外公司的技术垄断，这样才能提供企业的核心竞争力，才能在不断竞争的市场环境中 不被淘汰，而不是仅仅满足于靠单纯的制造业来赚取微薄的利润。 通过对v r v 系统的研究，打破对v r v 控制的神秘感，对技术关键问题进行深入的了解和研究，发展 出我们对v r v 的控制策略及方法，增强自主开发v r v 空调器的能力和自信心，对指导企业开发出我们自 己的产品，占有更多的市场份额，可产生良好的经济效益和社会效益，无论上理论上还是实践上都有 比较重大的意义。 1 2 研究现状 关于v r v 系统方面的研究，日本等其它先进国家研究较多，技术也已经比较成熟，其市场占有 率也较高，但出于商业利益或其它方面的考虑这些研究及技术很少被公开。国内企业大多采用合资方 式，直接引进技术，最近几年，国内企业对v r v 的研究开发较过去投入有所加大，如小天鹅中央空 调有限公司宣称研究开发出的网络变频多联体中央空调，具有先进水平，并且打破了国外公司的技术 2 第l 章绪论 垄断。海信公司宣称开发出了完全拥有自主知识产权的“i d f ”智能变频中央空调，但同样出于商业 的目的，研究成果及技术细节也不会对外公布。 对于多联变频空调系统的研究，主要分为两类：一类是对v r v 的性能研究，一类是v r v 的控制研 究，相对来说，研究控制的不多。国外的m s s u d a “等人介绍了一种在双联系统中，根据实验总结拟合 出的双蒸发器负荷与压缩机转速之间的函数关系来对v r v 进行控制的方案，当室内机超过二个时，此 方案显然不适用。文献i 。1 介绍了一种通过控制蒸发器的表面温度来控制电子膨胀的模糊控制方法，并 对常规p i d 控制进行了对此；文献州通过实验分析了室内负荷改变，膨胀阀开度改变及压缩机频率改变 时双联v r v 系统的运行及容量调节特性；文献i ，1 设计并测试了一种利用数码涡旋压缩机的v r v 系统， 其对电子膨胀阀及压缩机的控制，可划分为文章后面所讲的集中式控制方法；文献刚通过建立数学模 型，对双联v r v 运行特性，尤其是不同室内负荷比例时，系统的c 0 p 进行了分析。文献嗍中介绍了在 容量控制理论方面，利用遗传规则程序设计的“g a 晟优化调控制”、“l q g ( n e a r _ q u a d r a t i cg a u s s i a u ) 多函数调控制”及适用r 4 0 7 制冷机组的调控过程。 国内学术界对v r v 的研究主要集中在以下儿个方面： 国内清华大学的石文星、邵双全等人对多元变频v r v 空调系统作了比较详细的研究工作。石文 星i i j 率先提出以变容量制冷压缩机为核心的气液两相流体网络模型，研究了系统的调节特性，从而为 多元式变制冷剂流量空调系统难以进行分析研究提供了解决方法。邵双全，石文星等人还分析 空调控制器的结构层次【1 ，并通过系统仿真对室内机和室外机的扰动与调节特性进行了模拟分析【”j ， 给出了室内外机的联合调节特性，进而提出了自治协调控制思想。邵双全等人还以系统论和相似理论 为基础，对v r v 物理模型进行了研究【1 “，分析了多元变制冷剂流量空调系统( m v r v ) 与单元变制 冷剂流量空调系统( s v r v ) 空调系统在结构、物理模型、运行调节特性等方面的相似性；介绍了多 元w 空调技术o ”j ，分析了不同型式v r v 的制冷原理及v r v 研发中所需要解决的问题，还分析了 多元热回收型v r v 的性能【”】及五种不同的工作方式等。 上海交通大学的周兴禧等人则对双联( 一拖二) 变频空调系统进行一定的研究”“j ，建立了双联机 组的蒸发器、压缩机、电子膨胀阀一体化的数学模型，对系统的运行特性进行了仿真及分析研究，目 的是为系统的控制设计提供足够的依据；周兴禧，陈武等人【1 q ，根据双联变频空调系统中，在压缩中 转速一定的前提_ 卜，室内制冷剂流量的相互关系，提出了一种控制方案，并进行了模拟，分析了其控 制效果。但其控制方案不具有通用性，当室内机超过2 台时，室内机制冷剂流量相互影响，不再遵循 此特定的关系，故其控制方案在室内机组超过2 台时无法推广应用，不具有通用性。周兴禧，王懿等 人【1 “例还进行了变制冷剂流量下，蒸发器变流量特性的稳态及动态研究，虽然研究是针对单联变频空 调系统开发控制为目的，但根据多联系统与单联系统的相似性，对研究多联系统也有借鉴作用。 薛卫华等人建立了vrv 空调系统各部件数学模型，根据系统各部件的特点，建立了蒸发器、 冷凝器、压缩机、电子膨胀阀数学模型，并编制r 仿真程序。在vrv 空调系统整机性能实验台上对 建立的数学模型进行了验证。还对变频控制热泵式vrv 空调系统冬夏季运行特性和节能性能作了一 系列实验研究p | “j ，分析了影响室内机制冷( 热) 量、机组功率的因素，得到了v r v 空调系统的部分 负荷运转特性，并在节能性能方面与普通风冷热泵冷热水机组作了比较。 国内一些企业如科龙公司、东宝电器有限公司也对v r v 系统进行研究，如科龙公司研究了一种 压力预测模糊控制一拖多空调器的能力调节的方法口q ，东宝公司研制的一拖三v r v 系统”，其研究 目的是开发出适合中国国情的v r v 系统，研究的主要方法是通过实验，采用集中控制的方法，控制 方法不具通用性。 其它的一些发表的相关v r v 的文章，大多集中在对系统功能的介绍和对系统的运行特性进行一 些初步的探讨以及应用上的一些探讨，很少涉及系统的核心方面的内容，参考价值不大。 对单联变频空调8 ”及变频空调中的关键部件一电子膨胀阀控制【2 日”“相关的文章相对较多，因为 多联空调与单联空调，虽有结构上的不同，但毕竟也有相通之处，这些文章为研究v r v 的控制提供 了参考。有关电子膨胀阀的控制主要有p i d 控制和先进的智能控制方法，针对传统的p l d 控制存在的 不足之处，有许多对p l d 改进的控制方法，智能控制包括模糊控制、神经网络、遗传算法等，其中使 用较多的是模糊控制。 东南大学硕士学位论文 1 。3 v r v 的基本结构及发展状况 v r v 按室内、外机之间的连接和结构型式可以分为辐射状和树枝状系统形式1 日 彗帆r = = - l 厂_ 一弋| 口 ly_ | * r 1 霰 辎 【上 畚、 删 l 卜_ t _ l l l 踹m 翠 一l * 皓孺绷润； | l c 蝴 1 l 荆! 门 乳剖j 11 栅 j i 麟靓 “ j1 室内叽 电孺跚搁 图】- 1 辐射状及树枝状v r v 系统结构图。叫 两种结构型式在本质上相差不大，在辐射状的w 中，所有室内机与室外机之间都通过自己独 有的制冷剂管道与室外机联接，其节流与流量控制均放置在室外机中。这种结构型式的当室内 机较多，室内外机相距较远时，制冷剂管道消耗较多。在简单小型的v r v 经常采用，其成本相对较 低，在一定市场下适合中国的国情。 树枝状的中，所有室内机通过二根主制冷剂管道与室外机相联，是为目前常用主流的 结构型式，也即为本文要研究的v r v 的系统结构型式。 w 发展至今，按其功能可分为单冷型，热泵型和热回收型三种型式【1 ”，这三种型式与蓄热( 冷) 系统、变风量系统等结合，又扩大了w 空调系统的应用范围。单冷或热泵型的v r v 机组制冷或制 热原理与普通变频空调类似。由于系统变容量的需要，v r v 空调系统需采用一台变频压缩机或定频压 缩机与变频压缩机不同组合来实现压缩机容量控制：为保证制冷剂流量的合理分配、温度的精确调节 及变制冷剂流量下膨胀阀能有较好的调节特性，普通的热力膨胀阀已不能适应，节流机构需要采用电 子膨胀阀；为适应系统在变工况及不同负荷状态f ，稳定高效工作及室外舒适度的要求，室内外风机 的转速均需为可调速的。 1 9 9 4 年，三菱开发出带有内部热交换回路的变频单冷型多元v r v 空调系统，通过回热回路，实 现了制冷剂的有效移动，减少了系统的压力损失，提高了系统的能效比。 从1 9 9 5 年开始，蓄热空调系统开始得到发展并应用于热泵型v r v 空调系统中。系统在制冷和制 热运行时，都各具有3 种运转模式，即蓄冷( 热) 运行、蓄冷( 热) 利用制冷( 热) 运行和压缩机制 冷( 热) ，在电力供应的紧张局面下，实现了”移峰填谷”的功能。 热回收型v r v 空调系统是于9 0 年代初研制出，它不仅具有单冷和热泵型系统的功能，同时由于 冷凝负荷和蒸发负荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。对于同时需要供冷与供热的建筑物增 多的今天，具有极大的应用前景，所以也就成为了当前研究的重要课题之一。热回收型v r v 空调系 统具有3 管式和2 管式两种形式。 1 4 研究的主要内容 整个w 的研制是一项复杂的工作，需要多方面专业的结合，系统研制的工作相当复杂，需要 考虑的问题很多，例如系统的匹配、系统控制策略、系统各部件的控制、除霜、保护、i 司油等，每一 个环节都有许多需要研究的地方。本文主要进行了v r v 的稳态运行特性、系统控制策略、系统控制 方法的研究。具体进行以下几个方面的工作： ( 1 ) ，以双联v r v 为代表，建立了双蒸发器系统的稳态数学模型，以此作为研究v r v 系统运 4 第l 章绪论 行特性的平台。 f 2 ) ，利用所建立的数学模型，通过仿真的方法，研究v r v 系统在压缩机频率、电子膨胀阀开度、 室内温度、室内机风量改变时，系统的各热力参数变化规律，并进行了具体的分析，为深入掌握研究 w 的运行特性、控制策略及方法的分析及制定打下基础。 3 ) ，对现有的w 的控制策略进行研究分析，并在控制策略的指导下，对变制冷量流量及变风量 下蒸发器的制冷量及过热度的变化规律进行研究，确定本文对w 的控制策略。 ( 4 ) ，对v r v 系统中的两个关键部件：电子膨胀阀及压缩机的控制方法进行了研究，并研究设计了 具体的控制方法。 东南大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章双联v r v 系统模型建立 要研究v r v 的控制，首先要确定所研究的系统的结构型式，因为一定的控制策略总是与一定的系 统结构相联系并为之服务，不同系统结构型式的v r v 系统有必然有着不同的运转特性及控制策略。 本文所研究的v r v 的系统结构型式为第一章中所提及的树枝状的v r v 系统。 由于v r v 中有多个室内机，相对丁二单联变频空调系统，系统的整体特性较为复杂，清华大学的石 文星从系统论的角度深刻分析了v r v 系统的特征【1u j ：v r v 空调系统是一种相互作用、相互依赖的各 要素构成的具有提供室内舒适环境功能的人造实体系统，是由相互联系和相互制约的压缩机、冷凝器、 节流装置和蒸发器等要素构成的具有一定结构和特定功能( 向室内提供冷，热量) 的闭环整体。各要素 的相互联系和相互制约不仅体现在各要素之间的特定连接关系上，更重要的是体现在各要素之间的匹 配关系和各要素受扰动、调节作用时对其它要素及系统整体性能的影响等方面，这些影响通过系统内 部循环运动的制冷剂来传输和表现出来。因此为了确定合理的控制策略，建立较好控制方法，了解系 统的特性尤其是稳态特性显得尤为重要。 对系统的运行特性进行研究最基本的方法是根据实验目的，制定实验的布骤，搭建系统的实验 平台，对实验数据进行收集整理分析，得出实验结论。从理论上讲，实验方法是一种科学严谨的研究 方法，但往往受到实验条件、测试精度、经济条件以及时间上的限制。而仿真技术则可以帮助人们更 有效地 用计算机手段最大限度地对系统的性能进行研究。通过计算机仿真，原来需要在实际装置上 进行的实验，很多就可以在计算机上实现，这样不仅可以节省大量的实验费用，对系统的运行特性、 运行参数等反面自更加全面的了解和掌握。 为了对v r v 空调机组的运行特性进行全面的分析研究，本文以双联空调系统作为v r v 的代表， 建立起双联v r v 数值模型，对影响系统运行的参数如压缩机转速、电子膨胀阀开度、室内机风速及 室4 勾温度的变化进行仿真，以直观的方式来揭示v r v 系统在调节及拢动作用下，系统各热力参数的 变化规律，为加深对v r v 系统运行特性的理解、制定v r v 的控制策略及方法奠定基础及理论依据。 实际的v r v 系统，除了蒸发器，冷凝器，电子膨胀阀，压缩机外，还有把它们相联的管道及储液 器、汽液分离器、回热交换器等，本系统中不考虑这些部件模型的建模。 本文仿真目的，主要是研究系统的在室内机电子膨胀阀开度、压缩机频率、室内温度、及室内机 风量发生变化时，对蒸发压力、制冷量、过热度及系统运行效率影响的变化规律，所以不能象常规的 仿真中假定压缩机入口吸气过热度，通过二重迭代来确定系统的冷凝压力及蒸发压力。而在任何制冷 系统的仿真中，总是从任何一个部件模型开始的，任何一个部件模型的计算完成都需要己知三个状态 参数( 假定值) “，这意味着，要求出蒸发压力，冷凝压力，过热度必须要经过三重迭代，这样迭代 的判断依据中必须要有制冷荆的充注量，而在本文模型中，出于简化及仿真速度的需要，省略r 管道、 储液器或汽液分离器的模型，即使考虑管道及储液器的模型，其中的干度一般也难以知道，所以在本 模型中将冷凝器的冷凝压力( 冷凝温度) 作为己知条件，并假定冷凝器出口的过冷度为3 ，同时由 于采用电子膨胀阀，电子膨胀阀的流量即为蒸发器的流量，这样也省去了根据毛细管制冷剂流量与蒸 发器流量作为判断依据的迭代求解，通过假设蒸发温度( 蒸发压力) ，经过一重迭代求解，就可以求出 蒸发压力及对应压力下的过热度。由于假定了冷凝压力及过冷度，冷凝器模型也就无需建立了，而只 需要建立压缩机，电子膨胀阀及蒸发器的模型。 2 2 压缩机模型 变频压缩机通常包括往复式活塞式压缩机及回转式的滚动转子式、螺杆式、涡旋式，它们都属于 容积式压缩机，在较高档的v r v 中，变频压缩机常采用涡旋式压缩机，较新的还有数码涡旋压缩机。 各种形式的压缩机工作原理各不相同，但从系统仿真角度研究压缩机数学模型，并不要求准确反 6 第2 章双联v r v 系统模型建立 映压缩机内部的工作过程，故本文中压缩机以常规往复式压缩机为模型，假定为准静态，采用集总方 法建模。空调器性能仿真中，压缩机模块的已知条件为：压缩机结构参数、蒸发压力既。、冷凝压力 n 。汲压缩机入口制冷剂温度。需要求出压缩机出口的质量流量及压缩机功耗闻。 、 ( 1 ) 制冷剂质量流量计算： 珑：坠坠 3 6 0 0 v ( 2 1 ) g 。= 6 0 n 圪 式中：m 制冷剂的质量流量，k 啪； 目。容积效率； q 。理论排气量，m 3 m ； ，r 一压缩机转速，r m i n ； h i 一气缸工作容积，m 3 ； v 1 压缩机吸气口制冷剂比容，m 3 瓜g 。 对于往复式单级制冷压缩机，式( 2 1 ) 中的容积效率口r 可按下式计算： 巩= 乃五。厶4 ( 2 - 2 a ) 式中：凡广容积系数； 一1 厂一压力系数； 、厂_ 温度系数； 1 r 泄漏系数。 乃= 1 一c 忙枷一1 ) r 2 - 2 b 1 s 2 p d | p 。p 式中：r 相对余隙容积，现代中小型制冷压缩机的c 值约在1 5 6 之间； e 压力比； m 多变指数，对于氟利昂压缩机，m = 1 0 0 1 0 5 。 兄，1 一生纽 。 a pp 。 式中：肛l 吸气终了压力损失，对于氟利昂压缩机，6 a l = ( o 0 6 o 0 8 驴。w 。 k a t = t e 。口 t c 。d 式中：疋。，i 一蒸发温度，k ； 咒。r 冷凝温度，k 。 ( 2 ) 压缩机功率计算 ( 2 - 2 c ) ( 2 2 d ) 压缩机的功率是指由电动机传至压缩机轴上的功率，也称为压缩机的轴功率腑，压缩机的轴功率 消耗在两方面，一部分用丁二压缩气体，称为指示功率f ，另一部分用于克服运动机构的摩擦阻力，称 为摩擦功率n m 。理论功率与指示功率之比称为指示效率口。，指示功功率与轴功率之此为机械效率目。 指示效率与机械效率的乘积称为压缩机的绝效率目k 。 压缩机理论功率为： 一z ，却硝”一t 任， 东南大学硕士学位论文 指示效率： q j = k + b t 式中：聃一一指示效率 6 一一系数，对于对于氟利昂压缩机，b = o 0 0 2 5 机械效率： v 。p 。 巩2 荔 式中： 己一一平均摩擦压力，取o 5 k g c m 。 所以压缩机功率为： ， ：盟：监 ( 2 5 ) 玎。叩。叩2 式中： 仉一一绝热效率，仉一般在o 6 0 7 之间，它反映了压缩机在某一况下运行进的各种损失。 2 3 电子膨胀阀模型 电子膨胀阀采用孔板方程来建模，制冷剂流过电子膨胀闽的过程可近似认为是等焓过程 计算流量：p q m j = 妥瓯 刍 ( 2 6 ) 其中： f 为阀的流通面积，p 为阀前后的压降，p - 为阀入口处制冷剂的密度，f 为流量系数，其 计算式为：士：o 8 2 一o 0 5 3 x ，z 为阀后干度。 _ 考 2 4 蒸发器模型的建立 在v r v 中，存在多个蒸发器，其大小规格不一定相同，但数学模型都是相同的，只要将各个蒸发 器出口的制冷剂的合流后的状态参数作为压缩机模型的输入参数即可。 蒸发器的建模因其复杂性，历来是制冷空调装置建模中的重点和难点。对蒸发器( 换热器) 的建 模基本可分为三种岬 | j ：黑箱模型、集总参数及分布参数模型。黑箱模型是基于系统控制理论而发展 出的一种方法，它通过一组由实验得到的传递函数来模拟蒸发器的输入输出关系，此种模型比较简单， 但需依赖实验来获得传递函数中的参数( 增益、时间常数及延迟) 。集总参数及分布参数模型是依据系 统的能量守恒、质量守恒及动量守恒，结合一定的边界条件，通过数值计算的方法来对蒸发器( 换热 器) 进行计算。集总参数法又分为单结点及分相集中参数法，由于在蒸发器中存在有两相区及过热区， 两相区中与过热区中的换热机理及换热系数大不相同，所以分相集中参数法更能反应实际的蒸发器内 的制冷剂换热情况，也较为常用。分布参数法是近几年发展起来的一种方法，它将蒸发器( 换热器) 分成若干个小的微元，对每个微元进行计算，由此带来的后果就是计算所需的c p u 时间骤增。 考虑到仿真的目的是为研究系统的稳态运行特性，故本模型中采用分相集中参数的方法，将蒸发 器划分为两个相区：两相区及过热区，对两个相区分别时行计算。由于蒸发器在湿工况时，同时存在 8 第2 章双联v r v 系统模型建立 热、质交换，熟工计算十分复杂，而且还涉及干、湿工况的判断，这使问题求解增大难度。本文采用 e 。b f 法计算“，使问题有所简化。该方法的基本思想是：把湿工况的复杂计算用等价临界工况的简 单计算来替代。临界工况是指干工况和湿工况之间的临界点。蒸发器按逆流换热进行计算。首先假设 制冷剂的出口比焓，根据热平衡方程求出空气的进两相区的状态。对过热区，按干工况处理，用平均 温差法算出过热区的传热面积，从而得出两相区的传热面积；对两相区，传热面积已知，采用e ，b f 法，求出对应工况下的两相区总传热系数和空气出口状态；按传热方程式k f 可求得各区域的传热 量，得到总制冷量，进而由热平衡方程算出新的制冷剂出口比焓。当制冷剂出口比焓的假设值与计算 值不相符时，取两者的平均值迭代计算。 在v r v 的实际应用中，大多采用风冷铝翅片套片管式冷凝器。本文以此种蒸发器作为模拟对象， 模拟的任务是己知蒸发器的结构参数，制冷剂的进口参数( 焓及流量) ，蒸发压力，空气体的入口参数 ( 速度及干湿球温度) ，求制冷剂的出口参数( 焓，过热度) 。 制冷剂上上l ， t 柏，h 两相区过热区 k - ! c o - k 刖，h 可可空气 图2 1 蒸发器模型示意图 24 1 过热区计算 空气进两相区的比焓为： 向。、妒，：= 而。一! ：害；i j ；：i c 2 7 ， 式中：k 广一空气进两相区的比焓，j k g ； 一 矗。广蒸发器的空气进口比焓，j k g ； 蒸发器的空气进口含湿量，k 鲫曜； 。伟0 冷剂的出口比焓，j m g ； 。蒸发压力f 的制冷剂饱和气体比焓，j ，l ( g ； 厂制冷剂的质量流量，k g ，s ； m 彳空气的质量流量，k g ，s 。 因为过热区按干工况处理，其含湿量不变，可根据进两相区的比焓和含湿量确定空气的状态。则过热 区的对数平均温差为： 蚝= 等涮 式中：f m 过热区的对数平均温差， 屯厂蒸发器的空气入口温度，； 岛。广两相区空气入口温度，； f 。青4 冷剂的出口温度，； 啪蒸发温度，。 过热区总传热系数墨 的计算： k 2 互圣茎瓦j a 吐h n 口。f qu 式中：岛_ 过热区总传热系数，w k m 2 k ) 9 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 銮生苎兰堡兰堂些堡苎 口一每米管长管内面积，嘶= n 4 ，m 2 m ； 铜管每米管长平均面积，= 强+ d 0 2 ，m ； 。r 翅片与基管问的接触热阻，o 0 0 3 4 o 0 0 8 6 ( m 2 k ) w ： 6 铜管壁厚，m ： x 铜管材料的热导率，x = 3 9 3w “m k 、： 吩。b 口。一见后2 5 4 节翅片效率计算； 则过热区传热面积如为： 。一竺，h 。- h 。) “ 也屯 ( 2 。l o ) 2 4 2 两相区汁算 采用。一b f 法，计算迸风露点降比耳“ t t 。，i t t m l 一j 一 。d ，8 式中：t n 。两相区空气入口露点温度，。 先按于工况，计算两相区总传热系数，同式( 2 9 ) 。则传热单元数n t u 为 。k ，讧一f 。h 1 | v 7 u = 卫二竺 m 。c 删 式中：卜蒸发器总换热面积，m 2 ： 0 广空气定压比热，j ( 埏k ) 。 两相区的干球温度效率e 。为： 占。= 1 o e x p 卜阿) 空气侧旁通系数b f 为： 一e x 寸喘爿 干、湿工况判据d 为： f 2 1 l 小 ( 2 - 1 1b ) ( 2 1 1 c ) ( 2 - i l d ) d ：南( 2 _ 1 l 。)1 b f【2 一l l e ) 当p d 时，是干工况；当妒d 时，是临界工况；当岛fillil佃l叫矧驯引剥刮l 东南大学硕士学位论文 量为1 0 0 。当电磁阀通电后，容量调节腔内的排气被释放至低压吸气管。这使得活塞向上移动，从 而使得顶部涡旋盘也一起跟着向上移动。该动作分隔开两涡旋盘，导致无制冷剂质量流量通过涡旋盘， 这是“卸载状态( 0 ) ”。数码涡旋压缩机处于“卸载状态”，其容量为o 。再次让外部电磁阀断电，使 得压缩机又负载，处于1 0 0 负荷状态。这样，数码涡旋压缩机以两种状态运行：“负载状态( 1 ) ”全 容量或“卸载状态( o ) ”无容量。数码涡旋压缩机通过p w m 阀的开启和关闭，不断变换顶部涡旋盘的 升起和啮合，实现压缩机的容量调节，在设定的周期里，压缩机在“卸载状态( 0 ) ”、“负载状态( 1 ) ”两 种状态之间变换，所以称为数码涡旋压缩机。 同定周期时 同定周期时间 ( a ) 5 0 容皋调啭 厂 1 1 几 1 如赴1 ( b 1 7 s 窖鬣调节 图5 8 数码涡旋时阈周期及容量调节p l j 周期时间由“负载状态”时问和“卸载状态”时间组成。两个时间段长短的不同决定了压缩机的 容量调节量，见图5 8 。例如，一个2 0 秒的周期时间，如果负载时间是1 0 秒，卸载时间也是1 0 秒， 那么压缩机的容量调节就是( 1 0 秒1 0 0 + 1 0 秒0 ) ，2 0 秒= 5 0 。如果对于同样的周期时间，负载时 间为1 5 秒，卸载时间为5 秒，那么压缩机的容量调节就是7 5 。容量就是卸载和负载总和的时间平 均。通过改变“负载状态”时间和“卸载状态”时间，数码涡旋压缩机可以在1 0 一1 0 0 的范围内， 输出任意大小的容量( 无级输出) 。 数码涡旋通过负荷与卸载时间的比例来控制制冷剂输出，可以达到1 0 1 0 0 的无极调节效果； 无需油分离器及复杂的回油循环，系统回汕容易：没有变频空调器的电磁干拢；压缩机结构紧凑系统 工作可靠，是未来v r v 的发展方向。 533变频压缩机的常用控制方法 5 3 3 1 室内温度控制法 室内温度控制法，即以温度信号作为控制压缩机频率的输入信号，在单联变频空调系统中”5 8 舯】 常用此方法，通常以室温与设定温度偏差及偏差的变化率，根据模某种控制方法来确定压缩机的频率， 当室内负荷加大时，压缩机按控制加快转速度；当室内负荷小时，压缩机按控制减小转速，从而提供 一定的制冷剂质量流量，从而适时地满足室内负荷的需要，然后再通过对电子膨胀阀的控制来保证一 定的热热度( 过冷度) ，使整个系统能够安全高效地运行。 对于多联式空调系统，也有类似的控制方法i “，不过因为由丁多联系统中，室内机的台数超过一 台，所以需将室内温度的信号加以综合后，才能作为压缩机的输入信号，来控制压缩机的频率。其基