VRV-空调系统特性与控制策略研究.doc

VRV 空调系统特性与控制策略研究（一）电子膨胀阀蒸发器联合调节特性与控制策略 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符号CD开度系数Z轴向长度，mTe. 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，HzGr制冷剂流量，kg/sG风量，m3/hTsu过热度，Tsb过冷度，Q换热量，kW介质密度，kg/m3P-压力，Pah介质焓，J/kgA管内截面积，m2S管内截面周长，mA（z）开度对应的截面积d管径管内表面切应力，N/m2q热流密度，W/m2两相流空泡系数g重力加速度，9.8m/s2u流速，m/sOv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（Variable Refrigerant Volume Air - conditioning System, 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 2.1 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 (1)动量方程：2.2 蒸发管路及蒸发器模型2.2.1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=v+(1-) l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。2.2.2 空气侧换热模型因横流蒸发器外侧的空气流速较低，一般Re2000，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。3.1 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。3.2 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，在制冷剂流量不变的情况下，换热量逐渐增大，当风量增大到一定程度以后，蒸发器内的制冷剂能够完全蒸发，风量增加使制冷剂只能进行显热交换，出口焓值变化已经不大，所以换热量随风量增大而略有增加。图2换热量随风量变化曲线3.3 冷凝温度对蒸发器换热量的影响在其他因素不变的情况下，冷凝温度、冷凝压力的变化主要通过影响制冷剂流量来影响蒸发器的换热量，如图3所示。随着冷凝压力的升高，电子膨胀阀的进出口压差也随着增大，在蒸发器能够保证制冷剂完全蒸发的情况下，制冷剂流量的增加也就意味着蒸发器换热量的增加。图3换热量随冷凝温度变化曲线3.4 蒸发温度对蒸发器换热量的影响在其他因素不变的情况下，蒸发温度、蒸发压力的变化从两个方面来影响蒸发器的换热量，一方面随着蒸发温度（蒸发压力）的升高，电子膨胀阀的进出口压差减小，使得通过电子膨胀阀的制冷剂流量减小；另一方面，蒸发温度的升高，使得制冷剂与空气的换热温差减小，也使换热效果降低。两个方面的因素共同使蒸发器的换热量随着蒸发温度的升高而降低。如图4所示。图4换热量随蒸发温度变化曲线5室温对蒸发器换热量的影响 室内温度对蒸发器换热量的影响如图5所示。室内温度就是蒸发器空气侧的入口温度，当蒸发温度一定时，室内温度主要影响管内外的换热温差，由于经过蒸发器冷却，空气温度最多只能降低到蒸发温度，所以当风量一定时也决定了蒸发器的最大换热量。当室内温度很低时，蒸发器内的制冷剂不能完全蒸发，蒸发器出口有回液现象，随着室内温度的上升，换热器的换热量也逐渐上升，蒸发器出口的制冷剂干度也逐渐上升；当室内温度上升至一定值时，制冷剂能够完全蒸发，蒸发器出口有一定的过热度，由于制冷剂温度最高只能升到室内温度，制冷剂的在蒸发器出口的焓值变化很小，换热量随室温的增加略有上升。 图5换热量随室温变化曲线3.6 调节参数的联合影响影响蒸发器换热量的参数中蒸发温度和冷凝温度是表征系统运行的参数，不能直接作为调节参数，室内温度是被控对象；如果系统正常运行，还需要蒸发器出口制冷剂保持一定的过热度以防止回液。因此，要控制的参数是室内温度和过热度，能作为调节参数的只有室内机风量和电子膨胀阀开度。室内机风量和电子膨胀阀开度对室内蒸发器的联合影响结果如图6所示。图6制冷量、过热度随膨胀阀开度和室内机风量的变化曲线电子膨胀阀和蒸发器联合工作输入、输出状态方程可以用下式来表示：结合前面的分析可以发现：(1) 当蒸发器出口制冷剂已经过热时，因制冷剂出口焓值变化不大，电子膨胀阀所决定的制冷剂出流量是决定换热量的主要因素；风量对换热量不大，而对过热度影响较大。各调节手段民对应的控制对象之间可近似认为是相互独立的，此时B（t）是对角占优的。(2) 当蒸发器出口为两相流时，蒸发器空气侧进出口温差基本为定值，换热量主要由风量决定，电子膨胀阀开度对换热量影响不大，但进、出口焓差与流量近似成反比，对出口干度的影响较大。室内机风量对过热度同样有较大的影响。此时B（t）是上三角矩阵。调节手段对控制对象的影响是有一定的耦合度的。(3) 只要保证蒸发器出口为过热状态，就能实现调节手段与控制对象之间的独立调控。而在制冷空调系统中，保证蒸发器出口过热又是保证系统正常运行所必需的条件之一。所以在过热度优先控制的模式下，独立调节是可以实现的。(4) 在蒸发器出口未过热的情况下，调节风量和调节膨胀阀开度对过热度有同等程度的影响。仍可以采用风量控过热度优先的方法，同时用膨胀阀开度来改善风量对过热度的调节，独立控制与适当的耦合也能取得同样效果。根据上述分析，提出了风量G控制过热度Tsu，电子膨胀阀开度Q控制室内温度Tin的控制策略。5.结论在两个优先原则下，可以实现室内机风量与电子膨胀阀开度对室内温度与过热度的解耦控制，独立控制策略是可以实现的；独立控制策略可用于复杂的系统，可对整个系统采用分布式控制模式；独立控制策略便于实现模块化，不会因系统形式的改变而对控制方法产生较大的影响；独立控制策略有较强的可扩展性，不会由于系统的复杂而增加控制部分的成本。参考文献1 彦启森.空调技术的发展与展望.中国暖通空调制冷，1998年学术年会学术文集，1998：1-52 荒野喆也.空调环境技术展望.三菱电机技报，1992，66（4）：2-33 石文星.变制冷剂流量空调系统特性及其控制策略研究.清华大学博士学位论文，20004 Fumio Matsuok. Electric Control Methods in matrix form in Air Conditioners, Refrigeration, 984; 59: (679)5 松冈文雄.空调机电子制御方式. 冷冻, 1985; 60：（693）6 松冈文雄.空调机制御.三菱电机技报，1987；61（5）7 Fumio Matsuok. Fuzzy Technology in the Refrigeration & Airconditioning systems, Trans. of the JAR, 1991; 8(1)8 中尾正喜他，年间冷房空调机高效率制御（第1报）.空气调和.卫生工学会论文集，1995；599 中尾正喜他，年间冷房空调机高效率制御（第2报）.空气调和（卫生工学会论文集，1996；6011 Nakashima Y