VRV_空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究(一)

1、vrv空調(diào)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(diào)節(jié)特性與控制策略摘要通過對(duì)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(fēng)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(duì)系統(tǒng)的影響和調(diào)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(fēng)量控過熱度、開度控室內(nèi)溫度的獨(dú)立控制原理和方 法，這種控制方法更適合用于制冷空調(diào)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)囂電子膨脹閃工調(diào)節(jié)特性控制方法獨(dú)立控制符號(hào)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(nèi)溫度，°ct“ 一一換熱器進(jìn)口風(fēng)溫，°ch壓縮機(jī)頻率，hzgr一一制冷劑流屋，kg/sga風(fēng)量

2、，m3/htsu一一過熱度，°ctsb過冷度，°cq換熱量，kwp介質(zhì)密度，kg/m3p壓力,pah介質(zhì)焰，j/kga管內(nèi)截血積，m2s管內(nèi)截面周長，ma (z)開度對(duì)應(yīng)的截面積d管徑t管內(nèi)表面切應(yīng)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(biāo)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(diào)技術(shù)的迅速發(fā)展，空調(diào)器正在從傳統(tǒng)的單室內(nèi)機(jī)、單室外 機(jī)的結(jié)構(gòu)逐漸向單室外機(jī)多室內(nèi)機(jī)及多室內(nèi)機(jī)和多室外機(jī)系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)逐漸趨于復(fù)雜，具有代表性的變流量制冷系統(tǒng)(variable refrigerant vo

3、lume air - conditioning system,簡(jiǎn)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(nèi)機(jī)的熱回收系統(tǒng)來說, 室內(nèi)機(jī)可能同時(shí)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(duì) 室內(nèi)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(yīng)新空 調(diào)系統(tǒng)的需要。由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)的一些基于制冷空調(diào)系統(tǒng) 整體的控制算法都由于其兼容性和可擴(kuò)展性等因素而受到了很大的局限，因 此各室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)獨(dú)立控制的思想已經(jīng)被引入到制冷空調(diào)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(jīng)元算法和模糊控制 算法都已經(jīng)被

4、引用到實(shí)際的制冷空調(diào)系統(tǒng)+ 14'8,0為使制冷空調(diào)系統(tǒng)能安全 穩(wěn)定的運(yùn)行，除了在控制技術(shù)上提高z外，更要注重研究制冷空調(diào)系統(tǒng)本身 的運(yùn)行調(diào)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(nèi) 溫度、室內(nèi)機(jī)風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等對(duì)室內(nèi)機(jī)換熱的影響的基礎(chǔ)上, 得出了室內(nèi)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，找出了對(duì)室內(nèi)機(jī)制冷模式卜更合理的控制策略。2 數(shù)學(xué)模型2.1電子膨脹閥電子膨脹閥是通過步進(jìn)電機(jī)等手段使閥芯產(chǎn)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(dòng)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(nèi)制冷劑側(cè)穩(wěn)態(tài)模型在vrv空調(diào)系統(tǒng)屮，由于膨脹閥可能設(shè)直在離蒸發(fā)器較遠(yuǎn)的位置，節(jié) 流示的兩相制冷劑沿膨脹閥示的管路進(jìn)入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器 內(nèi)部的大部分區(qū)域制劑處于兩相流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)液體過冷度較小時(shí)，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(huì)岀現(xiàn)閃蒸，閃蒸之麻管路 內(nèi)的流動(dòng)也為氣、液兩相流動(dòng)；當(dāng)室內(nèi)換熱器制熱采用其出口電子膨脹閥控制制冷劑過冷度時(shí),膨脹閥z后的高壓液體管內(nèi)仍然可能呈氣、液兩相狀態(tài)。 在制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)，蒸發(fā)管路內(nèi)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(shí)必須在動(dòng) 量議程屮考慮重力項(xiàng)。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(zhì)量孑叵方程和動(dòng)雖守怛方程。質(zhì)量守恒方程:a p vtiv+ (1- a ) p 1u1 =o(4)動(dòng)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(zhì)屋， 稱為兩相流體的密度。在式(3)(5)中存在p、a、u,和u四個(gè)未知數(shù)，方程無法封閉求 解。傳統(tǒng)的方法采用空隙率經(jīng)驗(yàn)公式作為補(bǔ)充方程，使方程封閉。但目詢還 不存在公認(rèn)準(zhǔn)確的

7、空隙率模型計(jì)乳公式；木文采用文獻(xiàn)4所提出的兩相 界面關(guān)系方程使方程封閉。氣、液兩相界血關(guān)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(gè)方程小，共有p、a、叭和u四個(gè)未知數(shù)，方程 組封閉可解。2.2.2空氣側(cè)換熱模型因橫流蒸發(fā)器外側(cè)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(cè)壓降，只考慮質(zhì)量守恒和能量守恒方程。 質(zhì)量守恒方程：(gudu)=d<a (7)能量守恒方程:d7a(gahq)=ji dq a3 調(diào)節(jié)特性數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電了膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，可

8、以得出系統(tǒng)的仿真特 性。對(duì)于選定的系統(tǒng)來說，換熱器的兒何參數(shù)為定值，是一個(gè)不可調(diào)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(fēng)量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、換熱器兒何參數(shù)。3膨脹閥開度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量為600m3/h m他參數(shù)不變時(shí)，蒸發(fā)器換熱量隨 膨脹閥相對(duì)開度的變化illi線。郴対開貞圖1換熱雖隨膨脹閥相對(duì)開度 變化曲線當(dāng)電子膨脹閥開度很小時(shí)，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(nèi)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?yàn)橹评鋭┝髁侩S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(jīng)不能使制冷劑出口有過熱度，出口 已經(jīng)處于兩相區(qū)，管外空氣側(cè)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(nèi)制冷劑的換熱系數(shù)會(huì)冇所上升，因此，蒸 發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相對(duì)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(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量的 效果是很明顯的，而當(dāng)蒸發(fā)器出口已出現(xiàn)回液的情況下，通過調(diào)節(jié)電子膨脹 閥的開度來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量收效甚微。3.2室內(nèi)機(jī)風(fēng)量對(duì)

10、蒸發(fā)器換熱量的影響換熱量隨室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化illi線如圖2所示，當(dāng)風(fēng)量很小時(shí)，不能使管 內(nèi)的制冷劑完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的冋液，隨著風(fēng)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(jìn)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(dāng)風(fēng)量增人到一定程度以示，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷 劑能夠完全蒸發(fā)，風(fēng)量增加使制冷劑只能進(jìn)行顯熱交換，出口焙值變化已經(jīng) 不大，所以換熱量隨風(fēng)量增大而略有增加。圖2換熱雖隨風(fēng)屋變化曲3.3冷凝溫度對(duì)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(jìn)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(duì)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(gè)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(jìn)出口壓差減小，使得通過電子膨脹閥的制冷劑流量減小；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(gè)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(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響室內(nèi)溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響如圖5所示。室內(nèi)溫度就是蒸發(fā)器空氣 側(cè)的入口溫度，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時(shí)，室內(nèi)溫度主耍影響管內(nèi)外的換熱溫差, 山于經(jīng)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(dāng)風(fēng)量一定 時(shí)也決定了蒸發(fā)器的最大換熱雖。當(dāng)室內(nèi)溫度很低時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)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(nèi)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(dāng)室內(nèi)溫度上升至一 定值時(shí)，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(nèi)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(diào)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(yùn)行的參 數(shù)，不能直接作為調(diào)節(jié)參數(shù)，室內(nèi)溫度是被控對(duì)彖；如果系統(tǒng)正常運(yùn)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(nèi)溫度和過熱度，能作為調(diào)節(jié)參數(shù)的只有室內(nèi)機(jī)風(fēng)量和電子膨脹閥開 度。室內(nèi)機(jī)風(fēng)量和電子膨脹閥開度對(duì)室內(nèi)蒸發(fā)器的聯(lián)合影響結(jié)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(nèi)機(jī)風(fēng)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(jié)合前面的分析可以發(fā)現(xiàn)：(1) 當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑已經(jīng)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(fēng)屋對(duì)換熱雖不 大，而対過熱度影響較大。各調(diào)節(jié)手段民對(duì)應(yīng)的控制對(duì)彖z間可近似認(rèn)為是 相互獨(dú)立的，此時(shí)b (t)是對(duì)角占優(yōu)的。(2) 當(dāng)蒸發(fā)器出口為兩相流時(shí)，蒸發(fā)器空氣側(cè)進(jìn)出口溫差基本為定值， 換熱量主要由風(fēng)量決定，電了膨脹閥開度對(duì)換熱蜃影響不人，但進(jìn)、出口焰 差與流雖近似成反比，對(duì)出口干度的影響較大。室內(nèi)機(jī)風(fēng)雖對(duì)過熱度同樣冇 較大的影響。此吋b (t)是上三角矩陣。調(diào)節(jié)手段對(duì)控制對(duì)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)手段與控制對(duì)象之 間的獨(dú)立調(diào)控。而在制冷空調(diào)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(yùn)行所必需的條件所以在過熱度優(yōu)先控制的模式下，獨(dú)立調(diào)節(jié)是可 以實(shí)現(xiàn)的。(4) 在蒸發(fā)器出口未過熱的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)量和調(diào)節(jié)膨脹閥開度對(duì)過熱 度冇同等程度的影響。仍可以采川風(fēng)量控過熱度優(yōu)先的方法，同時(shí)川膨脹閥 開度來改善風(fēng)暈對(duì)過熱度的調(diào)節(jié)，獨(dú)立控制與適當(dāng)?shù)鸟詈弦材苋〉猛瑯有?果o根據(jù)上述分析，提出了風(fēng)量g“控制過熱度tsu，電子膨脹閥開度q?？?制室內(nèi)溫度tin的控制策略。5 結(jié)論在兩個(gè)優(yōu)先原則下，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)機(jī)風(fēng)量與電子膨脹閥開度對(duì)室內(nèi)溫度 與過熱度的解耦控制，獨(dú)立控制策略是可以實(shí)現(xiàn)的；獨(dú)立控制策略可用于復(fù) 雜的系統(tǒng)，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)釆用分布式控制模式；獨(dú)立控

16、制策略便于實(shí)現(xiàn)模塊 化，不會(huì)因系統(tǒng)形式的改變而對(duì)控制方法產(chǎn)生較大的影響；獨(dú)立控制策略有 較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，不會(huì)由于系統(tǒng)的復(fù)雜而增加控制部分的成本。參考文獻(xiàn)1彥啟森.空調(diào)技術(shù)的發(fā)展為展望.中國曖通空調(diào)制冷，1998年學(xué)術(shù) 年會(huì)學(xué)術(shù)文集，1998： 152荒野戰(zhàn)也.空調(diào)環(huán)境技術(shù)展望.三菱電機(jī)技報(bào)，1992, 66 (4)： 2-33石文星.變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)特性及其控制策略研究.清華大學(xué) 博士學(xué)位論文，20004 fumio matsuok. electric control methods in matrix form in air conditioners, refrigeration, 98

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