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）    摘要：通過(guò)對(duì)影響蒸發(fā)器換熱量的講因素?D?D膨脹閥開(kāi)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?D?D風(fēng)量控過(guò)熱度、開(kāi)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  電子膨脹閥?D?D蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略  符號(hào) CD?D?D開(kāi)度系數(shù) Z?D?D軸向長(zhǎng)度，m Te.

2、0;Tc?D?D蒸發(fā)、冷凝溫度， Tin?D?D室內(nèi)溫度， T?D?D換熱器進(jìn)口風(fēng)溫， Fi?D?D壓縮機(jī)頻率，Hz Gr?D?D制冷劑流量，kg/s G?D?D風(fēng)量，m3/h Tsu?D?D過(guò)熱度， Tsb?D?D過(guò)冷度， Q?D?D換熱量，kW ?D?D介質(zhì)密度，kg/m3 P-壓力，Pa h?D?D介質(zhì)焓，J/kg A?D?D管內(nèi)截面積，m2 S?D?D管內(nèi)截面周長(zhǎng)，m A（z）?D?D開(kāi)度對(duì)應(yīng)的截面積 d?D?D管徑 ?D?D管內(nèi)表面切應(yīng)力，N/m2 q?D?D熱流密度，W/m2 ?D?D兩相流空泡系數(shù) g?D?D重力加速度，9.8m/s2 u?D?D流速，m/s Ov?D?D電子膨脹

3、閥開(kāi)度 下標(biāo) l?D?D液相制冷劑 v?D?D汽相制冷劑 a?D?D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 Volume 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）1-3。對(duì)于多室內(nèi)機(jī)的熱回收系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，室內(nèi)機(jī)可能同時(shí)做冷凝器或蒸發(fā)器使

4、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)的控制之中，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)被引用到實(shí)際的制冷空調(diào)系統(tǒng)中4-8。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)上提高之外，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(guò)分析系統(tǒng)在制冷模式下電子膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)機(jī)風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等

5、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)制冷模式下更合理的控制策略。 2.數(shù)學(xué)模型  2.1 電子膨脹閥 電子膨脹閥是通過(guò)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)流裝置。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9-12，其模型描述為： 能量方程： hin=hout (1) 動(dòng)量方程： 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)中，由于膨脹閥可能設(shè)置在離蒸發(fā)器較遠(yuǎn)的位置，節(jié)流后的兩相制冷劑沿膨脹閥后的管路進(jìn)入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器內(nèi)部的大部

6、分區(qū)域制劑處于兩相流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)液體過(guò)冷度較小時(shí)，由于管道阻力及上升立管中重力的影響，液態(tài)制冷劑將會(huì)出現(xiàn)閃蒸，閃蒸之后管路內(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(guò)冷度時(shí)，膨脹閥之后的高壓液體管內(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13,14，故本文以環(huán)狀流建模。因制冷劑蒸發(fā)現(xiàn)象可能發(fā)生上述管段的任何位置，建模時(shí)必須在動(dòng)量議程中考慮重力項(xiàng)。 能量守恒議程：   整理上述議程，分別得到氣、液兩相流的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。 質(zhì)量守恒方程：   動(dòng)量守恒方程：   式中tp=v+(1-)

7、0;l是微元管段中兩相流體單位容積的質(zhì)量，稱為兩相流體的密度。 在式（3）（5）中存在P、uv和u1四個(gè)未知數(shù)，方程無(wú)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。但目前還不存在公認(rèn)準(zhǔn)確的空隙率模型計(jì)算公式；本文采用文獻(xiàn)4所提出的兩相界面關(guān)系方程使方程封閉。 氣、液兩相界面關(guān)系方程： 在式（3）（6）四個(gè)方程中，共有P、uv和u1四個(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，一般Re2000，且蒸發(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：   能量守恒方程： 3

8、.調(diào)節(jié)特性 數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電子膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，可以得出系統(tǒng)的仿真特性。對(duì)于選定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，換熱器的幾何參數(shù)為定值，是一個(gè)不可調(diào)的參數(shù)。因此，影響電子膨脹閥蒸發(fā)器部分換熱效果的因素主要有電子膨脹閥開(kāi)度、換熱風(fēng)量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、換熱器幾何參數(shù)。 3.1 膨脹閥開(kāi)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其他參數(shù)不變時(shí)，蒸發(fā)器換熱量隨膨脹閥相對(duì)開(kāi)度的變化曲線。 圖1 換熱量隨膨脹閥相對(duì)開(kāi)度變化曲線 當(dāng)電子膨脹閥開(kāi)度很小時(shí)，通過(guò)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(guò)熱度，蒸發(fā)器兩端的制冷劑焓

9、差基本為一定值。因?yàn)橹评鋭┝髁侩S電子膨脹閥開(kāi)大而增加，在換熱條件仍能保證蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱時(shí)，出口制冷劑焓值變化不大，所以蒸發(fā)器的換熱量也隨流量的增加而逐漸增加。當(dāng)膨脹閥繼續(xù)開(kāi)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(guò)熱度，出口已經(jīng)處于兩相區(qū)，管外空氣側(cè)的流量和換熱系數(shù)基本為定值，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)有所上升，因此，蒸發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相對(duì)開(kāi)度的增加略有上升。這說(shuō)明，在蒸發(fā)器出口有過(guò)熱度的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)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(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)蒸

10、發(fā)器的換熱量收效甚微。 3.2 室內(nèi)機(jī)風(fēng)量對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響 換熱量隨室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化曲線如圖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)器出口有一定的回液，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)出口的焓差逐漸增大，在制冷劑流量不變的情況下，換熱量逐漸增大，當(dāng)風(fēng)量增大到一定程度以后，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，出口焓值變化已經(jīng)不大，所以換熱量隨風(fēng)量增大而略有增加。 圖2 換熱量隨風(fēng)量變化曲線 3.3 冷凝溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響 在其他因

11、素不變的情況下，冷凝溫度、冷凝壓力的變化主要通過(guò)影響制冷劑流量來(lái)影響蒸發(fā)器的換熱量，如圖3所示。隨著冷凝壓力的升高，電子膨脹閥的進(jìn)出口壓差也隨著增大，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。 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(lái)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(guò)電子膨脹閥的制冷劑流量減?。涣硪环矫?，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

12、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)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)溫度主要影響管內(nèi)外的換熱溫差，由于經(jīng)過(guò)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)器的最大換熱量。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)器出口的制冷劑干度也逐漸上升；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(guò)熱

13、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)器出口的焓值變化很小，換熱量隨室溫的增加略有上升。   圖5 換熱量隨室溫變化曲線 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)象；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(guò)熱度以防止回液。因此，要控制的參數(shù)是室內(nèi)溫度和過(guò)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(kāi)度。室內(nèi)機(jī)風(fēng)量和電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)室內(nèi)蒸發(fā)器的聯(lián)合影響結(jié)果如圖6所示。 圖6 制冷量、過(guò)熱度隨膨脹閥開(kāi)度和室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化曲線 電子膨脹閥和

14、蒸發(fā)器聯(lián)合工作輸入、輸出狀態(tài)方程可以用下式來(lái)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(guò)熱時(shí)，因制冷劑出口焓值變化不大，電子膨脹閥所決定的制冷劑出流量是決定換熱量的主要因素；風(fēng)量對(duì)換熱量不大，而對(duì)過(guò)熱度影響較大。各調(diào)節(jié)手段民對(duì)應(yīng)的控制對(duì)象之間可近似認(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，電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)換熱量影響不大，但進(jìn)、出口焓差與流量近似成反比，對(duì)出口干度的影響較大。室內(nèi)機(jī)風(fēng)量對(duì)過(guò)熱度同樣有較大的影響。此時(shí)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

15、一定的耦合度的。 (3) 只要保證蒸發(fā)器出口為過(guò)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)中，保證蒸發(fā)器出口過(guò)熱又是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行所必需的條件之一。所以在過(guò)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(guò)熱的情況下，調(diào)節(jié)風(fēng)量和調(diào)節(jié)膨脹閥開(kāi)度對(duì)過(guò)熱度有同等程度的影響。仍可以采用風(fēng)量控過(guò)熱度優(yōu)先的方法，同時(shí)用膨脹閥開(kāi)度來(lái)改善風(fēng)量對(duì)過(guò)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Ч?根據(jù)上述分析，提出了風(fēng)量G控制過(guò)熱度Tsu，電子膨脹閥開(kāi)度Q控制室內(nèi)溫度Tin的控制策略。百事通 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

16、脹閥開(kāi)度對(duì)室內(nèi)溫度與過(guò)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)采用分布式控制模式；獨(dú)立控制策略便于實(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)展與展望.中國(guó)暖通空調(diào)制冷，1998年學(xué)術(shù)年會(huì)學(xué)術(shù)文集，1998：1-52 荒野?匆?.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 Contro

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