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论多联式空调机组

作者:LunWen 来源:中华论文网-免费论文下载 加入时间:2005-9-20

摘要:在分析了多联式空调机组特点的基础上,阐述了以变频制冷压缩机为核心的两相流体网络模拟法,以解决多联式空调机组难以分析掌握的问题;讨论了系统稳定可靠运行问题,并提出最大容量限度的概念;提出必须进行整体系统的评价标定试验的观点,以及试验方法的设想。 能源和环境问题是当今世界关注的焦点。为了节约能源保护环境,采用变流量以适应空调负荷变化,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。


随着我国经济建设的发展,住宅建设迅猛增长,为了满足人们对室内外空气环境要求不断提高的需要,近年来出现了所谓"住宅空调",水--空气系统、空气系统(管道机)和多联式空调机组分别适合不同需要,呈三足鼎立局面。但是,必须注意的是,住宅空调的特点是冷暖两用、调控优良、可靠性高、节约能源,具备上述四方面的空调设备才堪称"住宅空调",才能在此领域立足壮大。而调控是水-空气系统、空气系统(管道机)当前的薄弱环节,应从速解决。至于多联式空调机组虽然比较完美,但是仍存在标准与难以掌握两大问题,本文将对此进行论述。


变制冷剂流量(VRF)空调系统根据室内机数量多少,可分为单元式和多元式两种类型,而多联式空调机组就是多元式变制冷剂流量空调系统,因此,名为机组实际是一套整体系统,必须用整体的系统的观点进行分析研究与试验,才能正确地掌握与评价。

1 两相流体网络模拟分析空调系统


多联式空调机组由一台或多台室外机与多台室内机组成,依靠制冷剂流动进行能量转换与输送,所以,它是由制冷剂管路将制冷压缩机、室内外换热器、节流装置和其它辅助部件联接而成的闭式管网系统,而室内外换热器又可视为具有扩展表面的传热管,在管内进行着连续冷凝或蒸发过程;这样,多联式空调机组--严格说即变制冷剂流量空调系统,实质上是由制冷压缩机、电子膨胀阀、其它阀件(附件)以及一系列管路构成的环状管网系统。系统中的管路有以下3种类型:

① 外肋片直管:具有扩展表面的传热管段,承担系统与室内外环境进行热量交换作用;

② 光管直管:当其外覆保温层时,则视为复合直管,由于布置不同,有上升立管、下降立管和水平管之分;

③ 光管弯管:具有一定弯曲角度的光管。


根据上述剖析与归纳,石文星博士[1]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,从网络拓扑关系描述入手,通过增广关联矩阵,建立了变制冷剂流量空调系统的通用的分布参数模型,采用变步长求解。并以此为手段分析了多联式空调机组的运行特性,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。

以变容量制冷压缩机为核心气液两相流体网络模型,与具有恒压点的单相不可压缩流体网络模型有明显的不同特点:


具有相变过程。制冷剂沿管路流动存在压力损失,且与外界环境发生热交换,会产生相变(冷凝或蒸发);在稳定工况下,流入与流出节点的质量流量相等,而体积流量不等。


管段阻力特性系统S并非常数。微元管段阻力系数取决于制冷剂状态和流速变化,各管段的阻力特性系数并非管段结构的函数,即管段阻力特性系数不能作为常数处理。


网络系统无恒压点。网络中各点的压力取决于制冷压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀的匹配和调节关系,取决于环境温度和制冷剂流动状态;网络系统通过制冷剂充注量或补充相应的方程封闭求解。


制冷剂的动力特性和传热特性存在耦合关系。各管段制冷剂的温度不仅取决于与外界环境的换热状况,还与该管段的压力密切相关。

2 运行稳定性


多联式空调机组以节约能源、智能化调节和精确的温度控制著称,但是,是否能真正具备上述三项优越性呢?实际并不一定,而与其容量大小和系统运行稳定性相关。

21 关于多联式空调机组容量


为了宣传多联式空调机组的优越与万能,常用以下几点表达,即:多室外制冷压缩机的单一系统,可联接64台、128台甚至256台室内机,配管最长可达125m,室外机、室内机之间的高差可为50m,室内机之间的高差可达30m。且不论为了实现这种大系统的可靠运行,特别是针对由于环境温度过低与管路过长带来的液体回流、液态制冷剂再闪发和回油困难等问题,需要增加一些辅助回路与附件,致使系统复杂,更重要的是将造成过多能量消耗,以及系统难以稳定运行。


为什么能耗增加?一方面由于机组容量增加,实现系统各部件的最优化匹配有难度,致使能耗增加。例如,日本为了实现1997年12月京都会议决议,规定多联式空调机组的制冷能效比(EER)为:制冷量小于等于4kW为4.12,小于等于7
kW为3.23,小于等于28
kW为3.07,可以说明问题。另一方面,由于管路过长,阻力损失大大增加,也将造成制冷压缩机能耗大为增加,各厂家对此均有说明,故不多述。总之,多联式空调机组容量不宜太大,额定制冷量以不大于56
kW为好,而且,室外机就说可能分散布置。

22 关于系统运行稳定性


以制冷工况为例,蒸发温度和冷凝温度是表征系统运行状态的参数。但是,对于室内机来说却不能作为调节参数,为了保证系统稳定运行,需要控制蒸发器制冷剂出口的过热度,以防止回液,因此,室内机的被控参数是室温和蒸发器制冷剂出口的过热度,而调节参数只有室内机的风量和电子膨胀阀的开度。


对于室外机来说,其中变频制冷压缩机是VRF气液两相流体网络的动力源,其吸气压力和排气压力的变化是系统稳定运行的关键;但是,尽管制冷压缩机吸气压力和排气压力一定,室外环境温度、压缩机频率和冷凝器风量变化,都直接影响冷凝器制冷剂出口的再冷度,而此再冷度又是系统稳定可靠运行的一个重要参数,因此,制冷压缩机吸气压力、排气压力以及冷凝器风量是调节参数,而这些参数之间又存在充分的耦合关系。

根据上述分析,石文星博士[1]提出VRF空调系统的自治协调控制法,即:

① 在保证室内机蒸发器制冷剂出口具有一定过热度的条件下,应用电子膨胀阀控制室温稳定;

② 在保证室外机冷凝器制冷剂出口具有一定再冷度的条件下,调节压缩机频率和冷凝器风量控制制冷压缩机吸气压力和排气压力;

③ 在室外机处集中控制压缩机吸气过热度。


尽管如此,在众多室内机的运行台数和调节模式组合多变条件下,可以保证系统稳定可靠运行,但是,压缩机吸气压力、排气压力、吸气过热度与冷凝器再冷度会在一定范围内变化,如果系统容量过大,不但各室内机电膨胀阀前的制冷剂供液压力和蒸发器回气压力将有较大的变化,而且,吸气过热度与冷凝器再冷度可能超出期望范围,致使系统不能稳定地运行。

3 试验评价


以上反复强调多联式空调机组是多元变制冷剂流量空调系统,对于某给定多联式空调机组来说,在满载运行条件下,系统内在参数(蒸发温度、冷凝温度等)以及系统制冷(制热)特性,取决于外在参数,即室内外空气温湿度。因此,作为标准的评价试验采用分别进行室内机评价试验和室外机评价试验是不正确的,必须在相同要求条件下进行整体系统的试验,才能相对准确地评价与比较多联式空调机组。

31 必须整体试验

首先,分析室内机与电子膨胀阀联合调节特性


由于对于给定室内机来说,换热器几何参数是定值,因此,影响蒸发器效果的因素主要有:室内环境温湿度、风量、电子膨胀阀开度以及蒸发温度和冷凝温度。但是,进行机组标定试验时,室内环境温湿度、风量和电子膨胀阀开度可均匀定值,这样,影响蒸发器效果的因素就只有蒸发温度、冷凝温度以及膨胀阀前制冷剂再冷度,而这些参数均为系统的内在参数,取决于多联式空调机组组成与匹配,难以人为给定,所以,单独进行室内机评价试验,实际是不可行的。

其次,分析室外机组联合调节特性。


多联式空调机组的室外机由变频制冷压缩机(组)和换热器及其风扇组成,其中换热器几何参数是定值,因此,影响室外机的制冷剂流量和制冷能力的因素主要有:室外环境温湿度、风量、制冷压缩机频率以及蒸发温度和冷凝温度。这样,与室内机相同,进行机组标定试验时,室外环境温湿度、风量和制冷压缩机频率可均为定值,而影响定外机性能的因素就只有取决于多联式空调机组组成与匹配、且难以人为给定的系统内在参数--蒸发温度、冷凝温度以及吸气过热度和冷凝器出口制冷剂再冷度。所以,单独进行室外机组的评价试验,实际也是不可行的。

总之,企图简化试验手段,采取分别进行室内机评价试验和室外机评价试验,以达到评价多联式空调机组的方法是不可行的。

32 多联式空调机组标定试验的设想

由于评价试验多联式空调机组必须整体进行,因此,提出如下设想。

① 以标准额定制冷量计,当前被评价的多联式空调机组最在制冷能力取28kW为宜。

② 标定试验在室外侧和室内侧分别为上下设置的房间热平衡量热计装置内进行。


以最大制冷能力为28kW的机组为例,试验机组系统的条件应为:室内机与室外机的高差不小于5m;配管最远长度不小于30m。

④ 按GB/T7725《房间空气调节器》规定的试验工况室内外参数进行。

⑤ 试验内容见表。

参考文献

1 石文星,变制冷剂流量空调系统特性及其控制策略研究:[博士学位论文],北京:清华大学,2000