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論多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組
摘要：在分析了多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，闡述了以變頻制冷壓縮機(jī)為核心的兩相流體網(wǎng)絡(luò)模擬法，以解決多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組難以分析把握的題目；討論了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行題目，并提出最大容量限度的概念；提出必須進(jìn)行整體系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)定試驗(yàn)的觀點(diǎn)，以及試驗(yàn)方法的設(shè)想。能源和環(huán)境題目是當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)。為了節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，采用變流量以適應(yīng)空調(diào)負(fù)荷變化，在制冷空調(diào)領(lǐng)域受到廣泛重視，變水量、變風(fēng)量和變制冷劑流量等變流量系統(tǒng)得到應(yīng)用，在進(jìn)步調(diào)控質(zhì)量和節(jié)約能源兩個(gè)方面效果突出。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，住宅建設(shè)迅猛增長(zhǎng)，為了滿足人們對(duì)室內(nèi)外空氣環(huán)境要求不斷進(jìn)步的需要，近年來(lái)出現(xiàn)了所謂"住宅空調(diào)"，水--空氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)(管道機(jī))和多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組分別適合不同需要，呈三足鼎立局面。但是，必須留意的是，住宅空調(diào)的特點(diǎn)是冷熱兩用、調(diào)控優(yōu)良、可靠性高、節(jié)約能源，具備上述四方面的空調(diào)設(shè)備才堪稱"住宅空調(diào)"，才能在此領(lǐng)域立足壯大。而調(diào)控是水-空氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)(管道機(jī))當(dāng)前的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)從速解決。至于多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組固然比較完美，但是仍存在標(biāo)準(zhǔn)與難以把握兩大題目，本文將對(duì)此進(jìn)行論述。
變制冷劑流量(vrf)空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)機(jī)數(shù)目多少，可分為單元式和多元式兩種類型，而多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組就是多元式變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)，因此，名為機(jī)組實(shí)際是一套整體系統(tǒng)，必須用整體的系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行分析研究與試驗(yàn)，才能正確地把握與評(píng)價(jià)。
1 兩相流體網(wǎng)絡(luò)模擬分析空調(diào)系統(tǒng)
多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組由一臺(tái)或多臺(tái)室外機(jī)與多臺(tái)室內(nèi)機(jī)組成，依靠制冷劑活動(dòng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與輸送，所以，它是由制冷劑管路將制冷壓縮機(jī)、室內(nèi)外換熱器、節(jié)流裝置和其它輔助部件聯(lián)接而成的閉式管網(wǎng)系統(tǒng)，而室內(nèi)外換熱器又可視為具有擴(kuò)展表面的傳熱管，在管內(nèi)進(jìn)行著連續(xù)冷凝或蒸發(fā)過(guò)程；這樣，多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組--嚴(yán)格說(shuō)即變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是由制冷壓縮機(jī)、電子膨脹閥、其它閥件(附件)以及一系列管路構(gòu)成的環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的管路有以下3種類型：
① 外肋片直管：具有擴(kuò)展表面的傳熱管段，承擔(dān)系統(tǒng)與室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行熱量交換作用；
② 光管直管：當(dāng)其外覆保溫層時(shí)，則視為復(fù)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 光管彎管：具有一定彎曲角度的光管。
根據(jù)上述剖析與回納，石文星博士[1]率先提出以變?nèi)萘恐评鋲嚎s機(jī)為核心的氣液兩相流體網(wǎng)絡(luò)模型，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系描述進(jìn)手，通過(guò)增廣關(guān)聯(lián)矩陣，建立了變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)的通用的分布參數(shù)模型，采用變步長(zhǎng)求解。并以此為手段分析了多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行特性，研究了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性，從而為多元式變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)難以進(jìn)行分析研究提供了解決方法。
以變?nèi)萘恐评鋲嚎s機(jī)為核心氣液兩相流體網(wǎng)絡(luò)模型，與具有恒壓點(diǎn)的單相不可壓縮流體網(wǎng)絡(luò)模型有明顯的不同特點(diǎn)：
①
具有相變過(guò)程。制冷劑沿管路活動(dòng)存在壓力損失，且與外界環(huán)境發(fā)生熱交換，會(huì)產(chǎn)生相變(冷凝或蒸發(fā))；在穩(wěn)定工況下，流進(jìn)與流出節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量相等，而體積流量不等。
②
管段阻力特性系統(tǒng)s并非常數(shù)。微元管段阻力系數(shù)取決于制冷劑狀態(tài)和流速變化，各管段的阻力特性系數(shù)并非管段結(jié)構(gòu)的函數(shù)，即管段阻力特性系數(shù)不能作為常數(shù)處理。
③
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)恒壓點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中各點(diǎn)的壓力取決于制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥的匹配和調(diào)節(jié)關(guān)系，取決于環(huán)境溫度和制冷劑活動(dòng)狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)制冷劑充注量或補(bǔ)充相應(yīng)的方程封閉求解。
④
制冷劑的動(dòng)力特性和傳熱特性存在耦合關(guān)系。各管段制冷劑的溫度不僅取決于與外界環(huán)境的換熱狀況，還與該管段的壓力密切相關(guān)。
2 運(yùn)行穩(wěn)定性
多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組以節(jié)約能源、智能化調(diào)節(jié)和精確的溫度控制著稱，但是，是否能真正具備上述三項(xiàng)優(yōu)越性呢？實(shí)際并不一定，而與其容量大小和系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性相關(guān)。
21 關(guān)于多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組容量
為了宣傳多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的優(yōu)越與萬(wàn)能，常用以下幾點(diǎn)表達(dá)，即：多室外制冷壓縮機(jī)的單一系統(tǒng)，可聯(lián)接64臺(tái)、128臺(tái)甚至256臺(tái)室內(nèi)機(jī)，配管最長(zhǎng)可達(dá)125m，室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)之間的高差可為50m，室內(nèi)機(jī)之間的高差可達(dá)30m。且不論為了實(shí)現(xiàn)這種大系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，特別是針對(duì)由于環(huán)境溫度過(guò)低與管途經(jīng)長(zhǎng)帶來(lái)的液體回流、液態(tài)制冷劑再閃發(fā)和回油困難等題目，需要增加一些輔助回路與附件，致使系統(tǒng)復(fù)雜，更重要的是將造成過(guò)多能量消耗，以及系統(tǒng)難以穩(wěn)定運(yùn)行。
為什么能耗增加？一方面由于機(jī)組容量增加，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部件的最優(yōu)化匹配有難度，致使能耗增加。例如，日本為了實(shí)現(xiàn)1997年12月京都會(huì)議決議，規(guī)定多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的制冷能效比(eer)為：制冷量小于即是4kw為4.12，小于即是7
kw為3.23，小于即是28
kw為3.07，可以說(shuō)明題目。另一方面，由于管途經(jīng)長(zhǎng)，阻力損失大大增加，也將造成制冷壓縮性能耗大為增加，各廠家對(duì)此均有說(shuō)明，故未幾述�？傊嗦�(lián)式空調(diào)機(jī)組容量不宜太大，額定制冷量以不大于56
kw為好，而且，室外機(jī)就說(shuō)可能分散布置。
22 關(guān)于系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性
以制冷工況為例，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度是表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)。但是，對(duì)于室內(nèi)機(jī)來(lái)說(shuō)卻不能作為調(diào)節(jié)參數(shù)，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需要控制蒸發(fā)器制冷劑出口的過(guò)熱度，以防止回液，因此，室內(nèi)機(jī)的被控參數(shù)是室溫順蒸發(fā)器制冷劑出口的過(guò)熱度，而調(diào)節(jié)參數(shù)只有室內(nèi)機(jī)的風(fēng)量和電子膨脹閥的開度。
對(duì)于室外機(jī)來(lái)說(shuō)，其中變頻制冷壓縮機(jī)是vrf氣液兩相流體網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力源，其吸氣壓力和排氣壓力的變化是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵；但是，盡管制冷壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力一定，室外環(huán)境溫度、壓縮機(jī)頻率和冷凝器風(fēng)量變化，都直接影響冷凝器制冷劑出口的再冷度，而此再冷度又是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，因此，制冷壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力以及冷凝器風(fēng)量是調(diào)節(jié)參數(shù)，而這些參數(shù)之間又存在充分的耦合關(guān)系。
根據(jù)上述分析，石文星博士[1]提出vrf空調(diào)系統(tǒng)的自治協(xié)調(diào)控制法，即：
① 在保證室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器制冷劑出口具有一定過(guò)熱度的條件下，應(yīng)用電子膨脹閥控制室溫穩(wěn)定；
② 在保證室外機(jī)冷凝器制冷劑出口具有一定再冷度的條件下，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率和冷凝器風(fēng)量控制制冷壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力；
③ 在室外機(jī)處集中控制壓縮機(jī)吸氣過(guò)熱度。
盡管如此，在眾多室內(nèi)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和調(diào)節(jié)模式組合多變條件下，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，但是，壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力、吸氣過(guò)熱度與冷凝器再冷度會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，假如系統(tǒng)容量過(guò)大，不但各室內(nèi)機(jī)電膨脹閥前的制冷劑供液壓力和蒸發(fā)器回氣壓力將有較大的變化，而且，吸氣過(guò)熱度與冷凝器再冷度可能超出期看范圍，致使系統(tǒng)不能穩(wěn)定地運(yùn)行。
3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)
以上反復(fù)夸大多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組是多元變制冷劑流量空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)于某給定多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組來(lái)說(shuō)，在滿載運(yùn)行條件下，系統(tǒng)內(nèi)在參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等)以及系統(tǒng)制冷(制熱)特性，取決于外在參數(shù)，即室內(nèi)外空氣溫濕度。因此，作為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)采用分別進(jìn)行室內(nèi)機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)和室外機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)是不正確的，必須在相同要求條件下進(jìn)行整體系統(tǒng)的試驗(yàn)，才能相對(duì)正確地評(píng)價(jià)與比較多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組。
31 必須整體試驗(yàn)
首先，分析室內(nèi)機(jī)與電子膨脹閥聯(lián)合調(diào)節(jié)特性
由于對(duì)于給定室內(nèi)機(jī)來(lái)說(shuō)，換熱器幾何參數(shù)是定值，因此，影響蒸發(fā)器效果的因素主要有：室內(nèi)環(huán)境溫濕度、風(fēng)量、電子膨脹閥開度以及蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。但是，進(jìn)行機(jī)組標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫濕度、風(fēng)量和電子膨脹閥開度可均勻定值，這樣，影響蒸發(fā)器效果的因素就只有蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及膨脹閥前制冷劑再冷度，而這些參數(shù)均為系統(tǒng)的內(nèi)在參數(shù)，取決于多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組組成與匹配，難以人為給定，所以，單獨(dú)進(jìn)行室內(nèi)機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，實(shí)際是不可行的。
其次，分析室外機(jī)組聯(lián)合調(diào)節(jié)特性。
多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的室外機(jī)由變頻制冷壓縮機(jī)(組)和換熱器及其風(fēng)扇組成，其中換熱器幾何參數(shù)是定值，因此，影響室外機(jī)的制冷劑流量和制冷能力的因素主要有：室外環(huán)境溫濕度、風(fēng)量、制冷壓縮機(jī)頻率以及蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。這樣，與室內(nèi)機(jī)相同，進(jìn)行機(jī)組標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)，室外環(huán)境溫濕度、風(fēng)量和制冷壓縮機(jī)頻率可均為定值，而影響定外機(jī)性能的因素就只有取決于多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組組成與匹配、且難以人為給定的系統(tǒng)內(nèi)在參數(shù)--蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及吸氣過(guò)熱度和冷凝器出口制冷劑再冷度。所以，單獨(dú)進(jìn)行室外機(jī)組的評(píng)價(jià)試驗(yàn)，實(shí)際也是不可行的。
總之，企圖簡(jiǎn)化試驗(yàn)手段，采取分別進(jìn)行室內(nèi)機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)和室外機(jī)評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以達(dá)到評(píng)價(jià)多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的方法是不可行的。
32 多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組標(biāo)定試驗(yàn)的設(shè)想
由于評(píng)價(jià)試驗(yàn)多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組必須整體進(jìn)行，因此，提出如下設(shè)想。
① 以標(biāo)準(zhǔn)額定制冷量計(jì)，當(dāng)前被評(píng)價(jià)的多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組最在制冷能力取28kw為宜。
② 標(biāo)定試驗(yàn)在室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)分別為上下設(shè)置的房間熱平衡量熱計(jì)裝置內(nèi)進(jìn)行。
③
以最大制冷能力為28kw的機(jī)組為例，試驗(yàn)機(jī)組系統(tǒng)的條件應(yīng)為：室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)的高差不小于5m；配管最遠(yuǎn)長(zhǎng)度不小于30m。
④ 按gb/t7725《房間空氣調(diào)節(jié)器》規(guī)定的試驗(yàn)工況室內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行。
⑤ 試驗(yàn)內(nèi)容見表。
參考文獻(xiàn)
1 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：[博士學(xué)位論文]，北京：清華大學(xué)，2000
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