多聯空調機組運行穩定性分析及試驗評價

    能源和環境問題是當今世界關注的焦點。為了節約能源保護環境，采用變流量以適應空調負荷變化，在制冷空調領域受到廣泛重視，變水量、變風量和變制冷劑流量等變流量系統得到應用，在提高調控質量和節約能源兩個方面效果突出。

    隨著我國經濟建設的發展，住宅建設迅猛增長，為了滿足人們對室內外空氣環境要求不斷提高的需要，近年來出現了所謂"住宅空調"，水--空氣系統、空氣系統(管道機)和多聯式空調機組分別適合不同需要，呈三足鼎立局面。但是，必須注意的是，住宅空調的特點是冷暖兩用、調控優良、可靠性高、節約能源，具備上述四方面的空調設備才堪稱"住宅空調"，才能在此領域立足壯大。而調控是水-空氣系統、空氣系統(管道機)當前的薄弱環節，應從速解決。至于多聯式空調機組雖然比較完美，但是仍存在標準與難以掌握兩大問題，本文將對此進行論述。

    變制冷劑流量(VRF)空調系統根據室內機數量多少，可分為單元式和多元式兩種類型，而多聯式空調機組就是多元式變制冷劑流量空調系統，因此，名為機組實際是一套整體系統，必須用整體的系統的觀點進行分析研究與試驗，才能正確地掌握與評價。

    1、兩相流體網絡模擬分析空調系統

    多聯式空調機組由一臺或多臺室外機與多臺室內機組成，依靠制冷劑流動進行能量轉換與輸送，所以，它是由制冷劑管路將制冷壓縮機、室內外換熱器、節流裝置和其它輔助部件聯接而成的閉式管網系統，而室內外換熱器又可視為具有擴展表面的傳熱管，在管內進行著連續冷凝或蒸發過程；這樣，多聯式空調機組--嚴格說即變制冷劑流量空調系統，實質上是由制冷壓縮機、電子膨脹閥、其它閥件(附件)以及一系列管路構成的環狀管網系統。系統中的管路有以下3種類型：

    ①外肋片直管：具有擴展表面的傳熱管段，承擔系統與室內外環境進行熱量交換作用；

    ②光管直管：當其外覆保溫層時，則視為復合直管，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。

    根據上述剖析與歸納，石文星博士率先提出以變容量制冷壓縮機為核心的氣液兩相流體網絡模型，從網絡拓撲關系描述入手，通過增廣關聯矩陣，建立了變制冷劑流量空調系統的通用的分布參數模型，采用變步長求解。并以此為手段分析了多聯式空調機組的運行特性，研究了系統的調節特性，從而為多元式變制冷劑流量空調系統難以進行分析研究提供了解決方法。

    以變容量制冷壓縮機為核心氣液兩相流體網絡模型，與具有恒壓點的單相不可壓縮流體網絡模型有明顯的不同特點：

    ①具有相變過程。制冷劑沿管路流動存在壓力損失，且與外界環境發生熱交換，會產生相變(冷凝或蒸發)；在穩定工況下，流入與流出節點的質量流量相等，而體積流量不等。

    ②管段阻力特性系統S并非常數。微元管段阻力系數取決于制冷劑狀態和流速變化，各管段的阻力特性系數并非管段結構的函數，即管段阻力特性系數不能作為常數處理。

    ③網絡系統無恒壓點。網絡中各點的壓力取決于制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器和膨脹閥的匹配和調節關系，取決于環境溫度和制冷劑流動狀態；網絡系統通過制冷劑充注量或補充相應的方程封閉求解。

    ④制冷劑的動力特性和傳熱特性存在耦合關系。各管段制冷劑的溫度不僅取決于與外界環境的換熱狀況，還與該管段的壓力密切相關。

    2、運行穩定性

    多聯式空調機組以節約能源、智能化調節和精確的溫度控制著稱，但是，是否能真正具備上述三項優越性呢？實際并不一定，而與其容量大小和系統運行穩定性相關。

    2.1 關于多聯式空調機組容量

    為了宣傳多聯式空調機組的優越與萬能，常用以下幾點表達，即：多室外制冷壓縮機的單一系統，可聯接64臺、128臺甚至256臺室內機，配管z*長可達125m，室外機、室內機之間的高差可為50m，室內機之間的高差可達30m。且不論為了實現這種大系統的可靠運行，特別是針對由于環境溫度過低與管路過長帶來的液體回流、液態制冷劑再閃發和回油困難等問題，需要增加一些輔助回路與附件，致使系統復雜，更重要的是將造成過多能量消耗，以及系統難以穩定運行。

    為什么能耗增加？一方面由于機組容量增加，實現系統各部件的z*優化匹配有難度，致使能耗增加。例如，日本為了實現1997年12月京都會議決議，規定多聯式空調機組的制冷能效比(EER)為：制冷量小于等于4kW為4.12，小于等于7kW為3.23，小于等于28kW為3.07，可以說明問題。另一方面，由于管路過長，阻力損失大大增加，也將造成制冷壓縮機能耗大為增加，各廠家對此均有說明，故不多述。總之，多聯式空調機組容量不宜太大，額定制冷量以不大于56kW為好，而且，室外機就說可能分散布置。

    2.2 關于系統運行穩定性

    以制冷工況為例，蒸發溫度和冷凝溫度是表征系統運行狀態的參數。但是，對于室內機來說卻不能作為調節參數，為了保證系統穩定運行，需要控制蒸發器制冷劑出口的過熱度，以防止回液，因此，室內機的被控參數是室溫和蒸發器制冷劑出口的過熱度，而調節參數只有室內機的風量和電子膨脹閥的開度。

    對于室外機來說，其中變頻制冷壓縮機是VRF氣液兩相流體網絡的動力源，其吸氣壓力和排氣壓力的變化是系統穩定運行的關鍵；但是，盡管制冷壓縮機吸氣壓力和排氣壓力一定，室外環境溫度、壓縮機頻率和冷凝器風量變化，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穩定可靠運行的一個重要參數，因此，制冷壓縮機吸氣壓力、排氣壓力以及冷凝器風量是調節參數，而這些參數之間又存在充分的耦合關系。

    根據上述分析，石文星博士提出VRF空調系統的自治協調控制法，即：

    ①在保證室內機蒸發器制冷劑出口具有一定過熱度的條件下，應用電子膨脹閥控制室溫穩定；

    ②在保證室外機冷凝器制冷劑出口具有一定再冷度的條件下，調節壓縮機頻率和冷凝器風量控制制冷壓縮機吸氣壓力和排氣壓力；

    ③在室外機處集中控制壓縮機吸氣過熱度。