变频空调系统性能分析

摘要 提出了直观分析变频空调系统的性能和扰动调节特性的性能图，并由此来分析室内外环境工况、热交换器容量、压缩机频率（或排气量）变化对系统特性及制冷剂状态的影响规律，采用性能图分析方法不仅为变频空调系统的优化设计与优化控制提供了有力的工具，而且有助于认识单元与多元空调系统设计与控制思想的统一性。 　　 关键词 变频空调系统 　制冷循环　 性能图

1 引言 　　 　　随着人们生活水平的提高，对工作和生活环境的舒适性要求也越来越高，空调系统在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，但是空调是耗能产品，无论从国内和国际上，能源问题都仍然不容乐观，因此，集舒适性和节能有性于一身的变频空调器也越来越为广大用户所接受，变频压缩机的使用，增加了系统的可调控参数，提高了空调器的部分负荷时的性能，用变容量的柔性控制代替了起停控制，减小了系统对电网的冲击和室内温度的波动，从节能和舒适性的角度都比定速空调器有明显的提高[1～5]。 　　研究空调系统的特性是开发变频空调系统及其控制系统的前提。压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器的工作性能分别可以用制冷系统的内部参数和外部参数来描述，因此，求解四大部件的联立议程组即可获得系统的性能。文献[6，7]提出了采用制冷循环性能图来分析制冷系统性能的方法，该方法从制冷系统整体匹配关系出发，来分析环境工况、热交换器容量大小对系统特性的影响规律，具有极强的直观性。本文提出变频空调系统制冷循环性能图分析方法，从性能图中可以清晰地看出各主要参数对系统的影响方向和影响程序，不仅有助于认识单元与多元空调系统设计与控制思想的统一性，而且有利于设计者估计到改进或调节某个设备时，对整个系统性能的影响效果。 　　 2 制冷系统性能图 　　 　　图1示出了建立在集总参数法基础上的变频空调系统的性能图[3]。性能图由两部分组成，图（a）表示蒸发器的性能曲线和压缩机的不同频率时制冷量随冷凝温度和蒸发温度的变化关系；图（b）表示冷凝器的性能曲线和压缩机在不同频率（或排气量）时冷凝负荷随冷凝温度和蒸发温度的变化关系，制冷剂相同状态点在图（b）、(a)中以同名大、小写字母表示。图中，频率f1 ＜f2＜f 3，冷凝温度tc1&< tc 2&< tc 3，蒸发温度te1&< te 2&< te3；e 1 (e′1)、e 2为蒸发器性能曲线，蒸发器e 1的容量大于e 2；c 1 (c′1)、c 2为冷凝器性能曲线，冷凝器c 1的容量大于c 2。当压缩机定频运行时，相当于定速空调系统，故图1所示的性能图也同样适用于定速空调系统。 　　　　　　　　　　　　图1 　变频系统制冷循环性能图 　　 3 变频空调系统的性能图分析法 　　 　　3．1 蒸发环境湿球温度的影响 　　当压缩机频率不变（f=f2），采用蒸发e1 、冷凝器c 1时，从图1（a）中可以看出，蒸发环境湿球温度（对应于空气的焓值）升高，蒸发器性能曲线由e1变化到e′1，制冷循环的状态由a点变化到f点，系统的蒸发温度和制冷量均有所上升；从图3.1(b)中可以看出，系统的冷凝温度和冷凝负荷均有所上升；其冷凝负荷与制冷量的差值即为系统消耗功率，从性能曲线可以看出，蒸发环境湿球温度升高会导致系统耗功增大。反之，蒸发环境温度下降，会使系统的蒸发温度、冷凝温度、制冷量和耗功减小。 　　 　　3．2 蒸发器容量变化的影响 　　当其他因素不变，通过减小风量或电子膨胀阀开度（从而增大蒸发器出口过热度）等手段减小蒸发器容量时，蒸发器性能曲线由e1变化到e2，制冷循环状态从a点变化到d点，系统的冷凝温度、蒸发温度、制冷量和耗功均减小。 　　 　　3．3 冷凝环境温度的影响 　　当其他因素不变时，冷凝环境温度减小时，从图1（b）可以看出，冷凝器性能曲线由c1变化到c′1，系统的工作点由A变化到E，冷凝温度下降，冷凝负荷变化不大；从图1（a）可以看出，蒸发温度下降，制冷量增大，系统耗功减小，能效比提高。 　　 　　3．4 冷凝器容量变化的影响 　　在冷凝环境温度不变，冷凝器容量减小时，在图1（b）中，性能曲线由c1变化到c2，系统的工作点由A变化到C，冷凝温度升高，冷凝负荷变化不大；从图1（a）中可以看出，系统的蒸发温度有所升高，制冷量减小，耗功增大，能效比降低。 　　由此可见，保持压缩机频率不变，当室内、外环境工况发生变化（外扰作用）或调节室内、外热交换器容量时，系统新的稳定工作点必然落在图1所示的阴影区域[即图1（a）中过原工作点a的冷凝温度线和蒸发器性能曲线组成的阴影区域；图1（b]中过原工作A的蒸发温度线和冷凝器性能曲线组成的阴影区域]内，换言之，仅通过调节室内、外热交换器容量，制冷循环的状态点不可能超越此阴影区域。故在控制制冷循环状态时，欲到达阴影区域以外的状态，必须通过调节压缩机频率才能实现。 　　 　　3．5 压缩机频率变化的影响 　　当其他条件不变时，压缩机频率提高（f2→f3），制冷循环状态点将从A点沿蒸发器和冷凝器的性能曲线移至状态点B。从图中可以看出，当压缩机频率上升时，蒸发与冷凝温度分别下降（a →b）与上升（A→B），制冷量和冷凝负荷都得到提高。所以在室内冷（热）负荷增大时，通过增大室内、外热交换器的容量还不能达到负荷要求时，应通过提高压缩机频率来增大空调系统的输出能力。 　　在压缩机可变频率范围内，调节压缩机频率改变阴影区域在性能图中的位置，再调节热交换器的容量，就可使制冷循环到达所要求的状态。

4 单元与多元变频空调系统运行调节的统一性
　　
　　无论在制冷或制热时，当室内机容量改变时，其变频空调系统的平衡状态点将发生改变，为保证室内环境舒适性，必须对系统进行调节。
　　利用图2（a）来分析单元系统制冷时的性能。从图中可以看出当系统的运行频率为f₁，室内机风速为低速时，系统的蒸发温度为 ；此时若将风速调节至中速，蒸发器的容量由e₁变化至e₂，系统的蒸发温度将上升为 ，系统的制冷量虽有所上升，但除湿能力将下降，为保证制冷系统的除湿效果，需调节压缩机频率至f₂，将蒸发温度调节至 ；同理，当蒸发器容量变化至e₃时，压缩机频率也需进行相应的调节，反之，当蒸发器容量由大变小时，如果不同时调节压缩机频率，蒸发温度将降低，不仅使系统能效降低，而且还会造成蒸发器结霜、结冰，影响系统正常工作。　　
　　　　　　　　　　　图2 单元与多元变频空调系统运行调节的统一性
　　
　　在多元系统中，若各室内环境的湿球温度相同，且忽略各室内机因连接管长度对系统性能的影响，当增开（或关闭）一台或多台室内机，使蒸发器总容量增大（或减小）时，其系统特性也发生相应的变化，这点仍然可以利用图2（a）进行分析。例如一个一拖二空调系统，在将蒸发温度控制在 的前提下，蒸发器容量为e₁和e₂的室内机分别运行时，压缩机的运转频率分别为f₁和f₂；当两台室内机同时工作（即蒸发器总容量上升至e₁+e₂）时，压缩机频率需增大至f₃。
　　图2（b）示出了多元系统各室内环境湿球温度不相等时的性能图。它与各室内环境湿球温度相等时的区别在于蒸发器总容量的性能曲线（ABC）并非一条光滑的曲线，而是以不同的室内环境湿球温度为转折点构成的分段光滑的折曲线。
　　综上所述，单元和多元变频空调系统的运行调节性能相似，二者通过制冷系统的性能图得到了辩证的统一，故单元系统是简化、浓缩的多元系统，多元系统是换热器容量可变的单元系统。
　　
5 变频空调系统运行状态分析
　　
　　文献[3]指出冷凝和蒸发压力蕴涵了空调系统的扰动和调节信息。当变频空调系统受到任何外扰与内扰作用时，均直接表现在制冷循环的冷凝压力和蒸发压力上，为系统容量调节提供了可靠的信息。
　　对于结构和制冷剂充灌量已经匹配完毕的变频空调系统，在运行过程中，当受到某种扰动时，制冷剂的状态将会改变，如果制冷剂状态超越正常运行范围时，需采取一定的调节措施，保证室内环境的舒适性和系统安全、节能运行。其调节手段有压缩机频率和冷凝器、蒸发器的容量。
　　图3是变频空调系统运行时制冷剂状态的分析图，表征了系统扰动和调节因素对系统冷凝和蒸发压力的影响关系。图中，纵轴为冷凝压力P_c、横轴为蒸发压力P_e，OO′为角平分线（P_e = P_c）；AB与AC线分别表示蒸发器容量相对于冷凝器无限大与无限小的渐近线，渐近线CAB在图中的位置由冷凝与蒸发环境的温度决定，A点的坐标（P_ea ，P_ca）为蒸发和冷凝环境温度所对应的制冷剂饱和压力； 线的斜率表示蒸发器与冷凝器容量之比s（当容量变化时，s将改变）；压缩机在各频率（或活塞排量）条件下的性能曲线图为一组以AC和AB为渐近线的曲线族（其中C点表示绝对蒸发压力为0bar，压缩机频率范围为f∈[f_min，f_max]）。频率越低，越靠近渐近线；图中由虚线围成的曲面多边形部分是压缩机不同频率下所允许的冷凝压力工作范围，P_emin是系统最低极限蒸发温度。当制冷剂状态点偏离系统正常工作区域时（如状态点2），在室内、外换热器容量的限制条件下，可以通过降低压缩机运行频率方便地将系统的冷凝温度调节至正常工作范围（状态点1）；同理，当系统的蒸发温度过低时，可以采用降低压缩机频率来调整蒸发温度，从而保证系统的安全运行。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图3 变频空调系统的扰动和调节特性分析图
　　
　　当系统受到室内、外各种扰动时，控制系统可以通过室内、外换热器的容量、电子膨胀阀开度和压缩机运行频率等来调节系统的容量、冷凝和蒸发压力，适时地保证室内环境的舒适性和系统的安全性运行要求。
　　
6 结束语
　　
　　本文基于集总参数法仿真研究结果，提出了直观分析变频空调系统的性能和扰动调节特性的性能图，并根据此性能图分析了室内外环境工况、热交换器容量、压缩机频率（或排气量）变化对系统特性及制冷剂状态的影响规律，其结果与分布参数法仿真与实验结果具有良好的一致性^[3，8]。
　　采用和变频空调系统性能图分析方法，可以直观地看出各主要参数对系统的影响方向和影响程序，为系统的优化设计与优化控制提供了方向性的指导；可以清晰地描述扰动与调节因素对制冷剂状态参数的影响规律，有助于认识单元与多元空调系统设计与控制思想的统一性；同时为提示制冷循环本质方面的教学工作提供了有力的工具。
　　

参考文献
　　
　　1 Syed M. Zubair， Vijay Bahel. Compressor Capacity Modulation Scheme [J]. Heating， Piping， Air Conditioning， January， 1989， (1): 135～143
　　2 T. Q. Qureshi， S. A. Tassou. Variable-speed Capacity Controls in Refrigeration System [J]. Applied Thermal Engineering， 1996， 16 (2) : 103～113
　　3 石文星，变制冷剂流量空调系统及其控制策略研究[D]。北京：清华大学建筑技术科学系，2000
　　4 彦启森，李先庭，石文星，小型变容量空调系统控制技术在日本的研究进展[J]。家用电器科技，2000，（9）：55～58
　　5 Shuangquan Shao， Wenxing Shi， Xianting Li and Qisen Yan. Study on the Energy Saving and the Performance of Air-conditioners with Variable Speed Compressors [A]. Proceedings of the 4th International Conference on Indoor Air Quality， Ventilation and Energy Conservation in Buildings (AIQVEC'2001)[C]. Changsha， China: October 2-5， 2001. 539～545.
　　6 彦启森主编，空气调节用制冷技术[M]，北京：中国建筑工业出版社，1989，142～146。
　　7 源生一太郎著，张瑞霖译，制冷机的理论和性能[M]，北京：农业出版社，1984，265～275。
　　8 葛云亭，房间空调器系统仿真模型研究[D]。北京：清华大学热能工程系，1997。转贴于