（热能工程专业论文）变制冷剂流量空调系统动态仿真与性能研究.pdf

中文摘要 中文摘要 数码涡旋中央空调系统的核心技术是数码涡旋压缩机，其属于一 种容量可调压缩机技术。数码涡旋空调系统由室内机、冷媒配管和遥 控装置等组成。随着空调系统的发展和逐渐普及，人们对其运行特性 及节能性越来越关注。本文对数码涡旋空调系统展开一系列实验和理 论研究，得到了空调系统的运行特性和节能性。首先建立了完整的数 码涡旋空调系统的动态仿真模型以稳态集中参数法建立了压缩机模 型；以稳态分区集中参数法建立了蒸发器和冷凝器模型；以稳态集中 参数法建立了电子膨胀阀模型。在进行空调系统仿真程序的制冷剂热 力计算时，将o r i g i n 自定义函数拟合方法应用到制冷剂热力性质计算 中。对r 2 2 替代工质r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 的热力性质进行简化计算计 算以c l e l a n d 简化模型为基础，采用显式拟合方法对r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 热力性质进行拟合计算，将计算结果和数据源进行比较，误差在允许 范围内通过对替代工质r 4 1 0 a 和r 4 0 7 c 的热力性质拟合结果的误 差分析，证明了选用的模型和拟合方法的准确性，为以后研究新工质 热力性质提供了新的思路，其次利用编制的数学模型，对某一实际建 筑中的数码涡旋空调系统进行全年运行季节的动态能耗计算。选用普 通间冷风机盘管加新风系统和变频系统与数码涡旋系统进行比较计 算。经过比较可知，v r v 中央空调系统，热损失较小，负荷调节灵活， 在建筑空调系统中使用效率较风机盘管中央空调系统高。并且v r v 中央空调系统便于分户计量，可以减少人为的浪费，从而提高资源利 用率在部分负荷运行时，由于数码涡旋压缩机可以做到连续无级能 量调节，数码涡旋空调系统的节能性能更为显著 一t 关键词：动态仿真环保制冷剂数码涡旋技术, v r v 中央空调系统 t1 j w r 一q p 7 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o r et e c h n o l o g yo ft h ec u g i t a ls c r o l la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi st h ed i g i t a ls c r o l l c o m p r e s s o r t h ed i g i t a ls c r o l la i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sc o n s i s t e do f i n d o o ru n i t , o u t d o o ru n i t , r e f r i g e r a n tp i p ea n dr e m o t ec o n t r o le q u i p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el i v i n gc o n d i t i o n a n dp o p u l a r i z a t i o no ft h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m , i t so p e r a t i o n gp e r f o r m a n c ea n de n e r g y c o n s u m p t i o nw e r ec o n s i d e r e db yp e o p l e s y s t e m a t i cr e s e a r c ho fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw a s s t u d i e di nt h ep a p e r a t 觚ad y n a m i c sm o d e lo f t h ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sp r o p o s e d i nt h ep a p e r t h ec o m p r e s s o rm o d e lw a sb a s e do nt h es t e a d yl u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d t h e e l e c t r i c a le x p a n s i o nv a l v em o d e lw a sb a s e do nt h el u m p e dp a r a m e t e rm e t h o d s e l f - d e f m i n g f u n c t i o nc u r v i n gf i t t i n gm e t h o di no r i g i np r o g r a mw a sf i r s tu s e di nt h et h e r m a lp r o p e r t i e s c a l c u l a t i o no f t h ee n v i r o n m e n t a l l y - f r i d e n d l yr e f r i g e r a n t s as i m p l ea n dc o n v e n i e n tm e t h o db a s e d o nt h ec l e l a n de q u a t i o n sw a ，s p r o p o s e dt oc a l c u l a t et h e r m a lp r o p e r t i e s o fr e f r i g e r a n t sr 4 1 0 a a n dr 4 0 7 cw h i c ha r ek n o w na st w om a i ns u b s t i t u t e so fr 2 2 t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o mt h el i t e r a t u r ea n dt h ee r r o r sw e r ea c c e p t a b l e c o m p a r e dw i t h o t h e rt h e r m a lp r o p e r t i e sc a l c u l a t i o nm o d e l ，t h em e t h o dh a sg r e a t e rc o m p u t a t i o ns p e e d t h e ， c a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t hm i n o re r r o ri n d i c a t e dt h a tt h i sm e t h o di sa n e f f e c t i v em e t h o df o r s t u d y i n gt h et h e r m a lp r o p e r t i e do f t h er e f r i g e r a n ts u b s t i t u t e s c a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o nb e t w e e n t h ef a n - c o i la d dn e wa i rs y s t e ma n dv r vs y s t e mw e r ep r o p o s e di nt h ep a p e r t h er e s u l t sw e r et h a tv r va i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sm o r ee f f i c i e n c yt h a nt h ef a n - c o i ls y s t e m i nt h ep a r t i a ll o a dc o n d i t i o n , t h ed i g i t a l s c r o l lc a nr e a l i z en os t e p se n e r g yr e g u l a t i n ga n dh a v eh i g h e re f f i c i e n c y ， 1 k e yw o r d s ：d y n a m i cs i m u l a t i o n , e n v i r o n m e n t a l l y - f r i d e n d l yr e f r i g e r a n t s 。d i g i t a ls c r o l lt e c h n o l o g y , ， v r va i rc o n d i t i o t 盘t gs y s t e m 主要符号表 符号 c ， c o p d e 职 p | g g j 丘 k 工 m o v p q 准则数 r e p r 希腊字母 五 比热( j k g k ) 制热能效比( w w ) 含湿量( g k g d ) 一秘 制冷能效比( 矽w ) 粗糙度( 册) ，误差 摩擦系数 体积流量( 册s ) 重力加速度( m s 2 ) 主要符号表 焓( j k g ) 过热度指标 系数，无因次数组一一 绝热或多变指数 长度( m ) 单位面积质量流量( 培，m 2 s ) 电子膨胀阀相对开度惭) 功率f i r ) ，压力( 删 热流量( ) 雷诺数 普朗特数 乃 胁 热流密度( w l m 2 ) 输入 滑动比 过热度( o c ，x ) 过冷度( o c ，鬈) 温度( o c ，k ) 时间o ) 流速( m l s l 折算流速伽，j ) 压缩机输气量，s ) ， 体积容积仰3 ) 比容( 埘k g ) 权值 制冷剂千度，坐标 输出 沿管长坐标 傅雷德数 努谢尔特数 输气系数，导热系数( 矿，朋o c ) 口( w m 。c ) 一 m g r s 船 观 ， 搿 u 矿 ： p w x 山东大学硕士学位论文 母 f p 占 p 上标标 下标 讲r c c o n d e v a p g 容积含气率 剪应力( n i m 2 ) 密度( k g l m ) 空隙率，迭代误差限 接触角( 度) 液体 空气 压缩机，临界状态 冷凝器 蒸发器 气相 效率 动力粘度( k g m s ) 无因次数 气体 f ，加节点，入口 1液相 工m对数平均 ， 环境，制冷剂 o u t出口 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 蝴f ，雒罐，坤 ；“c ：，。 。，础氨t 砧“一 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：显型i ；! ： 日期：地：色。上 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：堑! 鞋：导师签名i 一翌i 至2 ：日期：纽坠：篁：1论文作者签名：。篁! 缉：导师签名i 。丝i 兰2 ：日期：纽坠：圣： l 绪论 1 绪论 1 1 概述 空气调节是随着人们生活水平提高发展起来的一门应用技术， 它用来维持良好的室内空气条件，以改善和提高建筑物的使用功能 川。空调系统根据负担室内热湿负荷所用的介质不同可以分为：全 空气系统、全水系统，空气水系统和冷剂系统，前面三种为间接冷 却的载冷剂系统，第四种属于直接冷却的冷剂系统风机盘管加新 风系统是目前国内各类办公及宾馆建筑中使用最广的间接冷却空 调系统，风机盘管空调系统是将由风机和盘管组成的机组直接放在 房间内，工作时盘管内根据季节需要流动热水或冷水，风机把室内 空气吸进机组，经过过滤后再经盘管冷却或加热后送回室内，如此 循环以达到调节室内温度和湿度的目的房间所需要的新鲜空气通 常是将室外空气经新风处理机组集中处理后由管道送入室内由于 风机盘管所用的冷媒、热媒也是集中供应，所以风机盘管空调系统 是半集中式空调系统在这种系统中，冷量或热量分别由空气和水 带入空调房问，所以它属于空气水系统【”，具有布置灵活、可独立 调节室温和占用建筑空间少的特点【”。但是自从1 9 7 2 年能源危机 以来，变容量调节以匹配负荷变化的概念在空调系统中得到了广泛 的应用，从水系统、空气系统到制冷剂系统分别出现了变水量 ( v w v ) 、变风量( v a v ) 、变制冷剂流量( v r v ) 等各类变容量系统，突 出地表现在这些系统的节能效果方面另一方面，环境保护运动的 蓬勃发展，也要求进一步提高制冷和空调系统的能量利用效率，制 冷空调设备的低效率用电是增加大气温室效应的间接因素，而变容 量控制不仅减少了设备的起，停损失，也提高了系统在部分负荷时 的能效。如果考虑到实际使用中设备往往选型偏大，那么变容量控 制带来的节能和环保效果则更为明显。此外，人们对舒适的生活品 质与环境愈来愈重视，要求也愈来愈高，不仅对室内温、湿度控制 提出了较高要求直接以制冷剂作为吸收房间空调负荷的冷剂系 统，以前主要用于房间空调器，近几年出现了变制冷剂流量的中央 空调系统，即v r v 空调系统v r v 系统具有结构简单紧凑、节能、 山东大学硕士学位论文 舒适等优点，在日本和国内市场上获得了广泛的重视和应用【4 t ，众 多公司都开发了类似的空调系统 v r v 空调系统全称为v a r i a b l er e f r i g e r a n tv o l u m e 系统，即制 冷剂可变系统，它是在分体式空调机的基础上发展起来的实质上 是由制冷压缩机、电子膨胀阀、其它阀件以及一系列管路构成的环 状管网系统属于蒸气压缩式制冷的范畴，如图1 1 所示。v r v 系统 由制冷剂管路连接的室外机和室内机组成，其中室外机由室外侧换 热器、压缩机和其他制冷附件组成，室内机由风机和直接式蒸发器 等组成一台室外机通过管路能够向若干个室内机输送制冷剂液 体，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各个换热器的制冷 剂流量，可以适时地满足室内冷热负荷要求，通常称为多联机组。 多联式空调机组具有节约能源、智能化调节和精确的温度控制等诸 多优点，而且各房间可独立调节，能满足不同房间不同空调负荷的 需求一台室外机可以配置不同规格、不同容量的室内机1 1 6 台 系统中室内机总容量与室外机的容量配比范围为5 0 l3 0 ，每一 台室内机均可单台运行，如图1 1 ( b ) 所示用多个v r v 系统可以满 足不同规模建筑物的空调要求，将室外机布置在楼顶或地面，与传 统的系统相比，既美观大方又减少了占用的有效空间。v r v 空调系 统通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内各换热器的制冷剂 流量，满足室内冷热负荷需要，是一种可以根据室内负荷大小自动 调整系统容量的节能、高效、舒适的空调。随着v r v 空调系统的逐 渐发展与普及，已经经历了从变频技术到数码涡旋技术的发展【5 1 。 本文对v r v 空调系统展开系列仿真和设计研究，并针对某建筑物进 行传统风机盘管中央空调、变频v r v 空调系统和数码涡旋中央空调 节 捷 圈 ( a ) ( b ) 图1 1 压缩式制冷循环原理和系统图 l 风冷换热器2 换热器风扇3 压缩机 4 四通阀5 - 电子膨胀阀 6 直接蒸发式换热器 2 n u o 2 i 绪论 三方之间的性能比较，以期得到数码涡旋空调系统的运行特性和节 能性 1 2 v r v 空调系统 空调系统中的变容量是指有意改变机组输出容量以更好地匹 配系统的制冷制热负荷的技术。要达到这一目的可以采用多种方 式，包括使用数码涡旋压缩机、变频技术、高温气体旁通等。甚至 在空调系统中安装多个压缩机，分别将它们开启关闭以匹配系统 负荷也是变容量，但是代价比较昂贵因此，在使用前必须了解变 容量技术独具的优势，并尽最大限度地利用这些优势。 要想真正了解变容量的优势，首先需要考虑一下非变容量空调 系统的工作方式，这种空调系统在负荷变化时容量也会发生变化， 但并不符合要求。如图1 2 所示，非变容量空调的输出容量在a 点( 3 5 ) 是等同于制冷负荷的，因此在该点上其容量利用达到最佳状态。 若环境( 室外) 温度上升到3 5 以上( 从a 点向右方移动) ，则其制冷负荷 如虚线所示增加，但空调的实际容量将下降( 如实线所示) ，因此， 最后容量会不足。如果环境温度下降到35 以下，制冷负荷同样会 降低，但空调的实际电容量将上升，如图l - 2 所示。从a 点向左方移 动，这样就会产生冗余的容量，造成浪费如果用b 点来研究制热 情况，同样也会发现有相似问题从该图中可以很明显地看到，非 变容量空调只在某一点上可使容量的使用达到最优化。此外，室温 图1 2 定容和变容系统变负荷模式 波动一旦超出了舒适值 范围，同样也会使人感 觉相当不适。变容量又 、 是如何改善这一情况的 呢? 变容量空调容量随 负荷的变化而变；因此 f 理论上来说容量利用可 以始终处中最佳状态 f 同样在上挺提到的制冷 情况中，当负荷上升时， 山东大学硕士学位论文 系统容量也进行变化以升到同等容量，反之亦然这种情况下，空 调容量始终等同于负荷，因此室温就能持续保持在舒适值上，容量 的利用始终处于最佳状态很明显，变容量可以提高节能功效及舒 适度。事实上，我们无法在所有情况下( 或在极短的时间内) 将容量 调节至与负荷相匹配的水平，可以做的是尽可能地使容量接近负荷 ( 变容量的速度也很重要，因为容量与负荷相差时间越长，能量浪费 就越多，不适时间也就越长) 。谷轮数码涡旋技术是一种独特的技术， 可实现容量从1 0 1 0 0 的持续变化，速度极快，而温度波动却 不超过0 5 中央空调中的风管式，水冷式及多联机均可应用变容量技术， 但该技术最适用于多联机空调系统该系统不仅可以充分利用变容 量技术的优势，还可以利用变容量技术独立控制各个房间的温度。 以一套安装3 台蒸发器的中央空调系统的三室户公寓为例，各蒸发 器上均可附有一个温度调节装置以感知温度，并可用于分别调节各 个房间的温度变容量技术可调节容量以使其与期望的负荷相匹 配，将适量的制冷剂传送至各个房间以达到各自的室内温度需求 这样在不需要最大功率运行时，可以大大提高空调的功效，因为制 冷压缩机能够相应地降低其输出容量。如果取而代之地，我们使用 风管式或水冷式空调，则需要对气流或水流进行调节以取得类似的 效果，而不是使用制冷剂。这意味着制冷循环本身并不被调节，仅 需部分容量时，制冷压缩机也还持续满负荷运行，这样无法使其达 到最佳性能。当然，通过调节气流或水流仍可以起到一定的节能作 甩 ： 直接蒸发式空调系统的发展，从2 0 世纪4 0 年代中期到现在， 其技术的发展主要集中在3 个方面： ( 1 ) 追求空调的高效节能，特别是在1 9 7 2 年石油危机以后， 改善压缩机、熟交换器、风扇的性能，加强对制冷循环特性的研究， 优化制冷系统1 ，实现了空调系统的小型化、低能耗、低噪声、高可 ， 。 靠性；f u 7 ，一， ，+，。 ( 2 ) 追蓑室内环境的高舒适性，从单一的温度控制发展到室 内热环境特性( 如p m v 等) 的综合控制，从简单的双位控制发展到人 l 绪论 工神经网络与核糊技术相结合的智能控制，以实现人们对舒适性的 要求； ( 3 ) 追求空调系统的多功能化、多元化，从单冷型窗式空调 器发展到热回收到m v h v 空调系统，极大地拓宽了直接蒸发式空调 系统的应用范围，开辟了集中空调系统的新领域 1 2 1 变频v r v 空调系统的节能特性 交流电机转速改变的方法有三种：改变磁极对数、改变转差率 和改变交流电频率由于前面两种降低了电机效率，其中交流电机 的变频调速所达到的指标已经可以和直流电机的调速性能相媲美。 目前已有多种系列的通用变频器问世，由于使用方便、可靠性高且 经济效益显著的特点，其得到了广泛的应用1 6 】。近年来变频调速技 术发展很快，目前的变频控制器多采用正弦波脉宽调速，能够使得 交流电机实现无级调速，并具有较好的机械特性变频控制的v r v 系统主要适用于办公楼、宾馆，医院、高级别墅等建筑。尤其是对 !口7 旧建筑空调的加装与改造，变频v r v 空调系统更显示出其优越的性 ，0 能。交频式压缩机的变频原理简述如下：电动机的空转转速是由电。 动机定子的磁极对数、电动机电源的电压和电源的频率共同决定 。 的，空转速度的高低决定了相同负载情况电动机的转速。较常用的 电动机是靠改变电动机电压的办法来改变电动机的转速，而频率是 不能变化的。而变频空调采用了变频装置，该装置可以改变电源的 频率来改变电动机的转速，电动机电源的频率越低，电动机的转速 就会越慢变频调速是一种无级调速技术，调速范围大i 电动机运 转平稳。只要根据室内温度的变化，不断调节压缩机运转的快慢就 可以达到制冷节能的目的h t 相对于其它空调系统，交频控制的v r v 空调系统的一些性能主 ：l 要表现在： 。一 。l ( 1 ) 由于系统采用了变频控制的涡旋式压缩机，室内机可以单独 控制，避免了传统中央空调系统“一开俱开”的缺点，实现r “按 需供给”冷热量，极大地降低了能耗，减少了能源的浪费； ( 2 ) 在设计机组的时候就考虑到了部分负荷对能耗的影响；使得 5 4 山东大学硕；学位论文 v r v 空调产品在部分负荷下运行时也有较高c o p 值； ( 3 ) 系统采用先进的变频控制技术，冷媒自由分配技术和智能化 控制技术，使系统能够感应各房间冷热负荷变化而精确调温，以满 足不同人群的要求，避免了集中控制造成的无效能源消耗，也提高 了舒适水平； ( 4 ) 采用一次冷媒系统，与传统二次冷媒的中央空调相比，提高 了能源利用率；同时无需庞大的配管工作，节省了材料和安装空间； ( 5 ) v r v 系统不但有处理新风用的高静压型室内机而且还可与 h r v 系统( 热回收系统) 联合使用，向房间供给新风同时回收空气的 余热，效率可达6 0 7 0 。这与采用风机补充新风的空调系统相 比，节能高达28 。 1 2 2 数码涡旋技术 数码涡旋空调系统采用新型数码涡旋容量可调压缩机技术，通 过调节数码涡旋压缩机卸负载比率实现容量在1 0 1 0 0 范围 内的无级调节。通过压缩机的脉冲宽度调节阀的开启和关闭时间控 制数码涡旋压缩机的卸负载时间，调节压缩机的输出能力其突出 的特点是压缩机利用“轴向柔性”密封技术，。轴向柔性”允许涡 旋盘在轴向可以移动非常小的距离，确保涡旋盘始终以最佳的力进 行工作。使得两个涡旋盘在任何运行环境下紧密结合在一起，保证 涡旋压缩机有很高的能效比。数 码涡旋的运行就是建立在该原 f 理基础上耐固定在顶部涡旋盘 的一个活塞确保了当活塞向上 移动时礞部涡旋盘向上移动在 f 活塞的穗部有一个容量调节腔， t 它通划一个小孔和排气压力相 连在医缩机的外部有一个电磁 阀，它姆容量调节腔与吸气侧压 i 力相连当电磁阀处于常闭位置 时，容。量调节腔具有排气压力和 6 5 图1 3 数码涡旋压缩机调节原理 1 p w m 阔2 热力传送管 3 定涡旋盘4 动涡旋盘 5 吸气管6 排气管 l 绪论 弹簧力，确保了两个涡旋盘处于负载状态当电磁阀通电后，容量 调节腔中的排气压力通向了低压。使活塞向上移动，从而使顶部涡 旋盘也一起跟着向上移动再次让外部电磁阀断电，使压缩机又负 载，处于1 0 0 负荷状态，如图1 - 3 示。当p w m 阀打开时，中间 压力室内压力大于定予上端面压力，压缩机定子轴向上移一间隙， 由于高低压腔室的连通，实现卸载。 数码涡旋的操作可以分两个阶段一“负载状态”，此时电磁阀 常闭；“卸载状态”，此时电磁阀打开负载状态中，压缩机象常规 涡旋压缩机一样工作，传递全部容量和制冷荆质流量。然而，卸载 状态中，无容量和制冷荆质流量通过压缩机当p w m 阀关闭，排 气压力及中间压力又将定子下压，实现密封并负载。当数码涡旋压 缩机负载运行时，系统消耗正常情况下同类规格的普通涡旋压缩机 所消耗的还要小的功率；当数码涡旋压缩机卸载运行时，系统消耗 的功率仅为负载时的1 0 左右。压缩机在电磁阀控制电源的作用下， 可自由地调节开启关闭时问的比例，实现“0 ，1 ”输出，体现数码 一 ， 功能， 1 在此先介绍一下“周期时间”的概念一个周期时间包括“负 载状态”时间和“卸载状态”时间。这两个时间阶段的组合决定压 缩机的容量调节：例如：在2 0 s 周期时间内，若负载状态时间为1 0s ， i l 卸载状态时间为1 0 s ，一压缩机调节量为【1o sx1 0 0 + 1o sx0 ) 2 0 - - - 5 0 若在相同的周期时间内负载状态时间为15 s 而卸载状态 时间为5 s ，则压缩机调接量为7 5 。容量为负载状态和卸载状态时 间平均总和，如图1 4 所示通过改变负载时间和卸载时问，可使 l 2 5 能力输出 5 0 能力输出1 0 0 f 毙力输出i 图i 4周期2 0s 时系统输出能力原理囱 7 山东大学硕士学位论文 压缩机产生任何容量( 1 0 一1 0 0 ) 。 数码涡旋v r v 中央空调与变频v r v 中央空调的比较。具有下 面特点15 】： ( 1 ) 无级能量调节，容量范围广 数码涡旋系统可以做到数字化连续无级能量调节，相对交频器 技术是一个提高，因为用变频器技术只能分步达到容量输出。无级 传送容量也确保对壑内空气温度的严格的控制大范围的容量输出 也有利于提高系统的季节能效比，因为压缩机的。启动、停机过程” 消耗了更多的能量，数码涡旋空调系统采用数码涡旋压缩机技术， 可按负载的大小自动控制制冷制热容量，10 1 0 0 连续可调， 能有效地降低运行成本对于8 小时之外的加班办公室单独使用效 果更为突出 ， ( 2 ) 季节能效比高 j 对于交容量系统，某一点的能效比不能衡量整个系统。必须用 季节能效比( s e e r ) 来计算系统运行可节省的费用。数码涡旋压缩机 的性能经过儿s 和a r i 的标准的评价，证明具有非常出色的s e e r 对并联排列的配置一他码涡旋压缩机和一个固定速度压缩机 并联排列，s e e r 的优点更大。两台压缩机在满负载容量下操作时， 装置的s e e r ( 能效比) 较商j 在5 0 容量下，仅一台压缩机满载操作 时，装置运行的s e e r 也较高。 ( 3 ) 良好的回油控制j 回油是多蒸发器变容量系统的一个主要问题目前的技术是使 用一个油分离器或一个复杂的回油循环或两者结合来保证运行一 段时间后仍具有正常纳回油数码涡旋压缩机是一种独特的压缩 机，因此数码涡旋空调系统是唯一不需要油分离器或回油循环的系 统。有两个因素使回油容易数码涡旋在任一百分比容量调节时都 有负载状态。在负俄状态时压缩机全负荷运行，这时气体的流速足 以让充分的润滑油j 都回到压缩机。试验显示压缩机在最差的条件 下，即l0 0 m 高度落差( 带标准油弯) ，包括室内外机的正常落差和反 向落差，3 0 m 垂直落差且室内机、室外机位置可互换( 有正常的回 油弯) ，负荷最低附部可以。使润滑油回到压缩机 1 绪论 ( 4 ) 卓越的除湿性能 除湿性的好坏也是保证用户舒适性的一个关键，尤其是在低负 荷运行时。在变频系统中，低负荷运行时，压缩机会工作在很低的 频率下，这样会使制冷剂的流量减少，从而导致吸气压力增加，其 结果会使显热比( s h f ) 升高。数码涡旋压缩机提供了非常好的除湿 性，因为它与变频系统相比具有较高的吸气压力如前所述，在任 何调节输出期间，压缩机在周期的负载部分满容量运行，该满容量 运行导致较低的平均吸气压力并进而导致较低的s h f 。 ( 5 ) 电磁干扰非常小 电磁干扰是变频器驱动系统的一个主要问题在许多国家，尤 其在欧洲，对任何系统可能散发的电磁干扰量有严格的限制。由于 数码涡旋系统产生的电磁干扰可忽略不计。这一独特的特性，不仅 使数码系统无需昂贵的电磁抑制电子装置，也增加了其可靠性和简 易性 一 i ( 6 ) 快速降温 ： 快速降低室温并快速调节至所需温度对用户的舒适性是重要 的。由于数码涡旋系统可通过改变负载和载周期时间迅速将容量从 1 0 0 转换到l0 ( 反之亦然) ，它能比变频器系统快得多地对系统需 求的变化做出反应，无需像变频器系统那样通过中间频率的转换。 在一15 能实现制热，可满足我国大多数寒冷地区冬季供暖的要 求 ( 7 ) 可靠性 压缩机系统和电子装置的可靠性是开发亚洲市场中的一个问 题。在变频器系统内，电子装置一般很复杂。鉴于安装的不确定性 和天气变化的极端性，复杂的电子装置会引起可靠性的问题。如果 采用各种旁通装置，如热气通管和液体旁通管，+ 可能使情况变得更 为复杂但是复杂的系统发生故障的可能性更大，数码涡旋系统基 本上是简易系统室外机无需专人进行管理，室内机的冷媒流量通 过电子膨胀阀进行控制，电子膨胀阀根据蒸发器出入口温差及室内 温度和设定温度对每台室内机的冷媒进行适宜分配j 再经模糊控制 使室内温度更加精确，用户操作起来和家用空调一样简便。 9 山东大学硕士学位论文 ( 8 ) 制冷剂旁通 大多数现行技术选用热气旁通装置因压缩机不能达到极低容 量，所以需要这些旁通管保护装置数码涡旋系统能使容量降至 lo ，所以无需这些旁通管，因而节省了开支，并使系统简易化。 ( 9 ) 紧凑性 室内、室外机放在屋面，不占用室内空间，室内、室外机之间 冷媒管安装简捷，占用空间少，因此增加了建筑的有效使用面积 较小的占地空间导致材料费、包装、保管和装运费的降低室内、 室外机均有多种形式、容量选择，室外机可以根据室内容量任意组 合，最大可达3 0 h p 。室内机可根据房间形式、装修标准有多种选 择，各种室内机均设有凝结水提升泵，可将凝结水强制提高7 5 0 m m ， 因此既可降低土建层高，又节省工程费用，特别是运行成本。数码 涡旋系统因其简易性而能设计得更为紧凑，与采用现行技术的系统 相比，它可节省3 0 的空间并且室外机和室内机之间的冷媒配管 可以达到1 5 0 m ，可满足5 0 m 的高层建筑的要求 1 3 制冷系统数字仿真的研究现状 在自然科学以及日常生活中，人们广泛地应用各种模型来表示 现实事务。模型反映了实物某一方面的属性和特征，是对现实事物 的一种表示形式模型分为物理模型和数学模型两种，物理模型利 用实物表示实物，需要投入大量的人力和物力；数学模型通过对现 f 实事物进行简化，抽象，用方程、公式等数学工具来描述客观事物 的内在规律，揭示其运动本质。数学模型舍弃了现实事物的具体特 l 点而抽象出了它们共同变化规律，应用范围广总的来说，建立数 学模型有两种途径：。一种是理论建模，另一种是系统辨识前者通 过分析系统各部分静态关系和动态机理，根据这些机理分别写出描 述各部分关系利运动机理的代数方程及微分方程，将它们合在一起 组成描述整个系统的方程，这种描述是对系统的一种完全描述，它 能够完全表征系统的所有动力学特征；后者利用人为加到系统上的 某种测试信号，? 然后记录系统中各个变量的运动规律，选择适当的 数学表达式，使之能近似地描述这些规律，以此作为系统的数学模 l 绪论 型，即先根据经验或数据分析确定模型的结构，然后有试验数据确 定其未知参数这种描述是系统的外部描述，将系统看成是一个“黑 箱”，只反映系统输入和输出之间的因果关系，而没有表征系统的 内部结构和内部变量运用这两种方法对制冷系统进行建模都是可 行的热工被控对象是复杂的系统，它们的数学模型也是相当复杂 的，需要用很复杂的数学模型来描述其动态特性系统仿真技术通 过建立系统模型、进行模型实验方法来研究系统特性，是随着计算 机技术的快速发展而发展起来的一门新兴技术学科。系统仿真技术 被广泛应用于航空、工业系统及工业控制等许多领域，以进行系统 分析、系统设计和优化等研究 ； 一 制冷系统主要是指蒸汽压缩式制冷系统，由压缩机、冷凝器、 蒸发器和膨胀阀四个基本部分组成是得到最广泛应用的制冷系统 要对小型制冷和空调装置进行研究，需要首先了解系统的动态特 性制冷剂在压缩机和膨胀阀或毛细管中的流动过程迅速，主要采 用稳态模型进行仿真控制研究，而蒸发器和冷凝器模型主要采用动 态模型l2 卜2 3 1 系统数学模型是进行系统仿真研究、综合优化控 、 制等深入研究的基础 i _ 一 蒸发器、冷凝器的动态特性研究是制冷系统数学模型的主要方 、 面之一仿真时考虑换热器的物理特征，认为它们属于典型的阻容 对象，利用纯滞后的一阶对象的传递函数标准形式去逼近换热器的 、 动态特性，利用反应曲线法实验确定传递函数的常数系数。文献【7 】 分析了在定转速和变转速制冷系统中，蒸发器特性参数鳓影响因素 和变化规律，以及理论和实验确定方法，指出传递函数模型中的系 数在静态和动态工况下是不同的，在控制过程中，调节参数的确定 ， 以已知的蒸发器特性为依据。 w a n g 等在研究蒸发器的动态数学模型时，将以往的研赋方法 、 分为四种类型：黑箱法，单区段法、双区段法和分布参数法。黑箱 模型是用于控制系统的理想模型，这种模型对系统的描述是系统的 外部描述，将系统看成是一个“黑箱”，只反映系统输入和输出之 间的因果关系，而没有表征系统的内部结构和内部变量特点箍简 ?l l 单，易于控制，但是不能够反应系统内部的动态特性，在制冷系统 i l， t ( 一 1 l lmr * m oj 。，j 山东大学硕士学位论文 控制中经常采用。单区段模型没有区分流体的状态，仅仅适用于壳 式和管式蒸发器，使用范围比较窄，应用较少。两区段模型将蒸发 器区分为单相区和两相区，在这两个区域中分别采用不同的能量和 质量方程 对于水平管中的两相流动，由于重力对液相起作用，促使液相向 通道底部移动，使流型变得复杂些。目前关于水平管内的两相流流 型已达成共识【9 - 13 】。图1 - 5 示出水平管中两相流体的流动工况【9 】。 水平加热蒸发管中流型的变化如图1 6 所示 ( 1 ) 泡状流动( b u b b l ef l o w )此时水平管中的气泡多在管予上 半部运动 ( 2 ) 塞状流动( p l u gf l o w )这种流动是在液相流率较泡状流动 时小，但又比分层流动时大的情况下发生的此时，小气泡得以合 并成弹头型大气泡，在靠近管子顶部流动。 ( 3 ) 分层流动( s t r a t i f i e df l o w )当液相和气相流率都很低时，重 力分离进行的更彻底，液相在管子下部、气相在管子上部平滑地流 ：暂嚣乳矽：渺i ji 1 一 厂：p 。舢 ( | j t 【r d ，e 三翌v 匡至雪 图1 - 5 水平管中两相流流型( a l v es 。1 9 5 4 ) ( i ) 泡状流( ) 塞状流( ) 分层流( i v ) 波状流 ( v ) 弹状流( v i ) 环状流 图1 6 水平蒸发管中流型变化图 ( a ) 单相流( b ) 泡状流( c ) 塞状流( d ) 弹状流( e ) 波状流( f ) 环状流 1 绪论 动。 ( 4 ) 波状流动( w a v yf l o w )在分层流动中，当气相流率增加时， 在气液分界面上会形成波浪，即产生了波状流动工况 ( 5 ) 弹状流动( s l u gf l o w )这种流动在塞状流动的气相流率或波 状流动的液相流率进一步增加时发生这时大泡沫状液弹散布在一 些空间内，这些空间的管子底部为波动的分层流动层。在弹状流动 中，液相仍然是连续的产t 但其中夹带大量的气泡。 ( 6 ) 环状流动( a n n u l a rf l o w )当气相流率很高，液相流率很小 时，将发生环状流动。由于重力作用使液体沿管子圆周向下流动。 管子下半部的液膜较上半部厚的多在管子中心部位的气柱中，常 常夹带着微细的液滴 有许多学者对水平管内两相区的流型进行研究文献【1 4 】最早 提出了直观的流型区域图( f l o wp a t t e r nm a p ) 。对于水平流动，经典 的流型区域图是b a k e r ( 1 9 5 8 ) 图，他以实验数据为基础，绘制了考虑 一 物性影响的参数对参数关系曲线，曾经被广泛应用。m a n d h a n e 等 15 】 根据几千个试验数据提出的流型区域图已经被t a i l e l 和d u k l e r 所作 的关于流型转变的半理论分析所证实t a i t e l 和d u k l e r ( 1 9 7 6 ) 根据 对圆形流道的几何分析，提出适用于任何流道的流型分界条件【1 6 】， 作者应用了一系列无因次参数来确定水平管中各种流型的分界线。 即对于不同的流型分界曲线，采用不同的纵坐标其中间歇状流型 为气弹状和塞状流型的总称在蒸发器和冷凝器方针计算中，采用 何种类型的两相流模型值得研究 学者w a n g 指出采用分布参数的蒸发器模型能够提供动态特性 研究需要的所有参数，并且动态工作过程的精度好但是采用分布 参数模型使得计算工作量剧增，需要耗费大量的时间，在系统仿真 运行过程中造成计算结果的滞后，降低运算的精度。如何建立简单 可靠的模型，既能够满足仿真计算的模型精度要求又能够满足计算 速度要求，值得进一步研究。 1 4 本课题的主要研究内容 本文主要研究任务如下： 1 3 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 数学模型方面，制冷系统以及蒸发器过热度系统数学模型 的研究已经由几十年的历史，但是这些研究成果，主要以家用电冰 箱，房间空调器和汽车空调器等位研究对象来进行系统仿真，很少 有学者专门对v r v 变频和数码涡旋空调系统进行数字仿真研究。本 文将建立了完整的数码涡旋空调系统的动态仿真模型以稳态集中 参数法建立了压缩机模型；以稳态分区集中参数法建立了蒸发器和 冷凝器模型；以稳态集中参数法建立了电子膨胀阀模型编制仿真 程序，对数码涡旋空调系统进行分析研究 ( 2 ) 要对制冷空调系统进行研究，必须了解系统采用的制冷剂 的热力性质。近几十年来，为了满足关于消耗臭氧层物质的蒙特 利尔议定书及其修正案的要求，世界各国积极开发不破坏臭氧层 的新的环保制冷剂，来替代原来的c f c s 和h c f c s 制冷剂，出现了 大量替代制冷剂这些替代制冷剂的热力性质参数在很多文献中都 有介绍，但是由于采用数据差值形式，很难适应仿真计算的要求， 必须采用合理的公式实现对制冷剂热力性快速计算，满足现代计算 机快速计算的要求。本文将利用现有的软件和计算方法实现制冷剂 热力性质简化计算 ( 3 ) 选定某个实际建筑物，对其进行v r v 和风机盘管加新风系 统设计。根据仿真程序，结合空调负荷计算程序，对空调系统进行 f 能耗分析并进行比较一 1 4 2 制冷系统的数学模型 2 制冷系统的数学模型 制冷系统的动态特性计算是分析、设计和改进系统性能及其 控制系统的重要依据无论是制冷系统的参数整定、优化设计还 是控制系统设计和改进，都需要以制冷系统的数学模型为基础， 认真研究系统各部件特性以及它们之间的关系，才能够较准确地 预测系统的动态特性。本部分按照理论分析的方法建立蒸汽压缩 式制冷系统多变量动态数学模型，以动态模型为基础分析制冷系 统的特性并进行控制系统参数的设计和整定 蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、：膨胀阀和蒸发器组 成，用管道将其连成一个封闭的系统制冷剂在蒸发器中吸收外 界的热量，气化成低压蒸汽后进入压缩机，气体被压缩机压缩， 温度升高。从压缩机排出的气体进入冷凝器，被冷却介质冷却， 成为液体。离开冷凝器的制冷剂液体流经节流元件时，降低压力 和温度。成为由气体和液体组成的两相混合物，再进入蒸发器， 吸收蒸发器周围物体的热量，使它的温度降低。如此周而复始完 成制冷循环在整个循环过程中，压缩机起着压缩和输送制冷剂 蒸汽的作用是整个系统的心脏；节流阀的主要作用是节流降压和 调节制冷剂流量；冷凝器和蒸发器是系统的换热设备，从系统中 输出和输入热量。另外系统中还存在一些辅助设备，例如汽液分 离器、电磁阀等，这些辅助设备的功能是保证制冷装置的正常运 行，提高运行的经济性和安全可靠性。本部分分别根据需要建立 各种设备的数学模型 2 1 压缩机数学模型一 在蒸汽压缩制冷装置中，各种类型的压缩机是装置中的关键 核心设备，对系统的运行性能、噪声、振动和使用寿命有着决定 性的作用。对于压缩机的的数学模拟，国内外研究的很多，大参 把压缩机作为一个单独的装置，建模时需要准确反映压缩机内蕺 各种结构参数对于压缩机性能的影响，模型比较复杂。对于制冷 系统动态特性分析主要侧重于压缩机环节的动态状态变化，分析 1 5l 山东大学硕士学位论文 压缩机环节参数变化对蒸发器、冷凝器的热工参数和结构参数的 动态影响。从这一角度进行压缩机分析，需要将压缩机作为系统 的一部分，只需考虑压缩机模型中对系统性能有影响的参数。这 时，对于压缩机的参数应当以压缩机的外部参数为主，假设条件 应抓主要矛盾，忽略次要因素近似认为在压缩机中的压缩过程 为等熵压缩，忽略压缩机与外界的换热( 压缩机气缸与外界的换 热量不到压缩机勘率酊- f 死 2 4 1 罗，真体的假设见文献 2 5 】。 目前常用的压缩机稳态建模方法有效率法、图形法等。效率 法是一种相对简单的方法，将压缩机中复杂的流动与传热过程简 化为