大容量新風處理機制熱控制目標的優化與實現

涂 虬 馮自平 董凱軍 馮玉海 毛守博 國德防 唐 圣 逄 鵬

(1 中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640; 2 中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室 廣州 510640；3 海爾空調電子有限公司開發部 青島 266101)

目前，基于VRF空調系統的新風處理機已經逐漸開始應用[1-4], 該機組不同于組合式空氣處理機，外機直接采用技術成熟的VRF空調室外機，室內機構造和VRF空調室內機相同，采取特有的控制方法，以達到目標設定的出風溫度，為室內引入新風，清除室內不斷產生的空氣污染物，改善空氣品質，保持室內空氣的清新健康。其原理是采用冷媒直接蒸發式制冷(制熱)，通過調節設在新風機液管上的電子膨脹閥開度自動控制制冷劑循環量，以實現目標出風溫度。其特點是改變配管長度和通過調節風管上的調壓閥門實現機外靜壓可調，從而達到調節風量的目的，易于滿足不同大小、不同距離的空間舒適新風需求。

由于該類新風處理機靜壓和風量可調，而且靜壓變化范圍寬(如靜壓調節范圍100～200Pa或200～300Pa)，加之要求使用的環境溫度范圍廣(如制熱時室外環境溫度-5～20℃)，其控制難度大，普通VRF系統的控制方法已經不適用。目前公開發表的文獻，只限于謝春輝[1]對新風機制冷提出了簡單的設計措施，如加大蒸發面積、配置優質膨脹閥和氣液分離器、加裝壓力傳感器、針對低溫制冷采用有效的蒸發器除霜措施，實際上這些都是普通VRF空調上使用的措施，而且沒有給出制熱的控制方法。其余文獻都局限于實驗分析及新風處理方式的探討，如文獻[2]通過實驗分析了制冷劑配管長度對全新風風管送風式空調機組性能的影響，總結了機組制冷量、EER、排氣壓力、吸氣壓力、排氣溫度、制冷劑配管壓降等參數隨制冷劑配管長度變化的規律，對機組安裝配置及工程應用有一定的參考價值，但是并沒有分析這些參量間的耦合關系，而實際上這些參量是相互影響的，任何一個變量發生變化，都會對其它變量產生影響。文獻[3]定性分析了VRF空調系統新風處理方式的合理性，但沒有給出實驗結果和工程應用的情況。

實際上，新風機的控制具有自身的特點，既要達到設定的出風溫度，還要保證系統穩定可靠運行，而且實現高能效，其控制方法尤為重要。另外，對新風機低溫制熱，出風溫度難以達到設計目標，特別是對大容量新風機，如16HP及以上的新風機，電機采用三相電機固定轉速，不能通過切換風機轉速減小風量來實現低溫制熱22℃目標出風溫度，因而優化設計大容量的新風機，在不同靜壓不同環境溫度下實現穩定可靠的運行，具有非常重要的意義。特別是對制熱運行，因為制熱環境溫度范圍寬，環境惡劣，還涉及到機器結霜除霜等問題。

1 優化設計模型

曾開發出的10HP新風機，試驗表明目標冷凝溫度對系統穩定可靠運行是至關重要的參量。如果采用普通VRF制熱控制方法，即以固定的冷凝溫度如45℃為控制目標，調節壓縮機能力輸出，通過調節電子膨脹閥開度來控制制冷劑流量，以達到制熱目標出風溫度，試驗證明這種控制方法是不可行的。對名義制熱(外機室、內機室7℃DB，6℃WB)試驗，系統排氣溫度、油溫高達108℃，出現頻率頻繁波動的現象，對最大制熱，即使內機閥開度調節到最小開度80PLS，出風溫度仍會遠高于22℃的設定目標，特別是靜壓增加時，風量減小，新風機換熱效果降低，會出現出風溫度高達36℃的情況，而且按照該控制方法系統運行頻率高，不節能。另外，對低溫制熱、除霜，由于環境溫度低，即使系統運行頻率高達120Hz，而實際冷凝溫度只能達到30～32℃。因而這種控制方法是不可行的，應采取變目標冷凝溫度的控制措施，即不同環境溫度下對應不同的目標冷凝溫度。

假定目標冷凝溫度為Tc,tar，換熱修正系數為ε，定義式為

(1)式變形得到

式中：Tout、Tar、Tc,tar分別為出風溫度、回風溫度、目標冷凝溫度；Tc,min、Tc,max分別為最小和最大目標冷凝溫度。

為防止目標冷凝溫度過低，系統運行頻率低，導致排氣溫度、油溫過低損壞壓縮機，定義Tc,min=30℃。另外，為防止目標冷凝溫度過高，系統運行頻率高，導致排氣溫度、油溫過高出現頻率波動或者出風溫度過高的現象，定義Tc,max=40℃。

對10HP新風機，通過試驗確定出換熱修正系數為0.69，新風機閥最小開度為80PLS。按照以上優化模型計算得出的名義制熱、最大制熱、除霜、低溫制熱的目標冷凝溫度分別為35℃、38℃、32℃、30℃。

按照該模型確定出的目標冷凝溫度和新風機電子膨脹閥的最小開度進行16HP大容量新風機試驗。

2 實驗現象及問題分析

2.1 新風機系統介紹

新風機系統安裝圖和結構圖如圖1所示。

圖1 新風機系統安裝示意圖及新風機結構圖Fig.1 Installation schematic diagram of FAP system and structure diagram of FAP

新風機外機采用普通的VRF空調，其系統原理圖如圖2所示。通過設定目標冷凝溫度來控制壓縮機運行頻率，通過調節新風機的電子膨脹閥開度，達到目標出風溫度。對制熱，需要達到的適宜的出風溫度為20～25℃，控制目標溫度為22℃。

圖2 16HP大容量新風機系統原理圖Fig.2 Principle schematic diagram of 16HP FAP system

圖2中：Tdi, Td1, Toil, Ta, Tdef, Toci, Tc1, Tc2, Tar, Tout分別為相應的溫度傳感器測到的變頻壓機排氣溫度、定頻壓機排氣溫度、油溫、外環溫、除霜盤管溫度、冷凝器出口氣管溫度、新風機氣管溫度、液管溫度、回風溫度、出風溫度；EEVa1，EEVa2分別為室外機和室內機電子膨脹閥；SV1，SV2為電磁閥。其中Toci溫度傳感器是用來控制制熱時外機電子膨脹閥開度，控制目標為Toci過熱度6℃。

2.2 試驗裝置

試驗外機采用已經開發并成功應用的16HP外機，型號為KMR-450W/D532B，壓縮機為直流變頻壓縮機(型號ANB52FKEMT)和一臺定頻壓縮機(型號BN65YFHMT)并聯，外機采用2個電子膨脹閥，型號為HAM-BD24FKS。16HP新風機型號為KMR-450E/XH532A，風機采用三相電機，額定功率1.5KW，雙風扇，靜壓范圍為200～300Pa。考慮到新風機普遍存在低溫制熱效果差，需要加大制冷劑流量，采取大口徑電子膨脹閥，口徑為3.2mm，型號為HAM-BD32FKS。

試驗在海爾空調電子有限公司焓差室進行，采用焓差室測試平臺監控軟件監測出風干/濕球溫度、外機側、內機側干/濕球溫度、風量、靜壓、制冷(熱)量、功率。采用自編的監控軟件監測系統運行參數和狀態，如各溫度、壓力、壓縮機運行頻率、電子膨脹閥開度以及室外風機、電磁閥、四通閥開關狀態。

由于新風機是從室外引回風，試驗時可以把室外機、新風機分別裝在焓差室的外機室、內機室，把兩側調到相同的環境溫度進行實驗。不同工況下的環境溫度見表1。

表1 新風機制熱運行工況Tab.1 Experimental environmental condition of FAP

2.3 試驗現象與分析

按照表1中的環境溫度分別在靜壓ΔP=200Pa和300Pa 下進行試驗。

2.3.1 名義制熱

調節內機室、外機室工況均為7℃DB、6℃WB，按照制熱目標冷凝溫度Tc,tar=35℃，新風機電子膨脹閥最小開度80PLS，在靜壓200Pa和300Pa下進行名義制熱試驗。試驗發現200Pa靜壓下名義制熱運行正常，系統運行穩定，但靜壓為300Pa時，出現系統運行不穩定的現象，見圖3、4所示。

圖3 Tc,tar =35℃, ΔP=200Pa名義制熱試驗曲線Fig.3 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =35℃, ΔP=200Pa

圖4 Tc,tar=35℃, ΔP=300Pa名義制熱試驗曲線Fig.4 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar=35℃, ΔP=300Pa

圖3中給出一個外機閥開度，另一個閥的開度在另一個曲線界面中，在冷媒分流情況較好時，兩個閥的開度基本相同。300Pa靜壓下出現特殊回油過程：當系統運行時，定頻壓縮機停機而變頻壓縮機頻率小于60Hz，持續30分鐘，進行一次特殊的回油過程，定頻機開啟，變頻機以30Hz運行，目的是加大壓縮機輸出能力、提高回油效果、防止壓縮機缺油。

從圖4可以看出：當Tc,tar=35℃，靜壓為300Pa時，系統運行不穩定，外機電子膨脹閥開度LEVa1、頻率INV_F，排氣溫度Tdi、油溫Toil、排氣壓力Pd和對應的飽和溫度Pd_t、出風溫度Tout波動明顯。

原因分析如下：系統按照目標冷凝溫度35℃控制壓縮機輸出能力，當靜壓為300Pa時，風量為3000m3/h，遠低于200Pa靜壓時的風量5000m3/h，系統運行頻率較200Pa時低，導致排氣溫度過熱度或油溫過熱度(油溫與冷凝溫度之差)低于20℃，為防止出現過熱度偏低，外機電子膨脹閥關小，以提高排氣溫度和油溫。但是隨之而來，排氣壓力和對應的冷凝溫度上升，冷凝溫度達到36℃。按照控制功能要求，為防止頻率頻繁波動，在冷凝溫度為(35±1)℃時，壓機頻率保持不變，但是排氣溫度和油溫上升得較快。過熱度超過25℃以上，外機閥由Toci過熱度控制，而不進行排氣過熱度的修正，閥的開度增大，此時排氣壓力和冷凝溫度下降較快，冷凝溫度降低到32℃，頻率又開始上升。在外機閥開度增大和頻率上升的綜合作用下，排氣溫度和油溫表現為下降，降低到25℃以下，外機閥開度進行排氣溫度過熱度修正，閥的開度減小。如此反復，導致各參量頻繁波動。以上試驗結果可以看出室內機、外機的狀態參數之間相互耦合的關系，任何一個參量的變化都會對其它產量產生影響。

相反，當靜壓為200Pa時，其風量較300Pa時的風量大，相同頻率下排氣壓力及對應的冷凝溫度較300Pa時低，為達到目標冷凝溫度，運行頻率較300Pa時高，排氣溫度和油溫過熱度大于25℃以上，外機閥開度按照Toci過熱度控制，不會出現由于排氣溫度、油溫偏低而使頻率頻振蕩，導致其它運行參量隨之波動的現象。

改用普通VRF系統制熱控制方法，即采取固定的45℃目標冷凝溫度，在200Pa、300Pa下分別進行名義制熱，試驗運行正常，如圖5、6所示。

圖5 Tc,tar =45℃，ΔP＝200Pa名義制熱試驗曲線Fig.5 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=200Pa

圖6 Tc,tar =45℃，ΔP＝300Pa名義制熱試驗曲線Fig.6 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=300Pa

實驗結果表明對名義制熱，當目標冷凝溫度為45℃時，實驗運行穩定，沒有波動現象。但是系統運行頻率高，能耗高，不節能。而且300Pa靜壓時，出風溫度高達28℃，高于設計要求。

對比10HP新風機名義制熱，當目標冷凝溫度為45℃時，出現由于運行頻率達120Hz，使排氣溫度、油溫過高出現頻率波動，繼而導致其它運行參數隨之波動的現象。而當目標冷凝溫度為35℃時，運行正常。

對比表明：對16HP新風機，目標冷凝溫度35℃偏小，應提高目標冷凝溫度。其原因在于16HP新風機外機采用雙風扇，風量14000m3/h遠大于10HP新風機外機風量10000m3/h，而內機風量相差不大，因而相同頻率下16HP新風機排氣壓力和對應的冷凝溫度較10HP高，這樣在較低頻率下即可達到目標冷凝溫度35℃。在這種情況下，如果靜壓加到到300Pa，內機風量減小，排氣溫度和對應冷凝溫度更高，運行頻率更低，此時出現因排氣溫度或油溫低導致頻率和其它參數波動的現象。

2.3.2 最大制熱

圖7 Tc,tar =38℃, ΔP＝200Pa最大制熱試驗曲線Fig.7 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=200Pa

圖8 Tc,tar =38℃, ΔP＝300Pa最大制熱試驗曲線Fig.8 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=300Pa

進行環境溫度為15℃DB、10℃WB最大制熱試驗，目標冷凝溫度為38℃。試驗發現靜壓為200Pa時，系統運行正常，但是當進行300Pa靜壓試驗時，出現低排氣故障停機現象。試驗結果如圖7、8所示。

從圖8可以看出：外機閥已經調節到最小開度96PLS，但是仍然出現排氣溫度過低故障停機的現象。這表明對最大制熱，目標冷凝溫度38℃過小，導致運行頻率低，出現排氣溫度過低故障。再次表明換熱修正系數 ε=0.69 選取不合理。

2.3.3 低溫制熱

考慮到低溫制熱(內機室、外機室-5℃DB，-6℃WB)環境溫度過低，排氣壓力和對應的冷凝溫度會降低，尤其是200Pa時風量大，排氣壓力和冷凝溫度會更低，出風溫度難以達到目標出風溫度，在確定出目標冷凝溫度之前，按照45℃目標冷凝溫度進行試驗。實驗結果見圖9所示。

從圖9可以看出：靜壓為200Pa低溫制熱，變頻壓縮機和定頻壓縮機均開啟運轉(定頻壓縮機運行曲線在另一曲線界面上顯示)，且變頻壓縮機以最高頻率120Hz運轉，系統運行正常，頻率、排氣溫度、油溫、外機閥開度、內機閥開度沒有出現波動現象，但是冷凝溫度只能達到31℃，且內機閥開度達到最大開度480PLS，出風溫度只能維持在18℃度。進一步分析發現：外機閥開度按照Toci過熱度6℃控制，系統運行穩定，過熱度一直維持在6℃，外機閥開度保持在96PLS，導致冷媒循環量減少，即使內機閥全開，但是出風溫度低于22℃目標溫度。分析表明為提高出風溫度需要對外機閥的控制進行修正，加大開度，增加冷媒循環量。

圖9 Tc,tar =45℃, ΔP＝200Pa低溫制熱試驗曲線Fig.9 Experimental curve of low temperature heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=200Pa

3 優化方法改進及實驗驗證

以上試驗表明目標冷凝溫度對系統穩定可靠運行是很重要的參量。當 ε=0.69 時，對名義制熱，目標冷凝溫度35℃過低，導致300Pa靜壓下，排氣溫度和油溫偏低，出現外機閥開度波動頻繁的現象，從而導致系統運行頻率、溫度等參數波動。對最大制熱，目標冷凝溫度38℃，出現低排氣現象。但是如果目標冷凝溫度選取過高，會導致系統在高頻下運轉，出現排氣溫度或者油溫過高，同樣導致系統頻率振蕩，繼而影響其它參數波動的現象。另一方面，系統運行頻率高，會導致COP降低，不能實現節能的目的，而且出風溫度遠高于目標溫度，影響了室內環境的舒適性。因而換熱修正系數 ε需要試驗重新確定。

對低溫制熱，200Pa靜壓，壓縮機100%能力輸出，冷凝溫度最大只能達到31℃，出現出風溫度偏低現象，其原因是外機閥開度過小，需要重新進行修正其控制。

3.1 低溫制熱

分析圖9可以看出：按照Toci過熱度6℃控制外機閥開度，外機閥開度維持在最低開度96PLS，但是此時排氣溫度達到90℃，過熱度為59℃，遠大于壓縮機要求的安全過熱度15℃，因此當排氣溫度大于25℃，按照Toci過熱度6℃控制方法不合理，僅僅考慮到防止油溫、排氣溫度過低產生回液現象，而忽視了制熱效果。當排氣溫度過熱度過高時，需要進行修正，以加大外機閥開度，增加冷媒循環量，提高出風溫度。

為驗證外機閥開度對制熱效果的影響，采取手動調節外機閥開度，進行制熱實驗，實驗結果見圖10。

圖10 低溫制熱時電子膨脹閥不同開度下的試驗結果Fig.10 Experimental results of low temperature heating at different opening of EEV

圖10表明：隨著外機閥的開度增大，排氣溫度及排氣溫度過熱度下降較明顯，但是冷凝溫度及出風溫度上升，當閥的開度達到220PLS時，出風溫度達到20～21℃，平均溫度20.5℃，達到設計要求。但是當繼續增加到250PLS時，出現低排氣停機現象，圖中曲線顯示頻率為0，溫度過熱度為0℃，出風溫度-5℃，即為回風溫度。

對比分析圖9、10，提出如下制熱外機閥控制方法：制熱通常情況下按照Toci過熱度為6℃控制外機閥開度，當排氣溫度過熱度或油溫過熱度大于40℃，持續1分鐘，Toci過熱度每分鐘減小1℃；當排氣溫度過熱度或油溫過熱度在25～30℃，保持當前的過熱度控制；當在30～40℃，恢復到通常的過熱度，即6℃。為防止排氣溫度和油溫過低，當排氣過熱度或油溫過熱度小于25℃，過熱度每分鐘加1℃ 。為防止過熱度修正過大，定義過熱度范圍2～10℃。

按照程序控制運行的試驗曲線如圖11所示。

圖11 修正后的200Pa靜壓低溫制熱實驗曲線Fig.11 Experimental curve of low temperature heating under ΔP=200Pa by revised control of EEV

圖11可以看出：外機閥開度隨排氣過熱度變化進行修正，出現平緩的波動調節，但是出風溫度、排氣壓力和低壓壓力較平穩，出風溫度可以維持在20～21℃，達到設計要求。當靜壓為300Pa時，出風溫度可以穩定在22℃。

3.2 名義制熱

低溫制熱目標冷凝溫度31℃，按照公式(1)計算得到 ε=0.66，由(2)式計算得到名義制熱下目標冷凝溫度為37℃。按照該目標溫度進行200Pa、300Pa實驗，實驗結果見圖12、13所示。

實驗結果表明，按照修正后的控制模型來控制新風機運行，運行穩定，出風溫度達到22℃。

圖12 Tc,tar =37℃, ΔP=200Pa名義制熱實驗曲線Fig.12 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =37℃, ΔP=200Pa

圖13 Tc,tar =37℃, ΔP=300Pa名義制熱實驗曲線Fig.13 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=300Pa

對比圖12、13和圖5、6，可以看出目標冷凝溫度37℃運行的頻率比45℃目標冷凝溫度的頻率低，可以實現節能。

對最大制熱和除霜，按照修正后的模型，目標冷凝溫度分別為40℃、34℃，實驗證明系統運行穩定，出風溫度能達到設計目標。實驗結果這里不再一一列出。

以上試驗結果表明：修正后的優化控制模型以及對外機閥的控制修正后，可以較好地用于新風機在不同環境溫度、不同靜壓下的穩定可靠運行。

4 結論

1)在10HP新風機優化設計模型基礎上，通過試驗修正了該模型，調整了換熱修正系數，試驗證明該模型是可行的。這樣就可以把不同系列的新風機制熱控制模型統一起來，通過控制程序判定新風機容量大小，選取不同的換熱修正系數，實現新風機制熱優化控制。

2)試驗揭示了環境溫度、運行頻率、目標冷凝溫度、靜壓、風量、排氣壓力、吸氣壓力、排氣溫度、外機電子膨脹閥開度、新風機電子膨脹閥開度等各參數間的耦合關系，這些參數間相互影響，任何一個參量變化都會引起其它參量變化。

3)試驗證明目標冷凝溫度是很重要的參量，選擇合適的目標冷凝溫度對系統穩定可靠運行是非常重要的。選取過高，會導致系統系統頻率高，能耗高。采用變目標冷凝溫度控制壓縮機輸出能力，能實現不同環境溫度、不同靜壓下的穩定運行，出風溫度控制精度高，運行頻率低，達到節能目的。

4)對低溫制熱200Pa靜壓，由于風量大，換熱器散熱效果好，加之回風溫度過低，出風溫度達不到22℃的控制目標。通過修正外機電子膨脹閥的控制，適當加大電子膨脹閥開度，增加冷媒循環量，試驗證明該優化控制方法是可行的，能達到設計目標。

5)該優化控制方法，為新風機的使用提供設計依據，對其它容量大小的新風機和不同制冷劑系統的新風機提供設計指導。

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