VRF多聯機性能測試實驗臺的設計與建立

HE Chunhui YANG Hua ZHANG Wei HE Lin

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

0 引言

美國AHRI制冷協會在2010發布ANSI/AHRI 1230-2010《可變制冷劑流量（VRF）多聯式空調和熱泵設備性能評價》的標準，規定了VRF多聯機組的性能測試與評價的要求、方法，按標準測試方法有：空氣焓差法、壓縮機標定法、量熱計法、制冷劑焓差法和室外側水量熱計法這幾種形式，目前應用最廣泛的是空氣焓差法。為適應美國AHRI標準相關要求、滿足出口北美多聯式空調測試需求，有必要設計與建立相應的試驗臺，已達到北美相關檢測機構測試要求。

1 熱氣旁通原理

當工況冷機處于制冷運行狀態時，若機組制冷負荷小、系統回氣壓力偏低，低于某一設定值時，熱氣旁通閥開啟，將系統高壓端與蒸發器進口連通，高溫高壓的制冷劑氣體與節流后低溫的氣液混合態制冷劑完全混合，最終得到飽和或具有一定過熱度的氣體，通過控制熱氣旁通量的適當比列可穩定其蒸發溫度和蒸發壓力，以達到控制蒸發器后出風露點溫度的目的，從而工況室加濕器內的電加熱投入量也就可以相對減小。王天慶[1]等人推導出了使用熱氣旁通壓縮機“熱備”狀態下過熱氣體質量流量的相關公式：

式中：qm1為旁通過熱氣體質量流量（kg/s）；qm2為膨脹閥節流后氣液兩相流的質量流量（kg/s）；qm3為壓縮機吸氣質量流量（kg/s）；x為膨脹閥節流后干度；h1為旁通過熱氣體焓值（kJ/kg）；h2為膨脹閥節流后飽和氣體焓值（kJ/kg）；h3為膨脹閥節流后飽和液體焓值（kJ/kg）；h4為混合后壓縮機吸氣氣體焓值（kJ/kg）。

由公式可知，如已知壓縮機“熱備”狀態下的運行工況和吸氣質量流量，就可得出維持系統平衡所需的過熱氣體質量流量qm1。

2 實驗臺的設計

2.1 實驗臺總體布局及技術要求

ANSI/AHRI 1230標準規定，VRF多聯機系統至少使用兩種組合（室內機）進行測試，分別為風管式內機和無風管式內機；外機可以采用多臺并聯模式，室內機允許匹配最多12臺。經綜合考慮實驗臺多臺內/外機組合安裝空間尺寸需求、空氣流場與溫度場的均勻性等因素，該實驗臺設計成4個獨立測試間（如圖1）：室外側①能力測試范圍15HP，室內側①能力測試范圍15HP；室外側②能力測試范圍48HP，室內側②能力測試范圍20HP；4個測試間可組成2套或1套獨立實驗臺使用，相鄰測試間互通，最大測試組合48HP。

室內側環境工況控制范圍：干球溫度5～60℃、濕度30%～95%，范圍內可任意調節；室外側環境工況控制范圍：-30～60℃、濕度30%～95%，范圍內可任意調節；水系統溫度控制范圍5～60℃，范圍可任意調節；所有低溫運行工況連續穩定運行12小時以上。標準試驗工況見表1[2]。

圖1 實驗室布局圖

圖2 孔板上送下回風方式示意圖

圖3 上/下回風可切換、三面環繞管道上送風方式示意圖

2.2 實驗臺空氣流場

合理的空氣流場能確保溫度場均勻、風場速度均勻，避免環境溫度場控制出周期性波動或局部高溫、高風速的情況，從而影響實驗測試數據的準確性和復現性。該實驗臺內側環境間采用孔板上送下回風的方式（如圖2所示），主要是利用靜壓箱送風的原理（有限射流擴散），空氣從回風格柵進入空氣處理柜，經處理后的氣流射入孔板夾層內空間，其動壓大部分轉化為靜壓，使得孔板夾層內的靜壓分布均勻，同時確保房間內各處送風均勻、溫度均勻。

在空氣處理柜出口位置，距離出風口位置1.5～2米內的孔板全部使用盲板，從而避免進、出風出現較大的氣流短路，有效確保工作區域風場速度、溫度場的均勻性。

實驗臺外側環境間空氣流場，考慮VRF多聯機外機大多采用頂出風的方式，同時兼顧水平出風的機組，采用上/下回風可自由切換、三面環繞管道上送風的方式，空氣處理柜放置在夾層內（如圖2所示），機組1米范圍內的風速小于2.5m/s，滿足標準要求[1]。空氣處理柜處理過的空氣，經庫房頂三面環繞的風道，從庫房三個側面的出風格柵向下送風（圖3中虛線箭頭方向），風速必須足夠大，確保送風能到達地面，使工作區域風場均勻。上送上回風方式：下回風風閥關閉，頂回風風閥開啟，在頂回中間夾層風道形成負壓腔，氣流經此通道回到空氣處理柜進風口；上送下回風方式：頂回風風閥關閉，下回風風閥開啟，氣流直接進入空氣處理柜進風口。由于頂出風機組的出風風速比較高，必須保證機組出風口與上回風口的有足夠距離，且回風口處風速不能太低，才能有效避免機組出風、進風出現嚴重短路的情況。

圖4 人機界面監控系統圖

圖5 溫/濕度控制原理圖

表1 標準試驗工況

表2 漏風率試驗數據

表3 漏風率試驗數據

2.3 實驗臺測量、控制

實驗臺測量、控制主要包括數據測量采集系統、PLC控制系統和PID數字調節控制系統三大部分組成，配合各類傳感器、控制執行機構、電器元件和制冷系統等，對實驗間環境溫濕度進行全自動的測量控制，通過Labview編程軟件編制人機監控界面，對所有測量數據進行全自動監控采集、計算，實時監控溫/濕度、電參數、運行壓力、計算結果等參數，系統圖如圖4所示。

實驗間溫/濕度控制系統：主要由PID數字調節器、溫/濕度傳感器、功率調整器組成，其控制原理如圖5所示。溫/濕度傳感器實時監控實驗間環境溫/濕度變化，將環境溫/濕度轉化為電信號反饋給PID數字調節器，PID數字調節器根據信號大小控制功率調整器的輸入信號，功率調整器根據信號大小調節電加熱/加濕器的輸出功率，從而使實驗間環境溫/濕度穩定在設定值范圍內。

采樣裝置風道風速控制系統：主要由PID數字調節器、變頻器、采樣風機組成，其控制原理如圖6所示。風道內風速通過風速傳感器實時監控，將風速轉化為電信號反饋給PID數字調節器，PID數字調節器根據反饋信號大小控制變頻器的輸入信號，變頻器根據輸入信號大小調節采樣風機的轉速，從而使采樣裝置內的風速穩定在設定值范圍內，風速一般接近5m/s[3]。

2.4 實驗臺節能措施

實驗臺應用熱回收、熱氣旁通等技術，將冷凝器的部分廢熱回收利用、控制蒸發器制冷能力，并結合冷凝壓力恒壓控制的方式，有效降低設備能源消耗，系統原理如圖7所示。壓縮機排氣分3路，主回路①直接與殼管換熱器連通，起主要換熱冷凝作用；旁通回路②串接輔助冷凝器，與主回路①并聯，通過控制經過輔助冷凝器高溫制冷劑流量，將部分冷凝熱回收用用于室內加熱，降低室內電加熱、電加濕的輸出功耗；熱氣旁通回路③與蒸發器進口并接，通過控制旁通排氣回路的冷媒噴射量，調節蒸發器內部的冷媒蒸發壓力，從而調節蒸發器側制冷能力的輸出，有效降低室內電加熱、電加濕的輸出功耗；冷卻水側通過壓力調節閥調節水流量，將冷凝壓力控制在設定值范圍內，有效降低冷卻水側的輸出功耗。

圖6 采樣裝置風道風速控制原理圖

圖7 熱回收、熱氣旁通噴射系統原理圖

圖8 單外機溫度測點布置圖

圖9 溫度場均勻性隨時間變化的曲線

3 實驗驗證

3.1 溫度場均勻性

VRF多聯機實驗臺溫度場要求在空載狀態下，水平方向基本一致，垂直方向梯度不超過2K/m，由于沒有其他擾動應屬的影響，空載狀態下的溫度場均勻性基本沒有問題[4]；但加入機組的擾動因素后，情況會完全不一樣，實際需要考慮的是機組正常運行后機組冷凝器周圍進風溫度場均勻性，以及冷凝器出風與回風之間氣流的短路情況。以室外側②實驗間為例，安裝一頂出風機組的多聯機機組，外機冷凝器三進風面布置12點熱電偶測點，點與點垂直距離60mm，熱電偶布點位置如圖8所示；將工況設定為常用溫度35℃穩定運行，考察帶負荷狀態下溫度場均勻性變化的情況。

分析運行曲線：上層各單點溫度變化與平均溫度的偏差均在±0.5℃以內，表明上層冷凝器進/出風口氣流短路情況非常小；中層、下層各單點溫度與平均溫度偏差均在±0.5℃以內，說明溫度場的均勻性完全滿足要求，溫度場均勻性隨時間變化的曲線如圖9所示。

對垂直方向溫度梯度變化趨勢進行分析，據溫度梯度隨時間變化的曲線可知，各點垂直梯度變化均在1K/m以內，如圖10所示，說明垂直溫度梯度滿足2K/m的要求。其它實驗間以同樣的方法進行驗證，實驗結果表明，溫度場均勻性滿足實驗要求[3]。其他實驗間以同樣的方式進行溫度場的校核。

3.2 風量測量裝置漏風率

風量測量裝置主要包括受風室、噴嘴流量室兩大部分，在受風室進口完全密封的狀態下，只開啟25mm噴嘴狀態下，保持受風室在250Pa負壓狀態下，風量測量裝置漏風率不超過0.01m3/s[6]。測試數據如表2所示，實驗證明，3套風量測量裝置在保持250Pa負壓的狀態，漏風率均滿足實驗要求。

從溫度場均勻性、風量測量裝置漏風率等實驗結果分析，整體情況非常好，滿足ANSI/AHRI 1230標準技術指標、特定技術協議要求，實驗臺各重要參數經第三方進行計量機構計量合格，確認實驗臺可投入試運行。

圖10 溫度梯度隨時間變化的曲線

3.3 節能對比驗證

選用同一臺被測機組，分別在名義制冷、名義制熱、低溫制熱、超低溫制熱等工況下分別采用常規系統和節能系統進行控制測試，數據如表3，從數據上看平均節能在20%以上，效果較明顯。

4 結論

本多聯機實驗臺設計能滿足多聯機模塊化組合、不同內機組合的測試需求，在測量控制技術、節能技術方面滿足預期設計水平，控制精度高；通過應用配置制冷系統熱回收、熱氣旁通、冷凝壓力恒壓等節能技術，結合適當的PID算法控制，實驗驗證表明有效降低了實驗臺運行的整體能耗，節能超過20%以上。