(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)

多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)是一種典型的變制冷劑流量(variable refrigerant flow)直接蒸發(fā)式空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)(VRF系統(tǒng))[1]。具有傳熱環(huán)節(jié)少、輸配能耗低、室內(nèi)機(jī)獨(dú)立控制、安裝空間小、維護(hù)管理方便等特點(diǎn)[2-3]，在亞洲和歐洲等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用場(chǎng)合為辦公樓、學(xué)校、酒店、住宅等[4]。

我國(guó)于20世紀(jì)90年代中期開始研發(fā)多聯(lián)機(jī)，隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前已成為世界第一大多聯(lián)機(jī)生產(chǎn)國(guó)和應(yīng)用市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多聯(lián)機(jī)在我國(guó)中央空調(diào)市場(chǎng)中的占有率逐年上升，2016年占有率已高達(dá)46%，尤其在長(zhǎng)江流域應(yīng)用最為普遍，2016年該地區(qū)的市場(chǎng)規(guī)模約占全國(guó)多聯(lián)機(jī)市場(chǎng)的57%[5]。

在實(shí)際工程中，多聯(lián)機(jī)的室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間具有較大的配管長(zhǎng)度和高差。在制冷工況下，當(dāng)液管中制冷劑的沿程壓降和重力附加壓降較大時(shí)，制冷劑在室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥(electronic expansion valve，EEV)入口可能出現(xiàn)閃發(fā)，不僅產(chǎn)生噪音，還將影響各室內(nèi)機(jī)制冷劑流量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性[6-7]。研究表明，在室外機(jī)的液體管上設(shè)置過冷卻回路(圖1)是解決該問題的有效措施。工作原理為：在制冷工況下，冷凝器出口的一部分制冷劑經(jīng)EEV-c節(jié)流后與主回路中的制冷劑在過冷卻換熱器(subcooling heat exchanger，SCHX)中進(jìn)行蒸發(fā)換熱，然后與氣體配管返回的低壓過熱氣體匯合依次進(jìn)入氣液分離器和壓縮機(jī)；主回路中的制冷劑則在SCHX中被過冷后進(jìn)入主液體配管。過冷卻回路除了具有增大過冷度的作用外，對(duì)壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)和室內(nèi)機(jī)制冷劑流量均有影響。因此，有必要全面了解過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)性能的影響，明確控制策略，從而提升多聯(lián)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行性能。

過冷卻回路的相關(guān)研究主要集中在過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響特性方面。郭占軍[8]對(duì)一臺(tái)風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)在室外溫度較低時(shí)過冷卻回路處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)室外溫度較高時(shí)過冷卻回路開啟，測(cè)試表明：過冷卻回路開啟時(shí)的EER低于過冷卻回路關(guān)閉時(shí)的EER。由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過冷卻回路的控制策略不明，故未能深入分析過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響。K. Laeun等[9]對(duì)某學(xué)校辦公樓的一套風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的制冷季節(jié)運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：隨著過冷卻回路EEV開度從0開始逐漸增大，多聯(lián)機(jī)的EER先增大后減小，EER峰值對(duì)應(yīng)的過冷卻回路旁通率(SCHX節(jié)流側(cè)制冷劑流量與壓縮機(jī)制冷劑流量的比值)僅約4%，當(dāng)旁通率大于5.27%時(shí)，多聯(lián)機(jī)的EER反而降低。

現(xiàn)有研究表明過冷卻回路具有優(yōu)化多聯(lián)機(jī)制冷能效的潛力，但如果控制策略不當(dāng)則會(huì)產(chǎn)生不利影響。目前關(guān)于過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷和制熱性能的影響尚無(wú)清晰、全面的認(rèn)識(shí)，更缺乏配管長(zhǎng)度和工況變化時(shí)的過冷卻回路控制策略。本文通過實(shí)驗(yàn)研究了過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷和制熱性能的影響，并研究了過冷卻回路的控制策略。

1 多聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖2所示為水冷熱泵型多聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理，各部件規(guī)格如表1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用水冷套管式換熱器代替風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)的室內(nèi)、外風(fēng)冷翅片管換熱器，以水環(huán)境代替室內(nèi)、外空氣環(huán)境，通過測(cè)量換熱器水側(cè)流量和進(jìn)、出口水溫來(lái)計(jì)算換熱量。在室內(nèi)、外機(jī)之間的主液管和主氣管上安裝阻力調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥的開度來(lái)改變配管的壓降，從而模擬配管長(zhǎng)度的變化。

圖2 水冷熱泵型多聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.2 Principle of water-cooled heat pump type multi-split VRF system

部件名稱規(guī)格壓縮機(jī)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī),型號(hào)TNB306FPGM,排氣量30.6 cm3/r,R410A,充注量3.21 kg,額定制冷量9.88 kW,額定功率3.01 kW。室外機(jī)換熱器套管式,額定換熱量15 kW,額定水流量2.6 m3/h。室內(nèi)機(jī)換熱器#0、#2室內(nèi)機(jī):套管式,額定換熱量2.6 kW,額定水流量0.56 m3/h;#1室內(nèi)機(jī):套管式,額定換熱量5.2 kW,額定水流量1.13 m3/h。SCHX套管式,額定換熱量0.4 kW。EEV公稱口徑室外機(jī)主回路EEV:Φ=2.4 mm;過冷卻回路EEV:Φ=1.8 mm;室內(nèi)機(jī)EEV:Φ=1.5 mm。制冷劑配管管徑#0、#2室內(nèi)機(jī)配管:液/氣管管徑Φ=6.35 mm/9.52 mm;#1室內(nèi)機(jī)配管:液/氣管管徑Φ=9.52 mm/15.88 mm;主配管:液/氣管管徑Φ=9.52 mm/15.88 mm。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的3臺(tái)室內(nèi)機(jī)之間無(wú)高差，各室內(nèi)機(jī)分歧管之間間距小于1 m；室外機(jī)位于室內(nèi)機(jī)下方，室內(nèi)、外機(jī)之間的高差為1.9 m。由于高差較小，因此在實(shí)驗(yàn)分析中忽略室內(nèi)、外機(jī)之間的高差。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)布置：1)壓力測(cè)點(diǎn)：壓縮機(jī)的吸/排氣管路、液管和氣管阻力調(diào)節(jié)閥前/后管路；2)制冷劑溫度測(cè)點(diǎn)：壓縮機(jī)的吸/排氣管路、氣液分離器的進(jìn)/出口管路、液管和氣管阻力調(diào)節(jié)閥前/后管路、室外機(jī)換熱器和室內(nèi)機(jī)換熱器的制冷劑側(cè)進(jìn)/出口管路、SCHX節(jié)流側(cè)進(jìn)/出口管路；3)水溫度測(cè)點(diǎn)：室外機(jī)換熱器和室內(nèi)機(jī)換熱器的水側(cè)進(jìn)/出口管路；4)流量測(cè)點(diǎn)：在制冷劑主液管上安裝質(zhì)量流量計(jì)，方向與制冷工況下制冷劑的流向一致，在室外機(jī)換熱器和室內(nèi)機(jī)換熱器的各水側(cè)管路上安裝電磁流量計(jì)。

1.2 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置：1)采用精度為±0.1%的壓力變送器UNIK 5000測(cè)量制冷劑壓力；2)采用T型熱電偶測(cè)量制冷劑溫度；3)采用精度為±0.1%的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)Mass 2100測(cè)量制冷劑流量；4)采用Pt100測(cè)量水溫；5)采用精度為±0.5%的電磁流量計(jì)測(cè)量水流量；6)采用電力分析儀TES 3600測(cè)量壓縮機(jī)功率。

由于主液管上的質(zhì)量流量計(jì)安裝方向與制冷工況的制冷劑流向一致，而在制熱工況下主液管中的制冷劑反向流動(dòng)，因此制冷劑流量無(wú)法通過流量計(jì)測(cè)量。制熱工況的制冷劑流量計(jì)算方法：1)基于壓縮機(jī)產(chǎn)品樣本提供的不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、吸氣壓力和排氣壓力下的制冷劑流量數(shù)據(jù)，回歸擬合得到壓縮機(jī)的制冷劑流量模型；2)采用壓縮機(jī)制冷劑流量模型預(yù)測(cè)制冷工況的制冷劑流量，與實(shí)測(cè)制冷劑流量比較，驗(yàn)證壓縮機(jī)流量模型的準(zhǔn)確性；3)在制熱工況下，基于壓縮機(jī)流量模型和壓縮機(jī)吸、排氣參數(shù)測(cè)量值計(jì)算制冷劑流量。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

配管長(zhǎng)度的變更對(duì)研究過冷卻回路對(duì)不同配管長(zhǎng)度多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)特性的影響至關(guān)重要。由于多聯(lián)機(jī)的主液管長(zhǎng)度變化主要影響室內(nèi)機(jī)EEV的資用壓差和開度，對(duì)系統(tǒng)總制冷量和運(yùn)行效率的影響較小，因此，在實(shí)驗(yàn)中保持液管阻力閥全開，僅改變氣體配管的等效長(zhǎng)度。通過調(diào)節(jié)氣管阻力閥的開度，測(cè)量閥前后壓差、制冷劑質(zhì)量流量和入口制冷劑的狀態(tài)參數(shù)，并利用多聯(lián)機(jī)仿真模型中的制冷劑管路壓降模型計(jì)算氣體配管的等效長(zhǎng)度。

實(shí)驗(yàn)操作步驟：1)分別調(diào)節(jié)室內(nèi)、外機(jī)水流量和兩個(gè)水箱中的水溫至設(shè)定值；2)設(shè)定氣管阻力閥的開度；3)發(fā)送開機(jī)命令，設(shè)定過冷卻回路EEV開度；4)室內(nèi)、外機(jī)控制器根據(jù)設(shè)定控制方式調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室內(nèi)、外機(jī)EEV開度，同時(shí)調(diào)節(jié)高、低溫水箱中的水溫恒定；5)每個(gè)穩(wěn)態(tài)工況采樣時(shí)長(zhǎng)10 min，并計(jì)算平均值作為目標(biāo)工況下的參數(shù)測(cè)量結(jié)果。

2 過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過冷卻回路EEV開度、氣體配管等效長(zhǎng)度、負(fù)荷率及室外機(jī)入口水溫對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響。

2.1 氣體配管等效長(zhǎng)度的影響

圖3所示為不同等效氣體配管長(zhǎng)度下改變過冷卻回路EEV開度時(shí)多聯(lián)機(jī)的制冷運(yùn)行性能。實(shí)驗(yàn)條件：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為68 r/s，3臺(tái)室內(nèi)機(jī)全開，室內(nèi)/外機(jī)水流量為額定流量、入口水溫為17 ℃/37 ℃，各室內(nèi)機(jī)EEV控制室內(nèi)機(jī)出口過熱度為2～4 ℃。

圖3(a)～圖3(e)為壓縮機(jī)的吸、排氣參數(shù)及SCHX的出口參數(shù)變化。隨著過冷卻回路EEV開度的增加，壓縮機(jī)的吸氣壓力升高，對(duì)應(yīng)飽和溫度最大可提升1 ℃左右；排氣壓力降低，對(duì)應(yīng)飽和溫度最大可降低約7 ℃。當(dāng)過冷卻回路EEV開度為40 PLS時(shí)，由于SCHX節(jié)流側(cè)出口逐漸接近飽和直至兩相狀態(tài)，因而氣液分離器的出口過熱度顯著下降，此時(shí)SCHX發(fā)揮最大換熱能力，主液管入口過冷度增至極大值。當(dāng)繼續(xù)增大過冷卻回路EEV開度時(shí)，由于冷凝壓力持續(xù)降低，主液管入口過冷度反而逐漸減小。

圖3 不同等效氣體配管長(zhǎng)度下改變過冷卻回路EEV開度時(shí)多聯(lián)機(jī)的制冷運(yùn)行性能Fig.3 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different equivalent gas pipeline lengths

1)過冷卻回路EEV開度的影響

由圖3(f)和圖3(g)可知，隨著過冷卻回路EEV開度從0增至50 PLS時(shí)，流向室內(nèi)機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量逐漸減小，主氣管的壓降隨之減小。此后盡管過冷卻回路EEV開度繼續(xù)增大，但由于壓縮機(jī)的吸、排氣壓差持續(xù)減小，過冷卻回路EEV資用壓差減小，因而流向室內(nèi)機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量不再顯著減小。

由圖3(h)～圖3(j)可知，隨著過冷回路EEV開度的增大，壓縮機(jī)功率顯著減小，而總制冷量先增大后逐漸減小，當(dāng)過冷卻回路EEV開度約為45 PLS時(shí)，總制冷量達(dá)到峰值，相比于過冷卻回路EEV關(guān)閉時(shí)的總制冷量可提升4.8%。這是因?yàn)椋?dāng)過冷卻回路EEV開度從0增至45 PLS時(shí)，由于主液管入口過冷度增大，室內(nèi)機(jī)入口比焓降低，室內(nèi)機(jī)的單位質(zhì)量制冷量顯著增加，因而總制冷量提升。但當(dāng)過冷卻回路EEV開度大于45 PLS時(shí)，由于SCHX的節(jié)流側(cè)出口開始呈兩相狀態(tài)，SCHX接近最大換熱能力，而由于主液管入口過冷度逐漸降低，單位質(zhì)量制冷量開始減小，導(dǎo)致總制冷量降低。綜合壓縮機(jī)功率和總制冷量的變化，EER隨過冷卻回路EEV開度的增大先增大后減小，過冷卻回路EEV開度在50～55 PLS時(shí)，EER達(dá)到峰值，相對(duì)于過冷卻回路EEV關(guān)閉時(shí)可提升12.5%。

2)氣體配管等效長(zhǎng)度的影響

筆者曾采用仿真方法研究了配管長(zhǎng)度為10～190 m時(shí)過冷卻回路對(duì)風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響，結(jié)果表明：多聯(lián)機(jī)配管越長(zhǎng)，過冷卻回路對(duì)制冷性能的優(yōu)化潛力越大[10]。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，等效氣體配管長(zhǎng)度變化范圍較小，因而3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異不顯著。但由圖3可知，與等效配管長(zhǎng)度為35 m時(shí)相比，等效配管長(zhǎng)度為91 m時(shí)的總制冷量和EER在最佳過冷卻回路EEV開度時(shí)的提升率更大，這與文獻(xiàn)[10]得出的結(jié)論一致。這是因?yàn)樵陂L(zhǎng)配管情況下氣管壓降較大，開啟過冷卻回路能減小氣管流量從而減小壓降，提升吸氣壓力，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率；而配管較短時(shí)氣管壓降較小，開啟過冷卻回路對(duì)吸氣參數(shù)的改善空間較小，從而對(duì)總制冷量和系統(tǒng)EER的提升潛力也較小。

結(jié)合制冷工況下多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的等效流程(圖4)來(lái)分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在制冷工況下，過冷卻回路等效于一個(gè)“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發(fā)器)”支路和與之并聯(lián)的“SCHX+室內(nèi)機(jī)EEV+室內(nèi)機(jī)換熱器(蒸發(fā)器)”支路。因此，當(dāng)過冷卻回路開啟時(shí)，一方面由于SCHX的作用，室內(nèi)機(jī)換熱器的入口比焓降低，單位質(zhì)量制冷量增大；另一方面，由于流經(jīng)室內(nèi)機(jī)換熱器的制冷劑質(zhì)量流量減小，因此在長(zhǎng)配管情況下氣管壓降減小，吸氣壓力提升，排氣壓力和排氣溫度降低，進(jìn)而提升總制冷量和EER。

圖4 制冷工況下多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的等效流程Fig.4 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in cooling mode

由于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用水冷套管式冷凝器，換熱器內(nèi)容積小，過熱區(qū)的容積較大，當(dāng)過冷卻回路EEV開度增加時(shí)，由于排氣溫度降低，過熱區(qū)的容積比顯著減小，使兩相區(qū)和過冷區(qū)的換熱能力急劇增大，出現(xiàn)過冷卻回路EEV開度增加，導(dǎo)致冷凝壓力顯著下降，對(duì)制冷EER的提升效果明顯。實(shí)際上，對(duì)于風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)而言，風(fēng)冷翅片管冷凝器內(nèi)容積比水冷冷凝器的內(nèi)容積大很多，因此排氣溫度的下降不會(huì)導(dǎo)致冷凝壓力大幅度降低，過冷卻回路對(duì)風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)EER的影響程度也小于對(duì)水冷多聯(lián)機(jī)的影響程度。

2.2 負(fù)荷率的影響

多聯(lián)機(jī)在變工況運(yùn)行時(shí)，根據(jù)室內(nèi)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)和負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。因此，可通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室內(nèi)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)反映總負(fù)荷的大小。對(duì)3種部分負(fù)荷工況時(shí)過冷卻回路EEV開度對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析：1)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為68 r/s+開3臺(tái)內(nèi)機(jī)；2)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為51 r/s+開2臺(tái)內(nèi)機(jī)；3)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速38 r/s+開1臺(tái)內(nèi)機(jī)。實(shí)驗(yàn)條件為：等效氣體配管長(zhǎng)度為91 m，室內(nèi)/外機(jī)入口水溫為17 ℃/37 ℃，室內(nèi)/外機(jī)水流量恒定不變，各室內(nèi)機(jī)EEV控制出口過熱度2～4 ℃。

圖5所示為上述3種負(fù)荷工況下多聯(lián)機(jī)的制冷運(yùn)行性能隨過冷卻回路EEV開度的變化。由圖5可知，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較低(38 r/s)時(shí)，吸氣壓力受過冷卻回路EEV開度的影響不顯著(圖中在40～50 PLS段出現(xiàn)了吸氣壓力下降，是因?yàn)樵撧D(zhuǎn)速條件下開啟過冷卻回路導(dǎo)致排氣溫度和油溫偏低，室外機(jī)啟動(dòng)電加熱帶以加熱壓縮機(jī)底部的潤(rùn)滑油，導(dǎo)致吸氣壓力下降)；當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較高(68 r/s)時(shí)，吸氣壓力隨過冷卻回路EEV開度的增加而明顯升高。排氣壓力和壓縮機(jī)功率均隨過冷卻回路EEV開度的增加而下降。

與不同等效配管長(zhǎng)度下過冷卻回路EEV開度的影響類似，不同負(fù)荷工況下總制冷量的峰值和EER峰值均出現(xiàn)在過冷卻回路EEV開度為45 PLS左右時(shí)，此時(shí)SCHX節(jié)流側(cè)出口制冷劑接近飽和兩相狀態(tài)。

2.3 室外機(jī)入口水溫的影響

在等效氣體配管長(zhǎng)度為91 m、室內(nèi)機(jī)入口水溫為17 ℃、室內(nèi)/外機(jī)水流量恒定不變、開啟3臺(tái)室內(nèi)機(jī)且各室內(nèi)機(jī)EEV控制出口過熱度0～2 ℃，同時(shí)控制室內(nèi)機(jī)的總制冷量恒定在9.1 kW(誤差在±5%)的條件下，對(duì)室外機(jī)入口水溫分別為32、35、37 ℃ 時(shí)過冷卻回路EEV開度對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析(見圖6)。

由圖6(a)和圖6(b)可知，在不同入口水溫條件下，多聯(lián)機(jī)的壓縮機(jī)吸氣壓力、主氣管壓降隨過冷卻回路EEV開度的變化趨勢(shì)一致。因此，入口水溫改變時(shí)吸氣側(cè)運(yùn)行參數(shù)的變化特性無(wú)顯著差異。

由圖6(c)和圖6(d)可知，當(dāng)室外機(jī)入口水溫為32 ℃時(shí)，開啟過冷卻回路對(duì)排氣壓力和排氣溫度的影響程度較??；當(dāng)室外機(jī)入口水溫為35 ℃和37 ℃時(shí)，排氣壓力和排氣溫度隨過冷卻回路EEV開度的增大而明顯降低。室外機(jī)入口水溫越高，排氣過熱度越高，過冷卻回路的開啟對(duì)排氣溫度的降低效果越明顯，因而更能減小過熱區(qū)面積，降低冷凝壓力。

由圖6(e)和圖6(f)可知，對(duì)于室外機(jī)入口水溫為35 ℃和37 ℃的工況，當(dāng)給定目標(biāo)制冷量時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在過冷卻回路EEV開度約為60 PLS時(shí)達(dá)到最小，EER在該開度下達(dá)到峰值。當(dāng)室外機(jī)入口水溫為32 ℃時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和EER隨過冷卻回路EEV開度的增加則無(wú)明顯變化。因此，室外機(jī)入口水溫越高，開啟過冷卻回路的節(jié)能潛力越大。

圖5 不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下改變過冷卻回路EEV開度時(shí)多聯(lián)機(jī)的制冷運(yùn)行性能Fig.5 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different compressor speeds

圖6 不同室外機(jī)入口水溫下改變過冷回路EEV開度時(shí)多聯(lián)機(jī)的制冷運(yùn)行性能Fig.6 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different inlet water temperatures of outdoor unit

3 過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制熱性能的影響

相比于制冷工況，制熱工況下配管長(zhǎng)度對(duì)多聯(lián)機(jī)性能的影響較小。因此，對(duì)于制熱工況，僅考慮負(fù)荷率(改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室內(nèi)機(jī)開啟數(shù)量)為變量進(jìn)行過冷卻回路的影響特性分析。

基于1.3節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法，在等效氣體配管長(zhǎng)度為105 m、室內(nèi)/外機(jī)入口水溫為37 ℃/7 ℃、室內(nèi)/外機(jī)水流量為額定流量、各室內(nèi)機(jī)EEV控制出口制冷劑溫度為40.5～41.5 ℃的條件下，改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與室內(nèi)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)，研究過冷卻回路EEV開度對(duì)多聯(lián)機(jī)制熱性能的影響(圖7)。

由圖7(a)～圖7(e)可知，當(dāng)過冷卻回路EEV開度逐漸增大至約50 PLS時(shí)，SCHX節(jié)流側(cè)出口制冷劑呈兩相狀態(tài)，對(duì)應(yīng)吸氣過熱度和排氣溫度達(dá)到最小值，因此開啟過冷卻回路能夠降低排氣溫度。但過冷卻回路EEV開度的變化對(duì)吸氣壓力和排氣壓力的影響不顯著。由圖7(f)～圖7(h)可知，隨著過冷卻回路EEV開度的增大，壓縮機(jī)功率、總制熱量和制熱COP均無(wú)顯著變化。

在圖7中，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為68 r/s，過冷卻回路EEV開度大于50 PLS時(shí)，吸氣過熱度、排氣壓力和排氣溫度升高。這是因?yàn)椋?dāng)過冷卻回路EEV開度進(jìn)一步增大時(shí)，SCHX達(dá)到最大換熱能力，室外機(jī)換熱器的入口比焓不再減小，而制冷劑質(zhì)量流量持續(xù)減小，其出口過熱度增大。由于需保證蒸發(fā)器出口過熱度恒定，因而室外機(jī)主回路EEV的開度將增大，以降低蒸發(fā)器出口過熱度，導(dǎo)致室外機(jī)換熱器的制冷劑質(zhì)量流量增大，實(shí)際旁通率反而降低，因此吸氣過熱度、排氣壓力和排氣溫度逐漸升高。

結(jié)合圖8所示的制熱工況下多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的等效流程分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在制熱工況下，過冷卻回路可等效為一個(gè)“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發(fā)器)”支路和與之并聯(lián)的“室外機(jī)主回路EEV+室外機(jī)換熱器(蒸發(fā)器)”支路以及置于并聯(lián)支路之前的“SCHX”。當(dāng)過冷卻回路EEV開度從0逐漸增大時(shí)，由于SCHX的作用，室外機(jī)換熱器入口的比焓減小，單位質(zhì)量換熱量增加，但制冷劑質(zhì)量流量減小，二者的綜合作用使室外機(jī)換熱器的換熱量變化較小。

隨著過冷卻回路EEV開度繼續(xù)增大，“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發(fā)器)”支路的出口過熱度低于室外機(jī)換熱器的出口過熱度時(shí)，壓縮機(jī)吸氣過熱度降低，壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量略有增加，但由于壓縮機(jī)的排氣溫度降低導(dǎo)致總制熱量變化較小；此外，由于室外機(jī)換熱器至壓縮機(jī)吸氣口的管路較短，開啟過冷卻回路對(duì)壓縮機(jī)吸氣壓力無(wú)提升作用，因此壓縮機(jī)功率無(wú)顯著變化。綜合總制熱量和壓縮機(jī)功率的變化可知，過冷卻回路的開啟與否對(duì)制熱COP無(wú)顯著影響。

圖8 制熱工況下多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的等效流程Fig.8 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in heating mode

4 過冷卻回路控制策略探討

由前文所述過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷和制熱性能的影響可知：

1)在制冷工況下，開啟過冷卻回路能夠增大主液管制冷劑的過冷度，保證長(zhǎng)配管情況下室內(nèi)機(jī)EEV的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，不僅能改善吸、排氣參數(shù)，而且在一定旁通率范圍內(nèi)能夠提高總制冷量和制冷EER?？傊评淞亢椭评銭ER峰值對(duì)應(yīng)的過冷卻回路EEV最佳開度(或過冷卻回路的最佳旁通率)處于SCHX節(jié)流側(cè)出口制冷劑接近飽和兩相狀態(tài)點(diǎn)，并且對(duì)應(yīng)于主液管入口最大過冷度狀態(tài)點(diǎn)。室內(nèi)、外機(jī)之間的配管越長(zhǎng)、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大或室外機(jī)進(jìn)水溫度越高，則最佳過冷卻回路EEV開度下多聯(lián)機(jī)的總制冷量和制冷EER的改善效果越顯著。

2)在制熱工況下，過冷卻回路的開啟能夠增大室外機(jī)主回路EEV入口的制冷劑過冷度，防止閃發(fā)以保證EEV的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，并對(duì)排氣溫度有一定程度的降低作用，但對(duì)系統(tǒng)的制熱量、壓縮機(jī)功耗和制熱COP無(wú)顯著影響。

總之，無(wú)論制冷還是制熱工況，過冷卻回路的開啟均能改善EEV的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性；在制冷工況下，配管長(zhǎng)度越大、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大或室外機(jī)進(jìn)水溫度越高，過冷卻回路的節(jié)能潛力越大。由第2節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，配管長(zhǎng)度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外機(jī)進(jìn)水溫度均與排氣溫度呈正相關(guān)，即配管越長(zhǎng)、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越大或室外機(jī)進(jìn)水溫度越高，壓縮機(jī)排氣溫度越高。因此，可將排氣溫度作為反映配管長(zhǎng)度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外環(huán)境溫度的參數(shù)，從而作為制冷工況下過冷卻回路開啟的判據(jù)。

對(duì)于實(shí)際多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)以調(diào)節(jié)穩(wěn)定性作為過冷卻回路的優(yōu)先控制目標(biāo)，進(jìn)而優(yōu)化控制其節(jié)能性。本文提出多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的控制策略如下：

1)在制冷工況下，過冷卻回路的開啟判據(jù)至少滿足如下二者之一：室外機(jī)模塊出口制冷劑的過冷度小于過冷度限值(Tsc0)；壓縮機(jī)排氣溫度大于溫度限值(Tdis0)。開啟過冷卻回路之后，EEV開度的調(diào)節(jié)采用以下兩個(gè)控制目標(biāo)(優(yōu)先級(jí)依次降低)：室外機(jī)模塊出口制冷劑過冷度大于或等于過冷度目標(biāo)值(Tsc_set)；SCHX節(jié)流側(cè)出口制冷劑過熱度(Tsho_set)控制在較低范圍內(nèi)(如0 ℃

2)在制熱工況下，由于主液管中的制冷劑通常為中壓兩相狀態(tài)，因此有必要開啟過冷卻回路對(duì)其進(jìn)行冷卻，以提高控制穩(wěn)定性。因此，制熱工況下的控制策略為：無(wú)論配管長(zhǎng)度和高差大小如何，在制熱工況下均開啟過冷卻回路，并通過過冷卻回路EEV開度控制SCHX節(jié)流側(cè)出口制冷劑的過熱度維持在較低范圍內(nèi)(如0 ℃

5 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了長(zhǎng)配管多聯(lián)機(jī)的過冷卻回路EEV開度對(duì)其制冷和制熱性能的影響，從調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和節(jié)能性角度提出多聯(lián)機(jī)過冷卻回路的控制策略，得到如下結(jié)論：

1)在制冷工況下，過冷卻回路的開啟能夠改善吸、排氣參數(shù)，在一定的過冷卻回路EEV開度范圍內(nèi)能提升總制冷量和EER，配管長(zhǎng)度越大、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或室外環(huán)境溫度越高，過冷卻回路對(duì)多聯(lián)機(jī)制冷性能的優(yōu)化潛力越大?？傊评淞亢虴ER峰值所對(duì)應(yīng)的過冷卻回路EEV開度出現(xiàn)在SCHX節(jié)流側(cè)出口接近飽和兩相狀態(tài)點(diǎn)。

2)在制熱工況下，開啟過冷卻回路能提高室外機(jī)EEV的調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，但對(duì)吸/排氣壓力、壓縮機(jī)功率、制熱量和COP的影響均不顯著。

3)在制冷工況下，可采用室外機(jī)模塊出口制冷劑的過冷度和壓縮機(jī)排氣溫度作為過冷卻回路的開啟判據(jù)，以室外機(jī)模塊出口制冷劑過冷度(優(yōu)先)和SCHX節(jié)流側(cè)出口過熱度作為過冷卻回路EEV開度調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)參數(shù)；在制熱工況下，應(yīng)開啟過冷卻回路，并采用SCHX節(jié)流側(cè)出口過熱度作為過冷卻回路EEV開度調(diào)節(jié)的控制目標(biāo)參數(shù)。