用于控制分析多蒸发器变制冷剂流量空调系统通用仿真模型

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1、用于控制分析的多蒸发器变制冷剂流量空调系统的通用仿真模型用于控制分析的多蒸发器变制冷剂流量空调系统的通用仿真模型朱永华，金新桥，杜智敏，范博，付思杰上海交通大学机械工程学院，上海，200240，中国文章信息：文章信息：文章历史：文章历史：2013 年一月 24 收到 2013 年四月 27 收到修订版2013 年四月 28 接受 2013 年五月 18 在线提供关键词：关键词：制冷系统 变制冷剂流量 模拟 通用算法 控制分析摘要：摘要：指出变制冷剂流量（VRF）系统的 AGM-I 和 AGM-II 性能和控制分析的通用仿真模 型被开发。首先，从零部件到整个 VRF 系统的仿真模型得到解决。然后

2、仿真模型采用报道 的公开文献的实验数据验证。平均误差百分比来预测系统的制冷量，能源消耗和 COP 分 别是 4.69，4.64，1.19。最后，进行测试。结果表明，建立的模型进行快速计算和 蒸发器的数量无关。从点的计算速度，AGM-Ii 更适合于多蒸发器 VRF 系统，而 AGM-II 更适合一个蒸发器的 VRF 系统。测试结果表明系统模型对变化条件很好的反应能力，包括 蒸发器入口空气温度，室外空气温度，压缩机转速的电子膨胀阀的开度，这都是非常重要 的变量控制分析。1.简介简介节能降耗的目的和空调系统在同一栋楼的独立单位拥有不同的服务区域的需求，鼓励 多蒸发器变制冷剂流量（VRF）系统的普及，

3、如商业建筑，如写字楼，商场，旅馆等。多 蒸发器的 VRF 系统，也称为多联机 VRF 系统，采用变制冷剂流量的技术，是一种制冷系 统包括一个室外机和多个室内机，室外机的变频压缩机和位于每个室内机电子膨胀阀调节 制冷剂流量（EEVs）来匹配空间冷/热负荷以维持设定点的空气温度（aynur 等人。 ，2009）。所称的多蒸发器的 VRF 系统将以下面的 VRF 系统简称。据称，由于良好的部 分负荷性能，并热传递直接从制冷剂到空气，VRF 系统具有更好的节能潜力比传统的 HVAC（加热，通风和空调）系统，如中央空调系统，FPFA（风机盘管加新风）系统等 （Zhou 等，2007; Aynur 等人，

4、2008 年 a，2008 年 b;李等人，2009 年;刘和洪，2010）。 虽然多联机 VRF 系统被广泛应用，但只有有限数量的 VRF 系统的研究可以在公开的文献 中被发现。在 VRF 系统中，由于各室内机的操作条件的差异，一个室内机的操作参数会影 响其它室内机（陈等人。，2005）。这是 VRF 系统和单蒸发器系统之间的主要区别。此 外，性能如冷却/加热能力和现场测试获得的能效，有时与他们的期望大大不同（夏等人。 ，2004）。因此，它能够精确地识别动态特性和发展为 VRF 系统仿真模型是比较困难的。 许多努力都渐渐花在 VRF 系统的稳态仿真系统的设计与控制（基本和优化）。崔和基姆

5、（2003）研究能力的调制方法，通过实验和数值模拟。石等。（2003）开发了一种流体网 络模型来模拟具有两个室内单元的三管 VRF 系统的性能。陈等人。（2005）采用黑盒方 法相对简单的模型研究了三蒸发器系统控制性能，该方法被优先发展。Zhou 等人。（2007）开发了用于 VRF 系统中的 EnergyPlus 的模块，以试图预测和评价的多联式空调 系统的能源的使用水平，来与其他的暖通空调系统比较。该模型通过拟合曲线与利用厂家 提供的数据的各种校正因子。类似的研究可以在 Li 等人 （2009）对于于月和季节冷却能 耗和水冷 VRF 系统的总功率消耗的研究中发现。Aynur 等。（2008

6、A，2008B）评估 VRF 系统的性能，通过实验和仿真方法。然而，大多数这些模型要么只对一个特定的空调机， 要么只针对子系统的细节，或者仅仅用于分析整个系统图的性能。此外，仿真模型的 VRF 系统调控的目的不是经常参与。直到最近，他和浅田（2003）提出了一种新的 VRF 系统 先进控制反馈线性化方法。仿真结果表明，在蒸发温度和过热度控制性能好。Shah 等。 （2004）使用平均空隙率和移动边界的方法来开发用于设计先进的闭环控制器的 VRF 系 统模型。林和叶（2007 年）讨论了反馈控制设计，三重蒸发器空调（TEAC）通过系统识 别。识别程序产生一个低阶的线性模型，适用于控制器的设计。此

7、外，少数研究了模糊逻 辑控制的概念（邱等人。，2009）。应当指出，上述大部分的研究主要集中在单独的蒸汽 压缩循环。室内温度经常被视为常数参数，而非动态变量。鉴于所有这些，没有公知的模 拟软件可普遍用于 VRF 系统的性能以及控制分析。然而，对于 VRF 系统，控制是非常重 要的，因为 VRF 系统是复杂的且其运行性能完全取决于控制。根据上述考虑，本文旨在开发一个 VRF 系统的仿真模型，方便的表现进一步调查，以 及基本的和最优控制分析。其中一个目标是开发一个通用的模型，即蒸发器数独立的仿真 模型。对于用于控制分析蒸发器众多独立仿真模型，它是计算速度应加快的一个关键问题。 在这项研究中，建立了

8、多分裂的 VRF 系统组件模型，它将包含热，液压，机械特性和能量 特性。 VRF 系统模型，即仿真算法，被开发了。VRF 系统仿真的各种试验验证已经完成。调查的其余部分安排如下。第 2 节给出基本组件模型的数学描述。系统仿真模型的开 发和讨论在第 3 节。仿真模型的验证是在第 4 节中进行的，而试验和案例研究的调查在第 5 部分。第 6 节概述了本项研究。2元件的数学模型元件的数学模型一个常见的多联机 VRF 系统具有多个室内机和室外机。位于每个区域的室内机并联连 接到室外机的制冷剂管道。所有来着所有室内单元（蒸发器）的制冷剂混合，然后流到压 缩机进行吸气。室机元由一个或多个压缩机构成，其中一

9、个一般是速度可变的。变频压缩 机允许宽范围容量调节当为高部分负荷效率的多联机 VRF 系统（goetzler，2007） 。通过 控制压缩机的转速，室外机的调节能力通过改变排出的制冷剂质量流量，为了满足所有区 域所需的总的冷却或加热负载。室内机一般由一个热交换器，一个电子膨胀阀，温度传感 器和一个风扇构成。一种多联机 VRF 系统的概念模型如图 1 所示。 该系统的仿真模型是在多联机 VRF 系统的各个部分的组件模型上建立的。系统仿真开 始后构件模型之间会发生大量和频繁的耦合计算，太复杂的组件模型，将导致计算量大， 或无法计算时间，甚至不稳定的收敛性。从而简单但仿真精度不低的组件模型是优选，特

10、 别是当仿真模型被用于控制分析。从这一点来看，组件模型，在下面的小节将采取一些简 化方法考虑。为了清楚起见，仅主要部件包括旋转式压缩机（变速） ，空气冷却翅片管式换 热器（冷凝器和蒸发器） ，电子膨胀阀（EEV）被精心建模。其他配件都视为一个单一的成 分，其中只有制冷剂和周围环境之间的热传递被认为或给定值来表示。从其它制冷剂管路 的制冷系统内的热增益或损失要么被忽视，由于良好的热绝缘，要么被给定固定值由于需 要简洁的缘故。解释的相关性（Monte，2002）和空气状态的相关建议被 ASHRAE（2009）分别用 来描述各种热力学和热物理特性的制冷剂 R410A 和空气。图.1 - 多联机 VR

11、F 系统的示意图。2.1 变频压缩机变频压缩机一般来说，一个多变压缩可用于压缩机的假定，和压缩过程建模为一个稳态过程，由 于压缩机的瞬态特性通常可以忽略不计，相比于蒸发器或冷凝器（杜普雷等人。 ，2007） 。 压缩机转速被考虑在模型不同的容量控制。建模时，压缩机的转速被认为瞬间达到指定的 速度。旋转式压缩机，它在 VRF 系统中经常用到，在本文中被模拟。 、 来自压缩机的质量流量方程：其中 n 是转速，Vcom，th 和 hcom 分别是位移量和压缩机容积效率，gr1 是压缩机的 吸气制冷剂比容（下标“r1”代表制冷剂在点 1 如图 1 所示，下同） 。 压缩机的排量体积流量的计算方法是：(

12、2)(2)其中，r 是转子的半径，L 为圆柱的行程， 是转子的偏心度。 可变速度压缩机的容积效率，制冷剂进入压缩机的实际体积与压缩机的几何位移的比率（Navarro 等，2007） ，是压缩机的非常重要的性能指标。 它主要受吸入阀和排出阀，气缸的余隙容积，气相过程中吸入过程的温升，和蒸气泄 漏的流动阻力影响（田等人，2009） 。它被定义为四个系数的乘积：这里是间隙系数，这是节流系数，是预热系数，和是密封系数。显然，容积效率随这四个系数的增加而增加。可以分析出这四个系数对容积效率的内 部和外部参数的影响。一旦结构固定，压缩机的容积效率主要是由外部参数包括压缩比， 压缩机的转速等影响。 保持其他

13、参数不变，间隙系数，节流系数随压缩率的密封系数降低。另一方面，制冷 剂吸气温度可能会减少，由于压缩比的增加。因此，压缩机的容积效率随压缩比增加而降 低。当压缩机的转速是改变，四个系数以不同的方式变化。制冷剂蒸汽流量的上升会导致 压力损失增加，节流系数相对于压缩机的旋转速度的增量减少（田等人，2009） 。然而， 吸入蒸汽的温度升高和泄漏率降低，预热系数和密封系数增加。因此，容积效率的变化是 由这些系数的联合作用决定。 压缩机的输入功率的计算：式中，k 表示多变指数。表示所指示的效率，这是通过从曲线拟合所述压缩机的相关性能数据而得到的多项式的相关性进行评价。 制冷剂蒸气离开压缩机的焓是基于能量守

14、恒原理计算：其中 wloss 表示周围环境中的热损失，通过压缩机本体外壳，这是制冷剂的温度和周 围的空气温度和速度的的函数 。 2.22.2 电子膨胀阀（电子膨胀阀（EEVEEV）电子膨胀阀通常是由步进电机驱动程序控制。被视为瞬时电子控制信号的传输。因此， 电子膨胀阀的动态应该主要是步进电机的动作，这需要一定的时间来达到所需的阀值（陈、 邓，2006）。在一个固定的过程中可以将 EEV 看作是一个等焓节流。通过电子膨胀阀的制 冷剂流代表一个方程的解，其质量流率计算由是流通面积，假定为线性的阀开，是入口和出口之间的压力差，是入口制冷剂的密度，CV 是流量系数。Vr4 是制冷剂离开电子膨胀阀的比容

15、。2.32.3蒸发器蒸发器假设蒸发器是对流翅片管式。一般来说，从蒸发器蒸发的制冷剂是设计用来防止压缩 机过热。因此，建模时，蒸发器的制冷剂侧被分为两个区域：过热区和二阶段区。 到目前为止，仿真蒸发器的模型可以分为三类：集中参数模型和分布参数模型和多区模型。 集总参数模型过于简单，反映在不同的阶段具有不同的传热过程，所以误差很大。然而， 分布参数模型的收敛性差，这将花费太多的时间来求解模型（Ding 等人。，2004）。有精 度，收敛性，和计算速度都需要考虑，多区模型是最好的选择。二阶段区进一步划分为几 个控制量，集中方法用传热和每控制单位的压降建模。最终的控制量的输出是下一个的输 入。 为了简

16、化数学模型做以下几点假设：在管内制冷剂的流动是一维的；在所有交叉区域，制冷剂和空气的热力学属性是相同的；制冷剂液体和蒸气相在热力学满足动态平衡；制冷剂和空气的重力忽略不计。2.32.31 1 制冷剂侧制冷剂侧对于每个控制单元，质量和能量的平衡可以用以下方程表示：在方程（8）和方程（9）中，m 代表制冷剂质量流动率，h 代表制冷剂焓，F 代表内部热交 换区域。在单过程制冷情况下，方程（9）的对流热传导系数用代替，由 Dittus-Boelter 系数计算。至于没有阶段转换的单阶段区域，假设压强损耗只由制冷剂的摩擦力引起，摩擦力系数经 验公式为：f 是摩擦力系数，其经验公式由 Geary（1975）总结。对于二阶段制冷剂，方程（9）中的对流热传导系数用 alpha r，sp 替换，可由单阶段对流 热传导系数乘以一个引子获得。Xtt 是 Martinelli 常数，由公司（15）给出：在方程（10）-（15）中，Re 是制冷剂的 Reynolds 常数，Pr 是制冷剂的 Prandtl 常数，v 是制冷剂的热传导性，u 是制冷剂的粘黏度，m 是制冷剂所控制值的质量流率，x