大容量新风处理机制热控制目标的优化与实现

涂 虬 冯自平 董凯军 冯玉海 毛守博 国德防 唐 圣 逄 鹏

(1 中国科学院广州能源研究所 广州 510640; 2 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室 广州 510640；3 海尔空调电子有限公司开发部 青岛 266101)

目前，基于VRF空调系统的新风处理机已经逐渐开始应用[1-4], 该机组不同于组合式空气处理机，外机直接采用技术成熟的VRF空调室外机，室内机构造和VRF空调室内机相同，采取特有的控制方法，以达到目标设定的出风温度，为室内引入新风，清除室内不断产生的空气污染物，改善空气品质，保持室内空气的清新健康。其原理是采用冷媒直接蒸发式制冷(制热)，通过调节设在新风机液管上的电子膨胀阀开度自动控制制冷剂循环量，以实现目标出风温度。其特点是改变配管长度和通过调节风管上的调压阀门实现机外静压可调，从而达到调节风量的目的，易于满足不同大小、不同距离的空间舒适新风需求。

由于该类新风处理机静压和风量可调，而且静压变化范围宽(如静压调节范围100～200Pa或200～300Pa)，加之要求使用的环境温度范围广(如制热时室外环境温度-5～20℃)，其控制难度大，普通VRF系统的控制方法已经不适用。目前公开发表的文献，只限于谢春辉[1]对新风机制冷提出了简单的设计措施，如加大蒸发面积、配置优质膨胀阀和气液分离器、加装压力传感器、针对低温制冷采用有效的蒸发器除霜措施，实际上这些都是普通VRF空调上使用的措施，而且没有给出制热的控制方法。其余文献都局限于实验分析及新风处理方式的探讨，如文献[2]通过实验分析了制冷剂配管长度对全新风风管送风式空调机组性能的影响，总结了机组制冷量、EER、排气压力、吸气压力、排气温度、制冷剂配管压降等参数随制冷剂配管长度变化的规律，对机组安装配置及工程应用有一定的参考价值，但是并没有分析这些参量间的耦合关系，而实际上这些参量是相互影响的，任何一个变量发生变化，都会对其它变量产生影响。文献[3]定性分析了VRF空调系统新风处理方式的合理性，但没有给出实验结果和工程应用的情况。

实际上，新风机的控制具有自身的特点，既要达到设定的出风温度，还要保证系统稳定可靠运行，而且实现高能效，其控制方法尤为重要。另外，对新风机低温制热，出风温度难以达到设计目标，特别是对大容量新风机，如16HP及以上的新风机，电机采用三相电机固定转速，不能通过切换风机转速减小风量来实现低温制热22℃目标出风温度，因而优化设计大容量的新风机，在不同静压不同环境温度下实现稳定可靠的运行，具有非常重要的意义。特别是对制热运行，因为制热环境温度范围宽，环境恶劣，还涉及到机器结霜除霜等问题。

1 优化设计模型

曾开发出的10HP新风机，试验表明目标冷凝温度对系统稳定可靠运行是至关重要的参量。如果采用普通VRF制热控制方法，即以固定的冷凝温度如45℃为控制目标，调节压缩机能力输出，通过调节电子膨胀阀开度来控制制冷剂流量，以达到制热目标出风温度，试验证明这种控制方法是不可行的。对名义制热(外机室、内机室7℃DB，6℃WB)试验，系统排气温度、油温高达108℃，出现频率频繁波动的现象，对最大制热，即使内机阀开度调节到最小开度80PLS，出风温度仍会远高于22℃的设定目标，特别是静压增加时，风量减小，新风机换热效果降低，会出现出风温度高达36℃的情况，而且按照该控制方法系统运行频率高，不节能。另外，对低温制热、除霜，由于环境温度低，即使系统运行频率高达120Hz，而实际冷凝温度只能达到30～32℃。因而这种控制方法是不可行的，应采取变目标冷凝温度的控制措施，即不同环境温度下对应不同的目标冷凝温度。

假定目标冷凝温度为Tc,tar，换热修正系数为ε，定义式为

(1)式变形得到

式中：Tout、Tar、Tc,tar分别为出风温度、回风温度、目标冷凝温度；Tc,min、Tc,max分别为最小和最大目标冷凝温度。

为防止目标冷凝温度过低，系统运行频率低，导致排气温度、油温过低损坏压缩机，定义Tc,min=30℃。另外，为防止目标冷凝温度过高，系统运行频率高，导致排气温度、油温过高出现频率波动或者出风温度过高的现象，定义Tc,max=40℃。

对10HP新风机，通过试验确定出换热修正系数为0.69，新风机阀最小开度为80PLS。按照以上优化模型计算得出的名义制热、最大制热、除霜、低温制热的目标冷凝温度分别为35℃、38℃、32℃、30℃。

按照该模型确定出的目标冷凝温度和新风机电子膨胀阀的最小开度进行16HP大容量新风机试验。

2 实验现象及问题分析

2.1 新风机系统介绍

新风机系统安装图和结构图如图1所示。

图1 新风机系统安装示意图及新风机结构图Fig.1 Installation schematic diagram of FAP system and structure diagram of FAP

新风机外机采用普通的VRF空调，其系统原理图如图2所示。通过设定目标冷凝温度来控制压缩机运行频率，通过调节新风机的电子膨胀阀开度，达到目标出风温度。对制热，需要达到的适宜的出风温度为20～25℃，控制目标温度为22℃。

图2 16HP大容量新风机系统原理图Fig.2 Principle schematic diagram of 16HP FAP system

图2中：Tdi, Td1, Toil, Ta, Tdef, Toci, Tc1, Tc2, Tar, Tout分别为相应的温度传感器测到的变频压机排气温度、定频压机排气温度、油温、外环温、除霜盘管温度、冷凝器出口气管温度、新风机气管温度、液管温度、回风温度、出风温度；EEVa1，EEVa2分别为室外机和室内机电子膨胀阀；SV1，SV2为电磁阀。其中Toci温度传感器是用来控制制热时外机电子膨胀阀开度，控制目标为Toci过热度6℃。

2.2 试验装置

试验外机采用已经开发并成功应用的16HP外机，型号为KMR-450W/D532B，压缩机为直流变频压缩机(型号ANB52FKEMT)和一台定频压缩机(型号BN65YFHMT)并联，外机采用2个电子膨胀阀，型号为HAM-BD24FKS。16HP新风机型号为KMR-450E/XH532A，风机采用三相电机，额定功率1.5KW，双风扇，静压范围为200～300Pa。考虑到新风机普遍存在低温制热效果差，需要加大制冷剂流量，采取大口径电子膨胀阀，口径为3.2mm，型号为HAM-BD32FKS。

试验在海尔空调电子有限公司焓差室进行，采用焓差室测试平台监控软件监测出风干/湿球温度、外机侧、内机侧干/湿球温度、风量、静压、制冷(热)量、功率。采用自编的监控软件监测系统运行参数和状态，如各温度、压力、压缩机运行频率、电子膨胀阀开度以及室外风机、电磁阀、四通阀开关状态。

由于新风机是从室外引回风，试验时可以把室外机、新风机分别装在焓差室的外机室、内机室，把两侧调到相同的环境温度进行实验。不同工况下的环境温度见表1。

表1 新风机制热运行工况Tab.1 Experimental environmental condition of FAP

2.3 试验现象与分析

按照表1中的环境温度分别在静压ΔP=200Pa和300Pa 下进行试验。

2.3.1 名义制热

调节内机室、外机室工况均为7℃DB、6℃WB，按照制热目标冷凝温度Tc,tar=35℃，新风机电子膨胀阀最小开度80PLS，在静压200Pa和300Pa下进行名义制热试验。试验发现200Pa静压下名义制热运行正常，系统运行稳定，但静压为300Pa时，出现系统运行不稳定的现象，见图3、4所示。

图3 Tc,tar =35℃, ΔP=200Pa名义制热试验曲线Fig.3 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =35℃, ΔP=200Pa

图4 Tc,tar=35℃, ΔP=300Pa名义制热试验曲线Fig.4 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar=35℃, ΔP=300Pa

图3中给出一个外机阀开度，另一个阀的开度在另一个曲线界面中，在冷媒分流情况较好时，两个阀的开度基本相同。300Pa静压下出现特殊回油过程：当系统运行时，定频压缩机停机而变频压缩机频率小于60Hz，持续30分钟，进行一次特殊的回油过程，定频机开启，变频机以30Hz运行，目的是加大压缩机输出能力、提高回油效果、防止压缩机缺油。

从图4可以看出：当Tc,tar=35℃，静压为300Pa时，系统运行不稳定，外机电子膨胀阀开度LEVa1、频率INV_F，排气温度Tdi、油温Toil、排气压力Pd和对应的饱和温度Pd_t、出风温度Tout波动明显。

原因分析如下：系统按照目标冷凝温度35℃控制压缩机输出能力，当静压为300Pa时，风量为3000m3/h，远低于200Pa静压时的风量5000m3/h，系统运行频率较200Pa时低，导致排气温度过热度或油温过热度(油温与冷凝温度之差)低于20℃，为防止出现过热度偏低，外机电子膨胀阀关小，以提高排气温度和油温。但是随之而来，排气压力和对应的冷凝温度上升，冷凝温度达到36℃。按照控制功能要求，为防止频率频繁波动，在冷凝温度为(35±1)℃时，压机频率保持不变，但是排气温度和油温上升得较快。过热度超过25℃以上，外机阀由Toci过热度控制，而不进行排气过热度的修正，阀的开度增大，此时排气压力和冷凝温度下降较快，冷凝温度降低到32℃，频率又开始上升。在外机阀开度增大和频率上升的综合作用下，排气温度和油温表现为下降，降低到25℃以下，外机阀开度进行排气温度过热度修正，阀的开度减小。如此反复，导致各参量频繁波动。以上试验结果可以看出室内机、外机的状态参数之间相互耦合的关系，任何一个参量的变化都会对其它产量产生影响。

相反，当静压为200Pa时，其风量较300Pa时的风量大，相同频率下排气压力及对应的冷凝温度较300Pa时低，为达到目标冷凝温度，运行频率较300Pa时高，排气温度和油温过热度大于25℃以上，外机阀开度按照Toci过热度控制，不会出现由于排气温度、油温偏低而使频率频振荡，导致其它运行参量随之波动的现象。

改用普通VRF系统制热控制方法，即采取固定的45℃目标冷凝温度，在200Pa、300Pa下分别进行名义制热，试验运行正常，如图5、6所示。

图5 Tc,tar =45℃，ΔP＝200Pa名义制热试验曲线Fig.5 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=200Pa

图6 Tc,tar =45℃，ΔP＝300Pa名义制热试验曲线Fig.6 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=300Pa

实验结果表明对名义制热，当目标冷凝温度为45℃时，实验运行稳定，没有波动现象。但是系统运行频率高，能耗高，不节能。而且300Pa静压时，出风温度高达28℃，高于设计要求。

对比10HP新风机名义制热，当目标冷凝温度为45℃时，出现由于运行频率达120Hz，使排气温度、油温过高出现频率波动，继而导致其它运行参数随之波动的现象。而当目标冷凝温度为35℃时，运行正常。

对比表明：对16HP新风机，目标冷凝温度35℃偏小，应提高目标冷凝温度。其原因在于16HP新风机外机采用双风扇，风量14000m3/h远大于10HP新风机外机风量10000m3/h，而内机风量相差不大，因而相同频率下16HP新风机排气压力和对应的冷凝温度较10HP高，这样在较低频率下即可达到目标冷凝温度35℃。在这种情况下，如果静压加到到300Pa，内机风量减小，排气温度和对应冷凝温度更高，运行频率更低，此时出现因排气温度或油温低导致频率和其它参数波动的现象。

2.3.2 最大制热

图7 Tc,tar =38℃, ΔP＝200Pa最大制热试验曲线Fig.7 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=200Pa

图8 Tc,tar =38℃, ΔP＝300Pa最大制热试验曲线Fig.8 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=300Pa

进行环境温度为15℃DB、10℃WB最大制热试验，目标冷凝温度为38℃。试验发现静压为200Pa时，系统运行正常，但是当进行300Pa静压试验时，出现低排气故障停机现象。试验结果如图7、8所示。

从图8可以看出：外机阀已经调节到最小开度96PLS，但是仍然出现排气温度过低故障停机的现象。这表明对最大制热，目标冷凝温度38℃过小，导致运行频率低，出现排气温度过低故障。再次表明换热修正系数 ε=0.69 选取不合理。

2.3.3 低温制热

考虑到低温制热(内机室、外机室-5℃DB，-6℃WB)环境温度过低，排气压力和对应的冷凝温度会降低，尤其是200Pa时风量大，排气压力和冷凝温度会更低，出风温度难以达到目标出风温度，在确定出目标冷凝温度之前，按照45℃目标冷凝温度进行试验。实验结果见图9所示。

从图9可以看出：静压为200Pa低温制热，变频压缩机和定频压缩机均开启运转(定频压缩机运行曲线在另一曲线界面上显示)，且变频压缩机以最高频率120Hz运转，系统运行正常，频率、排气温度、油温、外机阀开度、内机阀开度没有出现波动现象，但是冷凝温度只能达到31℃，且内机阀开度达到最大开度480PLS，出风温度只能维持在18℃度。进一步分析发现：外机阀开度按照Toci过热度6℃控制，系统运行稳定，过热度一直维持在6℃，外机阀开度保持在96PLS，导致冷媒循环量减少，即使内机阀全开，但是出风温度低于22℃目标温度。分析表明为提高出风温度需要对外机阀的控制进行修正，加大开度，增加冷媒循环量。

图9 Tc,tar =45℃, ΔP＝200Pa低温制热试验曲线Fig.9 Experimental curve of low temperature heating under the condition of Tc,tar =45℃, ΔP=200Pa

3 优化方法改进及实验验证

以上试验表明目标冷凝温度对系统稳定可靠运行是很重要的参量。当 ε=0.69 时，对名义制热，目标冷凝温度35℃过低，导致300Pa静压下，排气温度和油温偏低，出现外机阀开度波动频繁的现象，从而导致系统运行频率、温度等参数波动。对最大制热，目标冷凝温度38℃，出现低排气现象。但是如果目标冷凝温度选取过高，会导致系统在高频下运转，出现排气温度或者油温过高，同样导致系统频率振荡，继而影响其它参数波动的现象。另一方面，系统运行频率高，会导致COP降低，不能实现节能的目的，而且出风温度远高于目标温度，影响了室内环境的舒适性。因而换热修正系数 ε需要试验重新确定。

对低温制热，200Pa静压，压缩机100%能力输出，冷凝温度最大只能达到31℃，出现出风温度偏低现象，其原因是外机阀开度过小，需要重新进行修正其控制。

3.1 低温制热

分析图9可以看出：按照Toci过热度6℃控制外机阀开度，外机阀开度维持在最低开度96PLS，但是此时排气温度达到90℃，过热度为59℃，远大于压缩机要求的安全过热度15℃，因此当排气温度大于25℃，按照Toci过热度6℃控制方法不合理，仅仅考虑到防止油温、排气温度过低产生回液现象，而忽视了制热效果。当排气温度过热度过高时，需要进行修正，以加大外机阀开度，增加冷媒循环量，提高出风温度。

为验证外机阀开度对制热效果的影响，采取手动调节外机阀开度，进行制热实验，实验结果见图10。

图10 低温制热时电子膨胀阀不同开度下的试验结果Fig.10 Experimental results of low temperature heating at different opening of EEV

图10表明：随着外机阀的开度增大，排气温度及排气温度过热度下降较明显，但是冷凝温度及出风温度上升，当阀的开度达到220PLS时，出风温度达到20～21℃，平均温度20.5℃，达到设计要求。但是当继续增加到250PLS时，出现低排气停机现象，图中曲线显示频率为0，温度过热度为0℃，出风温度-5℃，即为回风温度。

对比分析图9、10，提出如下制热外机阀控制方法：制热通常情况下按照Toci过热度为6℃控制外机阀开度，当排气温度过热度或油温过热度大于40℃，持续1分钟，Toci过热度每分钟减小1℃；当排气温度过热度或油温过热度在25～30℃，保持当前的过热度控制；当在30～40℃，恢复到通常的过热度，即6℃。为防止排气温度和油温过低，当排气过热度或油温过热度小于25℃，过热度每分钟加1℃ 。为防止过热度修正过大，定义过热度范围2～10℃。

按照程序控制运行的试验曲线如图11所示。

图11 修正后的200Pa静压低温制热实验曲线Fig.11 Experimental curve of low temperature heating under ΔP=200Pa by revised control of EEV

图11可以看出：外机阀开度随排气过热度变化进行修正，出现平缓的波动调节，但是出风温度、排气压力和低压压力较平稳，出风温度可以维持在20～21℃，达到设计要求。当静压为300Pa时，出风温度可以稳定在22℃。

3.2 名义制热

低温制热目标冷凝温度31℃，按照公式(1)计算得到 ε=0.66，由(2)式计算得到名义制热下目标冷凝温度为37℃。按照该目标温度进行200Pa、300Pa实验，实验结果见图12、13所示。

实验结果表明，按照修正后的控制模型来控制新风机运行，运行稳定，出风温度达到22℃。

图12 Tc,tar =37℃, ΔP=200Pa名义制热实验曲线Fig.12 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =37℃, ΔP=200Pa

图13 Tc,tar =37℃, ΔP=300Pa名义制热实验曲线Fig.13 Experimental curve of nominal heating under the condition of Tc,tar =38℃, ΔP=300Pa

对比图12、13和图5、6，可以看出目标冷凝温度37℃运行的频率比45℃目标冷凝温度的频率低，可以实现节能。

对最大制热和除霜，按照修正后的模型，目标冷凝温度分别为40℃、34℃，实验证明系统运行稳定，出风温度能达到设计目标。实验结果这里不再一一列出。

以上试验结果表明：修正后的优化控制模型以及对外机阀的控制修正后，可以较好地用于新风机在不同环境温度、不同静压下的稳定可靠运行。

4 结论

1)在10HP新风机优化设计模型基础上，通过试验修正了该模型，调整了换热修正系数，试验证明该模型是可行的。这样就可以把不同系列的新风机制热控制模型统一起来，通过控制程序判定新风机容量大小，选取不同的换热修正系数，实现新风机制热优化控制。

2)试验揭示了环境温度、运行频率、目标冷凝温度、静压、风量、排气压力、吸气压力、排气温度、外机电子膨胀阀开度、新风机电子膨胀阀开度等各参数间的耦合关系，这些参数间相互影响，任何一个参量变化都会引起其它参量变化。

3)试验证明目标冷凝温度是很重要的参量，选择合适的目标冷凝温度对系统稳定可靠运行是非常重要的。选取过高，会导致系统系统频率高，能耗高。采用变目标冷凝温度控制压缩机输出能力，能实现不同环境温度、不同静压下的稳定运行，出风温度控制精度高，运行频率低，达到节能目的。

4)对低温制热200Pa静压，由于风量大，换热器散热效果好，加之回风温度过低，出风温度达不到22℃的控制目标。通过修正外机电子膨胀阀的控制，适当加大电子膨胀阀开度，增加冷媒循环量，试验证明该优化控制方法是可行的，能达到设计目标。

5)该优化控制方法，为新风机的使用提供设计依据，对其它容量大小的新风机和不同制冷剂系统的新风机提供设计指导。

[1]谢春辉. 全新风空调机制冷系统的设计探讨[J]. 顺德职业技术学院学报,2008,6(4): 18-20. (Xie Chunhui.Design for refrigeration system of air conditioner with full fresh air[J]. Journal of Shunde Polytechnic in China, 2008,6(4) : 18-20.)

[2]黄虎, 李奇贺, 袁冬雪, 等. 制冷剂配管长度对全新风风管空调(热泵)机组性能影响的试验研究[J]. 建筑科学,2007, 23(8): 65-71.(Huang Hu, Li Qihe, Yuan Dongxue et al. Experimental study on the influence of refrigerant pipe length on the performance of air conditioning (heat pump) unit equipped with full fresh air duct[J]. Build Science in China, 2007, 23(8): 65-71.)

[3]罗汉新.变制冷剂流量多联空调系统新风处理方式的讨论[J].制冷与空调, 2003,3:18-20.( Luo Hanxin.The discussion of fresh air handling methods in variable refrigerant fl ow air conditioning system[J]. Refrigeration and Air Conditioning in China, 2003, 3(3):18-19.)

[4]傅聪颖,徐辉,傅玉达. 多联机系统的新风处理及其节能方式[J].山西建筑,2009, 35(5):175-176. (Fu Congying, Xu Hui, Fu Xuda. Fresh air handling of VRV and energy-saving style[J]. Shan Xi Architecture, 2009,35(5):175-176.)