数码涡旋多联机制热控制策略的研究

涂 虬肖洪海刘 煜冯自平

(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格力电器股份有限公司 珠海 519070)

自从谷轮公司推出数码涡旋压缩机，国内一些空调厂家纷纷采用该压缩机研发多联机产品。其特点是[1]:通过外部电磁阀PWM改变“时间周期”中的“负载状态”时间与“卸载状态”时间的比例来实现压缩机的容量调节。由于机组容量是通过改变循环周期内的负载和空载时间来进行调节的，因此可以从一个输出容量变换到另一个输出容量，从而满足不同情况下的冷、热负荷需求。相对于变频压缩机，由于数码压缩机不需要复杂的变频驱动技术，从理论上讲，数码涡旋多联机更容易实现可靠、稳定运行，加上由于卸载时功耗小，具有较好的节能性。

实际上，正是由于数码压缩机的这种容量调节特性，导致涡旋盘啮合与分离时，压缩机功耗、输出能力呈周期性的波动，进而导致系统压力波动及制冷/热效果不稳定。黄虎[2]等人实验测试了数码涡旋压缩机功耗随时间波动的特性，并在文献[3]中建立该系统的冷凝器仿真模型，仿真结果证实了数码涡旋压缩机这一特性。

因而，要实现稳定、可靠的运行，并实现节能，需要良好的控制策略作为技术保障。石文星[4-6]在分析多联机系统的扰动和调节特性的基础上，提出解决系统关键问题的技术措施和控制策略，其中文献[5]研究得出了不同参数对系统的影响和调节特性，提出了压缩机频率控制制冷剂流量、室外机风量控制过冷度的控制原理和方法。文献[6]中提出利用室内机电子膨胀阀控制室温、室外机集中控制压缩机回气过热度以及吸、排气压力的热回收型多联机空调系统自治协调控制思想。文献[7]建立了变速多联机制热控制模型，包括制热频率调节措施、模块切换条件、频率分配模型，在频率调节方法中考虑到压力的扰动性，在文献[4]的基础上，采取一定的冷凝温度区域为目标按照当前排气压力来控制运行频率，解决频率波动的问题。以上技术对数码涡旋多联机制热控制有一定的参考作用，但是数码涡旋压缩机的自身特性决定了不能照搬这些方法。Shih-Cheng Hu等人[8]研究了数码涡旋多联机控制措施，采用各室内机电子膨胀阀开度总和与压缩机输出比回归出的函数关系，作为控制系统运行的基本参数，而实际上目前多联机室内机电子膨胀阀开度是根据过热度来控制，而压缩机输出能力是按照目标压力来调节的。

目前尚未见到基于数码涡旋压缩机特性的多联机控制策略的文献资料，因而研究数码涡旋多联机控制策略，对提高多联机系统的稳定性、可靠性，并实现节能，有重要的意义。这里以制热运行模式为例，研究其控制策略，对制冷模式控制策略，有借鉴作用。

1 实验现象与分析

1.1 实验装置介绍

实验采用一台10HP数码涡旋多联机，匹配5台风管机(2台2.5HP、2台3HP和1台1HP风管机)，压缩机采用一台数码涡旋压缩机和一台定频压缩机并联，系统内充注16kg R22制冷剂。在室外机气管截止阀和液管截止阀上各接一个压力传感器，室内机到室外机的最长配管长度在5m以内。采用焓差室测试平台监控软件监测外机侧、室内机侧干/湿球温度、风量、出风干/湿球温度、制冷(热)量、功率等。采用自编的监控软件监测系统运行参数和状态，例如各温度、压力、压缩机输出比、电子膨胀阀开度以及室外/内机风机、电磁阀、四通阀的开/关状态。

1.2 常规控制方法

对数码涡旋压缩机，用输出比来定义压缩机的能力输出，即在一个周期时间内，PWM阀关闭的时间与周期时间的比值，即图1中的Ti,2/ Ti。

按照变频多联机常规控制方法来调节压缩机能力输出，即采用当前的排气压力按照一定的压力目标进行控制，考虑到压力的波动，对目标压力进行修正，定义一个压力扰动量Δp，表达式为[7]

对(1)式中的压力基准值p0，确定方法在2.2节给出。这里暂定为为16.3×105Pa对应的冷凝温度Tc为45℃。压力扰动值Δp取值不能过大，否则压缩机输出能力无法进行调节，压力扰动值取Δp=0.8×105Pa。室内机电子膨胀阀的开度按照过冷度为3℃进行调节，这里过冷度定义为ΔTs=Tc-Tc2，Tc2为蒸发器出口液管的温度，Tc为冷凝温度。

图1 数码涡旋压缩机周期时间及输出比概念图Fig.1 Concept diagram of period time and output ratio of digital scroll compressor

1.3 实验现象

调节室外机侧、室内机侧环境干/湿球温度分别为7℃DB/6℃WB、20℃DB/15℃WB，按照以上控制策略开启1台3HP风管机进行名义制热实验。实验结果如图2、3所示，图3中Tdi，pd，ps，Tc1，Tc2分别为压缩机排气温度、排气压力、吸气压力、室内机气管温度、室内机液管温度。

图2 开启1台3HP室内机制热时焓差室监控软件监控到的制热实验结果Fig.2 Heating experimental results measured by monitor software in the enthalpy difference room when a 3HP indoor unit was thermo-on.

图3 (a)开启1台3HP 室内机制热时监控到的室外机运行参数Fig.3(a) Outdoor unit operation parameters measured by self-made monitored software when a 3HP indoor unit was thermo-on.

实验测试结果验证了数码涡旋压缩机的特性，即:当压缩机输出比为100%，制热量、功率、压力等参数稳定，而当开启部分室内机进行名义制热，输出比小于100%时，功率、电流等参数出现明显波动现象，总功率在3700W～8400W之间波动，变化范围高达56%；电流在5A～10A之间变化，变化范围高达50%。同时对出风温度和制热量产生一定的影响，不过波动较小。原因分析如下:当压缩机输出比小于100%时，PWM阀不断开、关，导致排气压力、吸气压力不断波动，当PWM阀开启时，此时压缩机输出能力瞬间减低，高压压力卸载到压缩机的低压腔，导致低压压力增大，排气压力降低；当PWM阀关闭时，正好相反。这种压力和功率的波动是由压缩机的特性决定的。另外，由于压缩机输出比是以当前排气压力按照一定的目标压力进行调节的，由于PWM阀的开、关对压力影响很大，导致压缩机输出比不断调节波动，而压缩机输出能力的变化对冷媒排出量有很大的影响，导致TC2，TC1随之不断波动，继而对出风温度造成一定的波动。因此必须改善控制策略以解决系统运行的不稳定性。

图3 (b)开启3HP 风管机制热时监控到的室内机主要运行参数Fig.3(b) Indoor unit operation parameters measured by self-made monitored software when a 3HP indoor unit was thermo-on.

为进一步测试PWM阀的开/关对系统运行的影响，从监控软件上调节压缩机输出比，从90%到50%，按5%步长间隔进行调节，然后直接调到20%，每个输出比下运行10min，监控到的实验结果如图4所示。

图4 不同压缩机输出比下多联机室外机运行参数Fig.4 Outdoor unit operation parameters under different output ratio of digital scroll compressor

从监控曲线上读取10min内的排气压力的最高值和最低值，计算出平均值，得到不同输出比下的压力值及压差值曲线，见图5所示。

图5 压缩机不同输出比下的排气压力及压力差Fig.5 Experimental results of discharge pressure and pressure difference under different output ratio

从图5可以看出，随着压缩机输出比增加，排气压力增大，压力波动值在1.5×105Pa～1.9×105Pa之间,显然，压力波动值超过控制程序中的压力扰动值。

2 控制策略

2.1 压缩机输出比控制模型

从以上实验结果可以看出，压力波动值超过控制模型中的压力扰动值，如果在控制程序中压力扰动值取1.9×105Pa，根据(1)式，目标压力可能为14.4×105Pa，对应的冷凝温度仅为40℃，会导致出风风度偏低，尤其是对长配管系统。因而不能采用加大控制程序中的压力扰动值来解决压缩机输出比波动的问题。

针对数码压缩机PWM阀的开/关对压力波动的影响特性，可取一个周期内排气压力的平均值作为当前压力基准值，再以公式(1)中的压力为控制目标，按照图6所示的输出比控制模型来调节压缩机的输出能力。

图6 数码涡旋压缩机输出比控制模型图Fig.6 Control model diagram on output ratio ofdigital scroll compressor

以计算第i个周期第j时刻的当前平均压力为例，假定其周期时间为Ti，每秒取一次压力值，平均压力为前Ti个压力总和的平均值，考虑到周期时间与压缩机输出比有关，不同输出比下的周期时间不同，由压缩机厂家给定，这样，可能需要累加到上一个或几个周期内的压力值，其计算表达式为

式中pi,m表示第i个周期第m时刻的压力值，由于每秒采样一次，公式(2)中的Ti在数值上等于某采样周期的样本数，也等于某压力的时间序列。在程序中定义两个计时器，第一个计时器计录周期序号，第二个计时器记录每个周期的时刻，当一个调节周期结束进入下一个调节周期，计时器清零，进入下一个周期后重新计时。

这种处理方法虽然不能保证每个时刻当前平均压力相等，但能实现目标压力波动值在扰动值0.8×105Pa以内。

2.2 目标压力的确定

图7 压缩机切换控制模型图Fig.7 Switching model diagram between digital compressor and standard compressure

压缩机输出能力是根据目标压力来调节的，目标压力的大小对制热量和性能系数(COP)有直接的关系。选取过大，会导致压缩机能耗过大，选取过小，导致制热量偏小，甚至达不到制热量铭牌标称值，出风温度偏低。目标压力的确定原则以制热量不低于其标称值的95%(企业标准)和实测功率最低时的排气压力作为目标压力基准值。确定方法是通过监控软件调整压缩机的能力输出，在不同输出比下分别进行名义制热实验，测到不同输出能力时的制热量和COP，确定出适合的压缩机输出能力和对应的排气压力，该压力值作为控制功能中的目标压力基准值。

控制功能中，考虑到数码压缩机和定频压缩机的特性，为提高COP，采取图7所示的压缩机切换控制策略，设置数码压缩机为优先级高的压缩机，优先启动，调节其输出能力，直到100%输出比，再切换启动定频压缩机，提高COP。

3 实验结果与分析

按照以上控制策略，以图3中的同样条件进行名义制热实验，验证采用该控制策略后系统运行的稳定性，采集的数据见图8所示。图8中Pd_ave为当前平均压力，Pd_t为当前排气压力对应的饱和温度，即冷凝温度，Tave为当前平均冷凝温度。

图8(a)采用新控制策略后开启1台3HP 室内机名义制热时室外机运行参数Fig.8(a) Nominal heating operation parameters of outdoor unit by new control strategy when a 3HP indoor unit was thermo-on.

图8(b)采用新控制策略后开启1台3HP 室内机名义制热时室内机运行参数曲线Fig.8(b) Nominal heating operation parameters of indoor unit by new control strategy when a 3HP indoor unit was thermo-on.

从图8可以看出随着PWM阀的开、关，排气压力及对应的冷凝温度不断波动，这是数码压缩机的特性决定的，但是当前平均压力和平均冷凝温度稳定，压缩机输出比除启动阶段外没有出现波动的现象，运行稳定。室内机电子膨胀阀开度以及Tc1，Tc2非常稳定，出风温度控制精度高。同样地，开启其它室内机进行名义制热，系统运行稳定。

对目标压力基准值，以开启一台2.5HP风管机1和台1HP风管机进行制热为例，测试不同压缩机输出能力下的制热量、功率、COP和对应的排气压力，实验结果如图9所示。

图9中输出比120%表示数码压缩机输出比为20%，同时开启了定频压缩机，为更清楚地显示COP大小，图中COP扩大了10倍。图9表明当定频压缩机开启时，COP明显降低，这与图7中的压缩机切换控制模型图相吻合；另外，提高压缩机输出比，功率和制热量同时提高，但是制热量提高的幅度高于功率，导致COP提高。考虑到2.5HP、1HP风管机的制热量标称值分别为8kW、3kW，总和为11kW。 如果控制压缩机以100%输出比运行，虽然性能系数高达2.61，但是消耗功率平均值高达6280W，制热量为16409W，远超于标称值。选取80%输出比，制热量、功率分别为11823W，4739W，COP为2.50，较为合适，此时目标压力取14.6×105Pa，对应目标冷凝温度为41℃。

考虑到长配管时的能力损失，取42℃较为合适，定义在控制程序中，按图9的条件进行名义制热实验，测试结果是制热量为12700W，功率为4960W，COP为2.56，测试结果较为理想。

图9 不同压缩机输出能力下的实验测试结果Fig.9 Heating experimental results under different output capacities of compressors

4 结论

多联机空调系统的控制策略是多联机关键技术，关系到系统运行的稳定性、可靠性以及节能性，实验证实数码压缩机制热运行时功率、电流、压力等参数呈周期性的波动特性，如果采用变频多联机常规控制策略，压缩机输出比、排气温度、室内机液管温度、气管温度以及出风温度会产生一定的波动，系统运行不稳定。

1)针对数码涡旋压缩机的特性，提出有效的控制策略，包括压缩机输出比控制模型和压缩机切换控制模型。输出比控制模型中以一个周期时间内压力平均值作为当前压力值调节压缩机输出比，实验证明系统运行稳定，压缩机输出比、排气温度、室内机运行参数不再波动。在压缩机切换控制策略中，设置数码压缩机为优先级高的压缩机，优先启动、调节其输出能力，直到100%输出比，再切换启动定频压缩机，与实验结果相吻合。

2)给出了目标压力基准值确定原则，在满足制热量不低于能力标称值的95%前提下，消耗功率最低时的压力为目标压力基准值。

3)实验证明这种控制策略对系统运行的稳定性、可靠性以及节能方面，是可行的。

[1] 王贻任. 压缩机容量调节新技术—数码涡旋技术[J]. 家电科技, 2005, 9:30-32.(Wang Yiren. New technology for capacity modulation-Digital scroll technology[J]. Science and Technology of Electric Appliance, 2005, 9:30-32.)

[2] 黄虎, 李奇贺, 张忠斌. 数码涡旋多联机性能指标评价方法分析[J]. 南京师范大学学报, 2008, 8(2): 23-27.(Huang Hu, Li Qihe, Zhang Zhongbin. Analysis on the performance evaluation of Multi-connected air condition unit with digital scroll compressor[J]. Journal of Nanjing Normal University 2008, 8(2): 23-27.)

[3] 陈薇, 黄虎, 张忠斌, 等. 数码涡旋变容制冷系统冷凝器动态特性分析[J]. 低温工程, 2009, 4: 45-50.(Chen Wei, HuangHu, Zhang Zhongbin. Dynamic characteristics analysis for condenser of refrigeration system with digital scroll variable capacity[J]. CRYOGENICS, 2009, 4:45-50.)

[4] 石文星. 变制冷剂流量空调系统特性及其控制策略研究[D].北京: 清华大学, 2000.(Shi Wenxing, Investigation on characteristic and control strategy of variable refrigerant flow air conditioning system[D]. Beijing:Tsinghua university, China 2000.)

[5] 邵双全, 石文星, 李先庭, 等. VRV空调系统压缩机-冷凝器联合调节特性与控制策略研究[J]. 压缩机技术, 2002, 1:1-4.(Shao Shuangquan, Shi Wenxing,Li Xianting, et al. Performance and control scheme of compressor and condenser in VRV air conditioning system[J]. Compressor Technology, 2002, 171(1):1-4.)

[6] 石文星, 邵双全, 彭晓峰, 等. 热回收型多元变制冷剂流量空调系统控制策略仿真研究[J]. 暖通空调, 2003,33(1):12-17.(Shi Wenxing, Shao Shuangquan, Peng Xiaofeng, et al. Simulation study on control strategy of MVRV air conditioning system with heat recovery[J].HV&AC, 2003, 33 (1):12-17.)

[7] Tu Qiu, Mao Shoubo, Feng Ziping, et al. Heating control strategy for variable refrigerant flow air conditioning system with multi-module outdoor units[J]. Energy and Buildings, Accept.

[8] Shih-Cheng Hu, Rong-Hwa Yang. Development and testing of a multi-type air conditioner without using AC inverters[J]. Energy Conversion and Management, 2005,46(3): 373–383.