R410A直流变频列间空调系统变流量调节性能分析及试验研究

王冰霜 张云娟 宋俊峰 向 文



R410A直流变频列间空调系统变流量调节性能分析及试验研究

王冰霜 张云娟 宋俊峰 向 文

（四川依米康环境科技股份有限公司 成都 610041）

通过对计算机房微模块中的变频列间空调在对环保型制冷剂替代R22对比应用进行说明及实验分析压缩机转速、电子膨胀阀开度、EC风机调节、室内外环境变化等对变频空调系统性能影响，有助于后期优化产品设计及控制逻辑，以达到最佳节能环保的效果。

R410A；直流变频空调系统；电子膨胀阀；EC风机

0 引言

随着制冷剂向HFC转变的逐步推进及数据中心业务不断增长、数据中心容量的不断扩大、以及高密度计算设备的广泛应用，使得数据中心在环保及能耗方面正面临着巨大的压力。

一方面，在R22替代方面，有研究表明，R22的代替冷媒有R407C（HFC32、HFC125、HFC134）和R410A（HFC32、HFC125）。R407C冷媒为三种非共沸点混合冷媒，其热力学性质与单一冷媒相比在蒸发冷凝时有6℃左右的温度梯度，热交换器设计困难，且成分组成比不同，为维修带来困难。压力虽与R22相同，但系统性能降低。相比之下，R410A冷媒虽然也是两种冷媒混合，但有单一冷媒的近似共沸点，使用方便，比R407C性能好，破坏臭氧潜能值（ODP）几乎为零，全球变暖系数（GWP）极小，是目前为止国际公认的用来替代R22最合适的冷媒[1,2]，并在欧美、日本等国家得到普及，使用R410A制冷剂的空调机组也更有利于开拓海外市场。

另一方面，数据中心能耗方面，机房空调系统能耗非常高，其占数据中心总能耗的30～45%[3]，进而导致数据中心PUE值（数据中心总能耗/IT设备能耗）居高不下，增加了数据中心的运营成本。根据数据中心热流密度的影响，将机房冷热通道隔离，采用列间空调，与服务器即时散热量相匹配，可有效减少冷量的损失，将冷气流直接用于冷却服务器，再利用直流变频技术、电子膨胀阀和EC风机等综合控制，理论和试验证明，直流变频压缩机效率比交流变频压缩机高10%～30%，噪音低5～10dB(A)，不仅使空调器在各种工况下实现安全稳定运行的基础上实现最大经济性，具有很强的现实意义，又大大加快空调器机电一体化的进程[4-7]。

国内清华大学的石文星、邵双全等人对变频空调系统的仿真、控制等作了比较详细的研究工作，对室内机、室外机的扰动与调节特性进行了模拟分析[8]，给出了室内外机的联合调节特性，进而提出了自制协调控制思想[9]。本文以开发设计的风冷型R410A直流变频列间空调的应用及试验，分析其在制冷模式下不同压缩机转速、电子膨胀阀开度、EC风机调速等综合控制对制冷量、能效比等的影响，得出压缩机转速与电子膨胀阀开度、EC风机调速等的控制调节规律，以便优化控制逻辑，实现更佳的节能环保的效果。

1 试验装置及测试方法

1.1 试验装置

试验机组为风冷式直流变频列间空调，制冷运行模式，使用的制冷剂为R410A，压缩机为Danfoss VZH088，节流机构为电子膨胀阀Emerson EX5，蒸发器为亲水铝箔的管翅式换热器，换热面积78.6m2，室内风机采用EC风机，冷凝器为非亲水铝箔的管翅式换热器，换热面积142.2m2，冷却风机采用轴流风机。

1.2 测试方法

在焓差测试台上进行试验，测试条件为：

室内工况：干球温度37℃；湿球温度21℃

室外工况：干球温度35℃

试验主要针对R410A直流变速列间空调系统首先在以上测试条件下进行制冷模式测试，系统原理图如图1所示，分别设定压缩机在1500-5700rps转速上连续，同时从小到大调节膨胀阀开度、EC风机电压在4V～10V间不断变化，采样蒸发温度、吸气温度、排气温度、蒸发压力、冷凝压力、油槽温度、膨胀阀进液温度等，根据调试情况，在每种状态平衡到稳定后再连续运行20分钟左右，记录测试数据，如制冷量（包括总冷量、显热量、潜热量）、功率、风量、蒸发温度、吸气温度、排气温度、蒸发压力、冷凝压力、能效比（EER）、显热比，并计算出相应的过冷度、吸气过热度等数据。其次，在保持压缩机转速和电子膨胀阀开度一定的情况下，再根据室内外负荷变化，进行试验，记录制冷量、功率、能效比（EER）等数据。图2为依米康实验室及检测设备，图3为待测设备（室内机内部图示、室外机）。

MC：压缩机；CO：冷凝器；RL：储液罐；LF：干燥过滤器；LS：视液镜；VT：电子膨胀阀；VP：蒸发器；EV：风机；ST：温度探头；SPH：高压开关；SPL：低压开关；SP：压力传感器

（a）室内机

（b）室外机

图3 测试机组（内机、外机）

Fig.3 The tested units (Indoor unit、Outdoor unit）

2 试验结果及分析

理论上，变流量空调系统的性能不仅与压缩机转速有关、而且与电子膨胀阀开度、室内外风机风量和室内外环境工况等有密切关系，不仅要保证不同负荷情况下的制冷量要求，以及较高的能效比，还必须注意空调系统在压缩机低转速、高转速等极限运行状态下回油正常、高低压报警等情况，在这些影响因素中，有主次、强弱之分，需通过试验总结出一定规律，保证机组运行更高效、更可靠。

2.1 EC风机风量与其调节电压的关系

测试机组室内风机采用的是EC风机，其EC电机为内置智能控制模块的直流无刷式免维护型电机，0-10V电压调节，该产品具有高效、节能、寿命长、振动小、噪声低及可连续不间断工作等特点。图4为风机调节电压与风量的关系，随着控制电压升高，风量增加，风机风量与电压近似线性关系。

图4 风机调节电压与风量的关系

2.2 压缩机速度变化对空调系统性能的影响

对于所测试的R410A单冷型直流变频列间空调，在上述测试条件和电子膨胀阀开度一定的情况下，测试结果如图5所示（注：为了分析方便，在图5中将空调系统的性能和参数表示在同一图中，其中风机电压放大了10倍、显热比（显热量与总冷量之比）放大了100倍）。

（1）为保证机房空调需满足一定的显热比（SHR≥0.95）要求下，当压缩机的转速增大时，并不断增大EC风机电压，当电压达到10V后，风机电压不能再增加，达到稳定状态；

（2）当压缩机的转速增大时，制冷循环的冷凝温度明显上升，蒸发温度有所下降，压缩比增大，使功耗增大；蒸发温度下降，导致吸气比容增大；

（3）随着压缩机转速增加时，冷凝压力逐渐上升，从23.27MPa到31.4MPa，蒸发压力在10.88-10.58MPa之间，均明显高于R22制冷剂循环的冷凝压力、蒸发压力，相应设备的耐压要求高于R22的制冷系统；

（4）但由于压缩机转速升高对制冷剂循环量的影响大于由压缩比造成的负面影响，所以空调系统的制冷量、EC风机电压、冷凝负荷和功率都显著提高，其中功率增加的比率小于制冷量的变化，能效比（EER）将随压缩机转速的升高先迅速上升，在转速为1800～2100rps达到最大值，然后缓慢下降。随着压缩机转速不断增加，过热度由大变小，特别当转速上升到3900rps后趋于稳定，但EER逐渐降低，所以单一的压缩机转速增大虽然能满足负荷变化要求，但经济性方面却不利。

图5 压缩机转速变化对空调系统性能的影响

2.3 电子膨胀阀开度对空调系统性能的影响

室外环境干球温度为35℃，室内环境干球温度和湿球温度分别为37℃、21℃，当压缩机转速一定的情况下，图6和图7显示了随着电子膨胀阀开度增大的情况下，制冷系统性能及状态参数的变化趋势。在变频空调中，压缩机在固定转速下运行时，随着电子膨胀阀开度的增大，制冷量、冷凝负荷、蒸发温度、过热度和EER等先增加，然后再减小，呈近似抛物线变化趋势；不同转速下对应的最佳膨胀阀开度也不同。表明在室内外环境恒定，压缩机转速一定时，电子膨胀阀有一个最佳开度使制冷量和EER达到最高。

图6 压缩机转速在3900rps时电子膨胀阀开度对性能的影响

图7 压缩机转速在4500rps时电子膨胀阀开度对性能的影响

2.4 室内负荷对空调系统性能的影响

从图8可以看出，当其它因素固定不变时。

（1）室内环境的湿球温度升高使得制冷循环的冷凝温度上升缓慢，但蒸发温度上升明显；

（2）一方面，由于其压缩比和吸气比容逐渐减小，制冷剂质量流量逐渐上升，制冷剂流量增加与单位质量压缩功减小程度基本一致，故空调系统的耗功量基本不变；

（3）冷凝温度变化平缓，冷凝负荷有所增加；

（4）另一方面，蒸发温度提高使得单位制冷量增加；

（5）综合整个系统变化效果，制冷量和能效比均有一定程度提高。

图8 室内环境变化对空调系统性能的影响

2.5 室外环境温度对空调系统性能的影响

在其它条件不变的情况下，如图9所示，当空调系统冷凝器工作环境的温度逐渐升高时。

（1）制冷循环的蒸发温度变化不大，略有上升，冷凝温度上升迅速，冷凝换热量减少，故压缩比上升幅度较大，压缩机容积效率降低；

（2）蒸发温度的微小上升造成吸气比容有所降低；

（3）其综合效果使得制冷剂质量流量无较大程度的改变；

（4）由于冷凝温度上升，单位质量流量制冷耗功有较大程度提高，故空调系统耗功增加；

（5）制冷剂在冷凝出口的焓值增大，单位制冷量减小，使得空调系统的制冷量降低，能效比（EER）大幅度下降。

图9 室外环境变化对空调系统性能的影响

3 结论

在变频空调系统影响因素中，压缩机转速、电子膨胀阀开度、EC风机速度变化、室内外热湿环境等，都直接影响空调系统的性能。通过实验结果可得出以下结论：

（1）不同制冷剂系统的设计及控制参数设定宜根据制冷剂的物性进行合理考虑；

（2）变频空调系统中，系统性能受多种因素影响（如压缩机转速、风机转速、电子膨胀阀开度、室内外环境变化等），其中，压缩机转速升高使制冷量大幅度增大，但也带来一系列如压比增大、EER下降、输气系数下降，换热器利用效率降低等一系列问题，单一的压缩机转速增大虽然能满足负荷变化要求，但从经济性方面考虑不利；

（3）变频空调在压缩机一定转速下运行时，膨胀阀开度对系统影响较为复杂，阀开度过大、过小都使性能下降，需要进行最佳匹配；

（4）为了使室温迅速而平稳的接近设定值、保持稳定和提高经济性，应使压缩机转速、电子膨胀阀开度、室内风机调速等三者合理地控制匹配，这样才能保证系统与环境的适应性及系统自身各要素之间的适应性。

[1] 张萍,陈光明.R410替代R22制冷系统的实验与分析[J].工程热物理学报,2008,29(5):741-746.

[2] 陈锦华,敖永安,沈琳,等.新型制冷剂热力性质的快速计算及特性研究.制冷与空调,2009,23(2):29-31.

[3] 谷立静,周伏秋,孟辉.我国数据中心能耗及能效水平研究[J].中国能源,2010,32(11):42-45

[4] 彦启森.空调技术的发展与展望[C].全国暖通空调制冷学术年会,1998:10.

[5] 石文星.变制冷剂流量空调系统特性及其策略研究[D].北京:清华大学,2000.

[6] 田怀璋,朱瑞琪,刘星.电子膨胀阀技术综述[J].流体工程,1992,(7):55-60.

[7] 黄跃进,徐鸣,沈希,等.基于直流变频技术的压缩机控制器设计[J].压缩机技术,2005,(5):20-23

[8] 邵双全,石文星,李先庭,等.VRV空调系统特性与控制策略研究（一）～（四）[J].流体机械,2000,30(增刊):150-163.

[9] 邵双全,石文星,李先庭,等.变频空调系统调节特性研究[J].制冷与空调,2001,1(4):17-20.

Performance Analysis and Experimental Study for R410A-refrigerant Flux Adjusting in DC Inverter-aided Air Conditioning System

Wang Bingshuang Zhang Yunjuan Song Junfeng Xiang Wen

( Sichuan Yi Mi Kang Environmental Technology Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

In this paper, the introduction about the non-ozone depletion ternary mixture R410A is chosen as the drop-in alternative to R22 in a DC frequency conversion InRow Direct Expansion Air Conditioner, and system performance is investigated by experiments at different compressor frequency, electronic expansion valve opening, EC fan speed, indoor and outdoor environmental conditions, etc. The results are useful for optimizing the design and controlling logic in order to achieve environmental protection and energy saving effect.

R410A; DC variable frequency air-conditioning system; Electronic expensive valve; EC fan

1671-6612（2017）02-194-05

TB652/TB61+2

A

2015-11-23

作者（通讯作者）简介：王冰霜（1977.12-），女，工程师，研究生，E-mail：wangbs@sunrisegroup.com.cn