VRF多联机性能测试实验台的设计与建立

HE Chunhui YANG Hua ZHANG Wei HE Lin

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

0 引言

美国AHRI制冷协会在2010发布ANSI/AHRI 1230-2010《可变制冷剂流量（VRF）多联式空调和热泵设备性能评价》的标准，规定了VRF多联机组的性能测试与评价的要求、方法，按标准测试方法有：空气焓差法、压缩机标定法、量热计法、制冷剂焓差法和室外侧水量热计法这几种形式，目前应用最广泛的是空气焓差法。为适应美国AHRI标准相关要求、满足出口北美多联式空调测试需求，有必要设计与建立相应的试验台，已达到北美相关检测机构测试要求。

1 热气旁通原理

当工况冷机处于制冷运行状态时，若机组制冷负荷小、系统回气压力偏低，低于某一设定值时，热气旁通阀开启，将系统高压端与蒸发器进口连通，高温高压的制冷剂气体与节流后低温的气液混合态制冷剂完全混合，最终得到饱和或具有一定过热度的气体，通过控制热气旁通量的适当比列可稳定其蒸发温度和蒸发压力，以达到控制蒸发器后出风露点温度的目的，从而工况室加湿器内的电加热投入量也就可以相对减小。王天庆[1]等人推导出了使用热气旁通压缩机“热备”状态下过热气体质量流量的相关公式：

式中：qm1为旁通过热气体质量流量（kg/s）；qm2为膨胀阀节流后气液两相流的质量流量（kg/s）；qm3为压缩机吸气质量流量（kg/s）；x为膨胀阀节流后干度；h1为旁通过热气体焓值（kJ/kg）；h2为膨胀阀节流后饱和气体焓值（kJ/kg）；h3为膨胀阀节流后饱和液体焓值（kJ/kg）；h4为混合后压缩机吸气气体焓值（kJ/kg）。

由公式可知，如已知压缩机“热备”状态下的运行工况和吸气质量流量，就可得出维持系统平衡所需的过热气体质量流量qm1。

2 实验台的设计

2.1 实验台总体布局及技术要求

ANSI/AHRI 1230标准规定，VRF多联机系统至少使用两种组合（室内机）进行测试，分别为风管式内机和无风管式内机；外机可以采用多台并联模式，室内机允许匹配最多12台。经综合考虑实验台多台内/外机组合安装空间尺寸需求、空气流场与温度场的均匀性等因素，该实验台设计成4个独立测试间（如图1）：室外侧①能力测试范围15HP，室内侧①能力测试范围15HP；室外侧②能力测试范围48HP，室内侧②能力测试范围20HP；4个测试间可组成2套或1套独立实验台使用，相邻测试间互通，最大测试组合48HP。

室内侧环境工况控制范围：干球温度5～60℃、湿度30%～95%，范围内可任意调节；室外侧环境工况控制范围：-30～60℃、湿度30%～95%，范围内可任意调节；水系统温度控制范围5～60℃，范围可任意调节；所有低温运行工况连续稳定运行12小时以上。标准试验工况见表1[2]。

图1 实验室布局图

图2 孔板上送下回风方式示意图

图3 上/下回风可切换、三面环绕管道上送风方式示意图

2.2 实验台空气流场

合理的空气流场能确保温度场均匀、风场速度均匀，避免环境温度场控制出周期性波动或局部高温、高风速的情况，从而影响实验测试数据的准确性和复现性。该实验台内侧环境间采用孔板上送下回风的方式（如图2所示），主要是利用静压箱送风的原理（有限射流扩散），空气从回风格栅进入空气处理柜，经处理后的气流射入孔板夹层内空间，其动压大部分转化为静压，使得孔板夹层内的静压分布均匀，同时确保房间内各处送风均匀、温度均匀。

在空气处理柜出口位置，距离出风口位置1.5～2米内的孔板全部使用盲板，从而避免进、出风出现较大的气流短路，有效确保工作区域风场速度、温度场的均匀性。

实验台外侧环境间空气流场，考虑VRF多联机外机大多采用顶出风的方式，同时兼顾水平出风的机组，采用上/下回风可自由切换、三面环绕管道上送风的方式，空气处理柜放置在夹层内（如图2所示），机组1米范围内的风速小于2.5m/s，满足标准要求[1]。空气处理柜处理过的空气，经库房顶三面环绕的风道，从库房三个侧面的出风格栅向下送风（图3中虚线箭头方向），风速必须足够大，确保送风能到达地面，使工作区域风场均匀。上送上回风方式：下回风风阀关闭，顶回风风阀开启，在顶回中间夹层风道形成负压腔，气流经此通道回到空气处理柜进风口；上送下回风方式：顶回风风阀关闭，下回风风阀开启，气流直接进入空气处理柜进风口。由于顶出风机组的出风风速比较高，必须保证机组出风口与上回风口的有足够距离，且回风口处风速不能太低，才能有效避免机组出风、进风出现严重短路的情况。

图4 人机界面监控系统图

图5 温/湿度控制原理图

表1 标准试验工况

表2 漏风率试验数据

表3 漏风率试验数据

2.3 实验台测量、控制

实验台测量、控制主要包括数据测量采集系统、PLC控制系统和PID数字调节控制系统三大部分组成，配合各类传感器、控制执行机构、电器元件和制冷系统等，对实验间环境温湿度进行全自动的测量控制，通过Labview编程软件编制人机监控界面，对所有测量数据进行全自动监控采集、计算，实时监控温/湿度、电参数、运行压力、计算结果等参数，系统图如图4所示。

实验间温/湿度控制系统：主要由PID数字调节器、温/湿度传感器、功率调整器组成，其控制原理如图5所示。温/湿度传感器实时监控实验间环境温/湿度变化，将环境温/湿度转化为电信号反馈给PID数字调节器，PID数字调节器根据信号大小控制功率调整器的输入信号，功率调整器根据信号大小调节电加热/加湿器的输出功率，从而使实验间环境温/湿度稳定在设定值范围内。

采样装置风道风速控制系统：主要由PID数字调节器、变频器、采样风机组成，其控制原理如图6所示。风道内风速通过风速传感器实时监控，将风速转化为电信号反馈给PID数字调节器，PID数字调节器根据反馈信号大小控制变频器的输入信号，变频器根据输入信号大小调节采样风机的转速，从而使采样装置内的风速稳定在设定值范围内，风速一般接近5m/s[3]。

2.4 实验台节能措施

实验台应用热回收、热气旁通等技术，将冷凝器的部分废热回收利用、控制蒸发器制冷能力，并结合冷凝压力恒压控制的方式，有效降低设备能源消耗，系统原理如图7所示。压缩机排气分3路，主回路①直接与壳管换热器连通，起主要换热冷凝作用；旁通回路②串接辅助冷凝器，与主回路①并联，通过控制经过辅助冷凝器高温制冷剂流量，将部分冷凝热回收用用于室内加热，降低室内电加热、电加湿的输出功耗；热气旁通回路③与蒸发器进口并接，通过控制旁通排气回路的冷媒喷射量，调节蒸发器内部的冷媒蒸发压力，从而调节蒸发器侧制冷能力的输出，有效降低室内电加热、电加湿的输出功耗；冷却水侧通过压力调节阀调节水流量，将冷凝压力控制在设定值范围内，有效降低冷却水侧的输出功耗。

图6 采样装置风道风速控制原理图

图7 热回收、热气旁通喷射系统原理图

图8 单外机温度测点布置图

图9 温度场均匀性随时间变化的曲线

3 实验验证

3.1 温度场均匀性

VRF多联机实验台温度场要求在空载状态下，水平方向基本一致，垂直方向梯度不超过2K/m，由于没有其他扰动应属的影响，空载状态下的温度场均匀性基本没有问题[4]；但加入机组的扰动因素后，情况会完全不一样，实际需要考虑的是机组正常运行后机组冷凝器周围进风温度场均匀性，以及冷凝器出风与回风之间气流的短路情况。以室外侧②实验间为例，安装一顶出风机组的多联机机组，外机冷凝器三进风面布置12点热电偶测点，点与点垂直距离60mm，热电偶布点位置如图8所示；将工况设定为常用温度35℃稳定运行，考察带负荷状态下温度场均匀性变化的情况。

分析运行曲线：上层各单点温度变化与平均温度的偏差均在±0.5℃以内，表明上层冷凝器进/出风口气流短路情况非常小；中层、下层各单点温度与平均温度偏差均在±0.5℃以内，说明温度场的均匀性完全满足要求，温度场均匀性随时间变化的曲线如图9所示。

对垂直方向温度梯度变化趋势进行分析，据温度梯度随时间变化的曲线可知，各点垂直梯度变化均在1K/m以内，如图10所示，说明垂直温度梯度满足2K/m的要求。其它实验间以同样的方法进行验证，实验结果表明，温度场均匀性满足实验要求[3]。其他实验间以同样的方式进行温度场的校核。

3.2 风量测量装置漏风率

风量测量装置主要包括受风室、喷嘴流量室两大部分，在受风室进口完全密封的状态下，只开启25mm喷嘴状态下，保持受风室在250Pa负压状态下，风量测量装置漏风率不超过0.01m3/s[6]。测试数据如表2所示，实验证明，3套风量测量装置在保持250Pa负压的状态，漏风率均满足实验要求。

从温度场均匀性、风量测量装置漏风率等实验结果分析，整体情况非常好，满足ANSI/AHRI 1230标准技术指标、特定技术协议要求，实验台各重要参数经第三方进行计量机构计量合格，确认实验台可投入试运行。

图10 温度梯度随时间变化的曲线

3.3 节能对比验证

选用同一台被测机组，分别在名义制冷、名义制热、低温制热、超低温制热等工况下分别采用常规系统和节能系统进行控制测试，数据如表3，从数据上看平均节能在20%以上，效果较明显。

4 结论

本多联机实验台设计能满足多联机模块化组合、不同内机组合的测试需求，在测量控制技术、节能技术方面满足预期设计水平，控制精度高；通过应用配置制冷系统热回收、热气旁通、冷凝压力恒压等节能技术，结合适当的PID算法控制，实验验证表明有效降低了实验台运行的整体能耗，节能超过20%以上。