多元變頻VRV空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

1. VRV 空調(diào)系統(tǒng)的定義及控制原理

VRV空調(diào)系統(tǒng)是在電力空調(diào)系統(tǒng)中，通過控制壓縮機(jī)的制冷劑循環(huán)量和進(jìn)入室內(nèi)換熱器的制冷劑流量，適時(shí)地滿足室內(nèi)冷熱負(fù)荷要求的高效率冷劑空調(diào)系統(tǒng)。VRV空調(diào)系統(tǒng)需采用變頻壓縮機(jī)、多極壓縮機(jī)、卸載壓縮機(jī)或多臺壓縮機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)容量控制；在制冷系統(tǒng)中需設(shè)置電子膨脹閥或其它輔助回路，以調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)機(jī)的制冷劑流量；通過控制室內(nèi)外換熱器的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速積，調(diào)節(jié)換熱器的能力。在變頻調(diào)速和電子膨脹閥技術(shù)逐漸成熟之后，VRV空調(diào)系統(tǒng)普遍采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥。

空調(diào)系統(tǒng)在環(huán)境溫度、室內(nèi)負(fù)荷不斷變化的條件下工作，而且系統(tǒng)各部件之間、系統(tǒng)環(huán)境與環(huán)境之間相互影響，因此VRV空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)不斷變化，需通過其控制系統(tǒng)適時(shí)地調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的容量，消除其影響，是一種柔性調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其工作原理是：由控制系統(tǒng)采集室內(nèi)舒適性參數(shù)、室外環(huán)境參數(shù)和表征制冷系統(tǒng)運(yùn)行狀況的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化準(zhǔn)則和人體舒適性準(zhǔn)則，通過變頻等手段調(diào)節(jié)壓縮機(jī)輸氣量，并控制空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)扇、電子膨脹閥等一切可控部件，保證室內(nèi)環(huán)境的舒適性，并使空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最佳工作狀態(tài)。

2. VRV 空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

變頻VRV空調(diào)系統(tǒng)的相對于定速系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能、舒適效果：

(1) VRV空調(diào)系統(tǒng)依據(jù)室內(nèi)負(fù)荷，在不同轉(zhuǎn)速下連續(xù)運(yùn)行，減少了因壓縮機(jī)頻繁啟停造成的能量損失；在制冷/制熱工況下，能效比COP隨頻率的降低而升高，由于壓縮機(jī)長時(shí)間工作在低頻區(qū)域，故系統(tǒng)的季節(jié)能效比SEER相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)大大提高；采用壓縮機(jī)低頻啟動，降低了啟動電流，電氣設(shè)備將大大節(jié)能，同時(shí)避免了對其它用電設(shè)備和電網(wǎng)的沖擊。

(2) VRV空調(diào)系統(tǒng)具有能調(diào)節(jié)容量的特性，在系統(tǒng)初開機(jī)時(shí)室溫與設(shè)定溫度相差很大，利用壓縮機(jī)高頻運(yùn)行的方式，使室溫快速地到達(dá)設(shè)定值，縮短室內(nèi)不舒適的時(shí)間；系統(tǒng)調(diào)節(jié)容量使室溫波動很小，改善了室內(nèi)的舒適性；極少出現(xiàn)傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)在啟停壓縮機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的振動噪聲，且室內(nèi)機(jī)風(fēng)扇電機(jī)普遍采用直流無刷電機(jī)驅(qū)動，速度切換平滑，降低了室內(nèi)機(jī)的噪聲。由于VRV空調(diào)系統(tǒng)比冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度高3℃左右，其COP值約提高10%；結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，管徑細(xì)，不需要設(shè)置水系統(tǒng)和水質(zhì)管理設(shè)備，故不需要專門的設(shè)備間和管道層，可較大程度地降低建筑物造價(jià)，提高建筑面積的利用率；室內(nèi)機(jī)的多元化，可實(shí)現(xiàn)各個房間或區(qū)域的的獨(dú)立控制；而且熱回收VRV空調(diào)系統(tǒng)，能在冬季和過渡季節(jié)，向需要同時(shí)供冷和供熱的建筑物提供冷、熱源，將制冷系統(tǒng)的冷凝負(fù)荷和蒸發(fā)負(fù)荷同時(shí)利用，大大提高能源利用效率。因此，多元VRV空調(diào)系統(tǒng)將是今后中小型樓宇空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展主流之一 。

3. 多元變頻VRV 空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

在傳統(tǒng)的冷庫、空調(diào)系統(tǒng)中，為適應(yīng)多用戶庫(室)風(fēng)負(fù)荷的變動，減小的啟動電流，常采用卸載壓縮機(jī)或多臺壓縮機(jī)并聯(lián)的制冷系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)荷變動時(shí)，根據(jù)回氣壓力的高低，增減壓縮機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)。多元VRV空調(diào)系統(tǒng)即是吸收了此思想，而發(fā)展起來的變制冷劑流量制冷系統(tǒng)。由于多元VRV空調(diào)系統(tǒng)存在有制冷流量分配控制和系統(tǒng)穩(wěn)定性控制問題難以解決，在微電腦、電子膨脹閥、變頻技術(shù)以后才開始重視其研究開發(fā)工作。自1985年開始發(fā)展至今，世界上主要是日本三菱、日立、大金、夏普、松下等少數(shù)幾家大企業(yè)擁有這項(xiàng)技術(shù)。，多元VRV空調(diào)系統(tǒng)主要有單冷型、熱泵型和熱回收型三種形式，將這三種型式與蓄熱(冷)系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)等結(jié)合，又?jǐn)U大了VRV空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

3.1 單冷或熱泵型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)

表1示出了各種單冷和熱泵型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)的原理圖。在典型的單冷(圖1)或熱泵(圖3)型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)通常采用一臺變頻壓縮機(jī)，在大系統(tǒng)中，由一臺變頻壓縮機(jī)或多極壓縮機(jī)與多臺定速壓縮機(jī)構(gòu)成壓縮機(jī)組；在各室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)上，設(shè)置有供節(jié)流和流量調(diào)節(jié)的電子膨脹閥(有些系統(tǒng)在室外機(jī)上采用普通膨脹閥 )；在系統(tǒng)的典型部位安放有溫度傳感器和壓力傳感器。在制冷工況下，室外機(jī)電子膨脹閥全開，通過室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥節(jié)流降壓，控制室內(nèi)溫度和各室內(nèi)機(jī)熱交換器出口制冷劑的過熱度，由壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)吸氣壓力；在制熱工況下，室外機(jī)電子膨脹閥，控制室外機(jī)熱交換器出口制冷劑的過熱度，室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥控制室溫和室內(nèi)熱交換器出口的制冷劑過冷度，通過改變壓縮機(jī)頻率調(diào)節(jié)壓縮機(jī)排氣壓力。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性和可*性，在一些系統(tǒng)中，增設(shè)了輔助回路。

1994年，三菱開發(fā)出帶有內(nèi)部熱交換回路的變頻單冷型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)，由圖2可知，通過回?zé)峄芈?，?shí)現(xiàn)了制冷劑的有效移動，減少了系統(tǒng)的壓力損失，提高了系統(tǒng)的能交比。研究表明，經(jīng)回?zé)峄芈返牧髁繛閴嚎s機(jī)循環(huán)流量的2-22%時(shí)，制冷量基本一致，能效比提高10%。同時(shí)由于采用了高壓制冷劑的飽和點(diǎn)控制，減少了系統(tǒng)中的制冷劑的充灌量。

面臨電力供應(yīng)的緊張局面，"移峰填谷"是急待解決的問題，隨著峰谷電價(jià)的實(shí)施，蓄熱空調(diào)系統(tǒng)開始得到發(fā)展，從1995年開始，開始應(yīng)用于熱泵型VRV空調(diào)系統(tǒng)中[4，5]。蓄熱型VRV空調(diào)系統(tǒng)如圖4所示，由室外機(jī)、蓄熱槽和多個室內(nèi)機(jī)組成。室外機(jī)內(nèi)有變頻壓縮機(jī)、制冷劑泵和熱交換器；在蓄熱槽內(nèi)部裝有盤管換熱器和相變蓄熱材料。系統(tǒng)在制冷和制熱運(yùn)行時(shí)，都各具有3種運(yùn)轉(zhuǎn)模式，即蓄冷（熱）運(yùn)行、蓄冷（熱）利用制冷（熱）運(yùn)行和壓縮機(jī)制冷（熱）運(yùn)行。在蓄冷（熱）運(yùn)行和壓縮機(jī)制冷（熱）運(yùn)行模式下，制冷劑泵停止運(yùn)行，系統(tǒng)的工作方式和普通蓄冷空調(diào)系統(tǒng)一致；在蓄冷利用制冷運(yùn)行模式下，制冷劑泵運(yùn)轉(zhuǎn)，將一部分制冷劑壓縮，送入蓄冷槽盤管換熱器，制冷劑將熱量排至蓄冷材料（取冷）而冷凝，與在室外熱交換器內(nèi)冷凝后的制冷劑液體匯合，經(jīng)室內(nèi)機(jī)電子膨脹閥節(jié)流，送入室內(nèi)機(jī)進(jìn)行制冷；同理，在蓄熱利用制熱運(yùn)行模式下，制冷劑泵運(yùn)轉(zhuǎn)，在蓄熱材料中取熱，送入室內(nèi)機(jī)。系統(tǒng)"移峰填谷"的機(jī)理是利用降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度，減小壓縮比，降低高峰電力的使用量。

3.2 熱回收型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)

熱回收型VRV空調(diào)系統(tǒng)是于90年代初研制出，它不僅具有單冷和熱泵形系統(tǒng)的功能，同時(shí)由于冷凝負(fù)荷和蒸發(fā)負(fù)荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。對于同時(shí)需要供冷與供熱的建筑物增多的今天，具有極大的應(yīng)用前景，所以也就成為了當(dāng)前研究的重要課題之一。當(dāng)今的熱回收型VRV空調(diào)系統(tǒng)具有3管式和2管式兩種形式[6-12]，參見表2。

(1) 3管式熱回收型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)

3管式VRV空調(diào)系統(tǒng)如圖5所示，室外機(jī)由壓縮機(jī)、室外熱交換器和氣液分離器等構(gòu)成；室內(nèi)機(jī)由熱交換器、電磁三通閥及電子膨脹閥構(gòu)成。室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)之間由高壓氣體管、高壓液體管、低壓氣體管3根管道相連，故稱"3管式"系統(tǒng)。

空調(diào)系統(tǒng)通過高壓氣體管將高溫高壓蒸氣引入用于供熱的室內(nèi)機(jī)，制冷劑蒸氣在室內(nèi)機(jī)內(nèi)放熱冷凝，流入高壓液體管；制冷劑從高壓液體管進(jìn)入制冷運(yùn)行的室內(nèi)機(jī)中，蒸發(fā)吸熱，通過低壓氣體管返回壓縮機(jī)。室外熱交換器用于平衡各室內(nèi)機(jī)的冷熱負(fù)荷的緩沖設(shè)備，視室內(nèi)運(yùn)行模式起著冷凝器或蒸發(fā)器的作用。其功能取決于各室內(nèi)機(jī)的工作模式和負(fù)荷大小。

（2）2管式熱回收型多元VRV空調(diào)系統(tǒng)

2管式VRV空調(diào)系統(tǒng)如圖6所示，系統(tǒng)由室外機(jī)、分流控制器和室內(nèi)機(jī)組構(gòu)成。其中，室外機(jī)由壓縮機(jī)、熱交換器和氣液分離器等構(gòu)成；分流控制器由氣液分離器、3個電子膨脹閥、回?zé)崞?、高低壓氣體轉(zhuǎn)換閥組等組件構(gòu)成，放置在離室內(nèi)機(jī)組較近的部位；室同機(jī)由電子膨脹閥和熱交換器構(gòu)成。室外機(jī)與分流控制器之間由高壓氣體管和低壓氣體管兩根管道相連，故稱"2管式"系統(tǒng)。

室外熱交換器用于平衡各室內(nèi)機(jī)的冷熱負(fù)荷，起著冷凝器或蒸發(fā)器的作用。在冷暖混合運(yùn)行模式下，控制室外熱交換器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，將部分高溫蒸氣引入分流控制器內(nèi)，蒸氣和液體在氣液分離器中分離，蒸氣部分進(jìn)入室內(nèi)供熱，液體部分和在供熱室內(nèi)機(jī)中冷凝后的液體合流進(jìn)入供冷室內(nèi)機(jī)中，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)吸熱后，經(jīng)回氣管返回壓縮機(jī)。

此外，將VRV空調(diào)系統(tǒng)的一個或多個末端機(jī)通過送、回風(fēng)風(fēng)道與多個房間相連就構(gòu)成了與VRV結(jié)合的多元VRV空調(diào)系統(tǒng)。風(fēng)道的各個室內(nèi)末端裝置根據(jù)室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的差值大小控制其風(fēng)量，末端機(jī)根據(jù)送風(fēng)道內(nèi)的靜壓控制總送風(fēng)量的大小，由末端機(jī)的過熱度控制相應(yīng)電子膨脹閥的開度，壓縮機(jī)根據(jù)所有室內(nèi)機(jī)的負(fù)荷大小控制其轉(zhuǎn)速。這種系統(tǒng)的研究始于80年代中期，現(xiàn)以用于單冷和熱泵型VRV空調(diào)系統(tǒng)中。

4. 多元VRV空調(diào)系統(tǒng)研究開發(fā)中尚需解決的問題

多元VRV空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展至今，無論是在制冷系統(tǒng)，還是在控制方法上都取得了很大的進(jìn)步，但仍存在以下幾方面的問題，尚需進(jìn)一步深入研究。

（1）舒適性：有待于新的傳感器的開發(fā)和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，以推進(jìn)智能空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）穩(wěn)定性和節(jié)能性控制問題：研究制冷系統(tǒng)的各調(diào)節(jié)部件對系統(tǒng)特性的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)和節(jié)能控制。

（3）控制器的可移植性問題：深入研究制冷系統(tǒng)的特性規(guī)律，研制出適合于大小系統(tǒng)兼容，熱泵型和熱回收型系統(tǒng)通用，移植性較強(qiáng)的控制器。

（4）系統(tǒng)綜合性能評價(jià)問題：VRV空調(diào)系統(tǒng)特別是熱回收型系統(tǒng)，由于各換熱器的功能和溫度條件不盡相同，如何評價(jià)系統(tǒng)的綜合性能，尚無合理和實(shí)有的方法。

（5）制冷劑替代問題：由于VRV空調(diào)系統(tǒng)的管道接頭較多，增加了制冷劑泄漏的可能性，且系統(tǒng)的內(nèi)容積過大，增大了制冷劑充灌量，在HCFC控制計(jì)劃實(shí)施后，系統(tǒng)價(jià)格會大大上升。所以，減少制冷劑充灌量和減少泄漏是系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)該重視的問題，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對HCFC22的替代工質(zhì)在VRV空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。