多元变频VRV空调系统的控制原理

1. VRV空调系统的定义及控制原理

　　VRV空调系统是在电力空调系统中，通过控制压缩机的制冷剂循环量和进入室内换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。VRV空调系统需采用变频压缩机、多极压缩机、卸载压缩机或多台压缩机组合来实现压缩机容量控制；在制冷系统中需设置电子膨胀阀或其它辅助回路，以调节进入室内机的制冷剂流量；通过控制室内外换热器的风扇转速积，调节换热器的能力。在变频调速和电子膨胀阀技术逐渐成熟之后，VRV空调系统普遍采用变频压缩机和电子膨胀阀。

　　空调系统在环境温度、室内负荷不断变化的条件下工作，而且系统各部件之间、系统环境与环境之间相互影响，因此VRV空调系统的状态不断变化，需通过其控制系统适时地调节空调系统的容量，消除其影响，是一种柔性调节系统。其工作原理是：由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制冷系统运行状况的状态参数，根据系统运行优化准则和人体舒适性准则，通过变频等手段调节压缩机输气量，并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件，保证室内环境的舒适性，并使空调系统稳定工作在最佳工作状态。

2. VRV空调系统的特点

　　变频VRV空调系统的相对于定速系统具有明显的节能、舒适效果：

　　(1) VRV空调系统依据室内负荷，在不同转速下连续运行，减少了因压缩机频繁启停造成的能量损失；在制冷/制热工况下，能效比COP随频率的降低而升高，由于压缩机长时间工作在低频区域，故系统的季节能效比SEER相对于传统空调系统大大提高；采用压缩机低频启动，降低了启动电流，电气设备将大大节能，同时避免了对其它用电设备和电网的冲击。

　　(2) VRV空调系统具有能调节容量的特性，在系统初开机时室温与设定温度相差很大，利用压缩机高频运行的方式，使室温快速地到达设定值，缩短室内不舒适的时间；系统调节容量使室温波动很小，改善了室内的舒适性；极少出现传统空调系统在启停压缩机时所产生的振动噪声，且室内机风扇电机普遍采用直流无刷电机驱动，速度切换平滑，降低了室内机的噪声。由于VRV空调系统比冷水机组的蒸发温度高3℃左右，其COP值约提高10%；结构紧凑，体积小，管径细，不需要设置水系统和水质管理设备，故不需要专门的设备间和管道层，可较大程度地降低建筑物造价，提高建筑面积的利用率；室内机的多元化，可实现各个房间或区域的的独立控制；而且热回收VRV空调系统，能在冬季和过渡季节，向需要同时供冷和供热的建筑物提供冷、热源，将制冷系统的冷凝负荷和蒸发负荷同时利用，大大提高能源利用效率。因此，多元VRV空调系统将是今后中小型楼宇空调系统的发展主流之一。

3. 多元变频VRV空调系统的工作原理

　　在传统的冷库、空调系统中，为适应多用户库(室)风负荷的变动，减小的启动电流，常采用卸载压缩机或多台压缩机并联的制冷系统。当负荷变动时，根据回气压力的高低，增减压缩机的运行台数。多元VRV空调系统即是吸收了此思想，而发展起来的变制冷剂流量制冷系统。由于多元VRV空调系统存在有制冷流量分配控制和系统稳定性控制问题难以解决，在微电脑、电子膨胀阀、变频技术以后才开始重视其研究开发工作。自1985年开始发展至今，世界上主要是日本三菱、日立、大金、夏普、松下等少数几家大企业拥有这项技术。，多元VRV空调系统主要有单冷型、热泵型和热回收型三种形式，将这三种型式与蓄热(冷)系统、变风量系统等结合，又扩大了VRV空调系统的应用范围。

　　3.1 单冷或热泵型多元VRV空调系统

　　表1示出了各种单冷和热泵型多元VRV空调系统的原理图。在典型的单冷(图1)或热泵(图3)型多元VRV空调系统中，压缩机 通常采用一台变频压缩机，在大系统中，由一台变频压缩机或多极压缩机与多台定速压缩机构成压缩机组；在各室内机和室外机上，设置有供节流和流量调节的电子膨胀阀(有些系统在室外机上采用普通膨胀阀 [2] )；在系统的典型部位安放有温度传感器和压力传感器。在制冷工况下，室外机电子膨胀阀全开，通过室内机电子膨胀阀节流降压，控制室内温度和各室内机热交换器出口制冷剂的过热度，由压缩机频率调节吸气压力；在制热工况下，室外机电子膨胀阀，控制室外机热交换器出口制冷剂的过热度，室内机电子膨胀阀控制室温和室内热交换器出口的制冷剂过冷度，通过改变压缩机频率调节压缩机排气压力。为提高系统的稳定性、可控性和可靠性，在一些系统中，增设了辅助回路。

表1 各种单冷和热泵型多元VRV空调系统原理图

　　1994年，三菱开发出带有内部热交换回路的变频单冷型多元VRV空调系统[3]，由图2可知，通过回热回路，实现了制冷剂的有效移动，减少了系统的压力损失，提高了系统的能交比。研究表明，经回热回路的流量为压缩机循环流量的2-22%时，制冷量基本一致，能效比提高10%。同时由于采用了高压制冷剂的饱和点控制，减少了系统中的制冷剂的充灌量。

　　面临电力供应的紧张局面，"移峰填谷"是急待解决的问题，随着峰谷电价的实施，蓄热空调系统开始得到发展，从1995年开始，开始应用于热泵型VRV空调系统中[4，5]。蓄热型VRV空调系统如图4所示，由室外机、蓄热槽和多个室内机组成。室外机内有变频压缩机、制冷剂泵和热交换器；在蓄热槽内部装有盘管换热器和相变蓄热材料。系统在制冷和制热运行时，都各具有3种运转模式，即蓄冷（热）运行、蓄冷（热）利用制冷（热）运行和压缩机制冷（热）运行。在蓄冷（热）运行和压缩机制冷（热）运行模式下，制冷剂泵停止运行，系统的工作方式和普通蓄冷空调系统一致；在蓄冷利用制冷运行模式下，制冷剂泵运转，将一部分制冷剂压缩，送入蓄冷槽盘管换热器，制冷剂将热量排至蓄冷材料（取冷）而冷凝，与在室外热交换器内冷凝后的制冷剂液体汇合，经室内机电子膨胀阀节流，送入室内机进行制冷；同理，在蓄热利用制热运行模式下，制冷剂泵运转，在蓄热材料中取热，送入室内机。系统"移峰填谷"的机理是利用降低冷凝温度或提高蒸发温度，减小压缩比，降低高峰电力的使用量。

　3.2 热回收型多元VRV空调系统

　　热回收型VRV空调系统是于90年代初研制出，它不仅具有单冷和热泵形系统的功能，同时由于冷凝负荷和蒸发负荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。对于同时需要供冷与供热的建筑物增多的今天，具有极大的应用前景，所以也就成为了当前研究的重要课题之一。当今的热回收型VRV空调系统具有3管式和2管式两种形式[6-12]，参见表2。

表2 热收回型多元VRV空调系统原理图

　　(1) 3管式热回收型多元VRV空调系统

　　3管式VRV空调系统如图5所示，室外机由压缩机、室外热交换器和气液分离器等构成；室内机由热交换器、电磁三通阀及电子膨胀阀构成。室外机与室内机之间由高压气体管、高压液体管、低压气体管3根管道相连，故称"3管式"系统。

　　空调系统通过高压气体管将高温高压蒸气引入用于供热的室内机，制冷剂蒸气在室内机内放热冷凝，流入高压液体管；制冷剂从高压液体管进入制冷运行的室内机中，蒸发吸热，通过低压气体管返回压缩机。室外热交换器用于平衡各室内机的冷热负荷的缓冲设备，视室内运行模式起着冷凝器或蒸发器的作用。其功能取决于各室内机的工作模式和负荷大小。

　 （2） 2管式热回收型多元VRV空调系统

　　2管式VRV空调系统如图6所示，系统由室外机、分流控制器和室内机组构成。其中，室外机由压缩机、热交换器和气液分离器等构成；分流控制器由气液分离器、3个电子膨胀阀、回热器、高低压气体转换阀组等组件构成，放置在离室内机组较近的部位；室同机由电子膨胀阀和热交换器构成。室外机与分流控制器之间由高压气体管和低压气体管两根管道相连，故称"2管式"系统。

　　室外热交换器用于平衡各室内机的冷热负荷，起着冷凝器或蒸发器的作用。在冷暖混合运行模式下，控制室外热交换器风扇转速，将部分高温蒸气引入分流控制器内，蒸气和液体在气液分离器中分离，蒸气部分进入室内供热，液体部分和在供热室内机中冷凝后的液体合流进入供冷室内机中，液态制冷剂蒸发吸热后，经回气管返回压缩机。

　　此外，将VRV空调系统的一个或多个末端机通过送、回风风道与多个房间相连就构成了与VRV结合的多元VRV空调系统。风道的各个室内末端装置根据室内温度与设定温度的差值大小控制其风量，末端机根据送风道内的静压控制总送风量的大小，由末端机的过热度控制相应电子膨胀阀的开度，压缩机根据所有室内机的负荷大小控制其转速。这种系统的研究始于80年代中期，现以用于单冷和热泵型VRV空调系统中[13]。

4. 多元VRV空调系统研究开发中尚需解决的问题

　　多元VRV空调系统发展至今，无论是在制冷系统，还是在控制方法上都取得了很大的进步，但仍存在以下几方面的问题，尚需进一步深入研究。

　 （1） 舒适性：有待于新的传感器的开发和现代控制理论的应用，以推进智能空调系统的发展。

　 （2） 稳定性和节能性控制问题：研究制冷系统的各调节部件对系统特性的影响规律，实现系统的稳定调节和节能控制。

　 （3） 控制器的可移植性问题：深入研究制冷系统的特性规律，研制出适合于大小系统兼容，热泵型和热回收型系统通用，移植性较强的控制器。

　 （4） 系统综合性能评价问题：VRV空调系统特别是热回收型系统，由于各换热器的功能和温度条件不尽相同，如何评价系统的综合性能，尚无合理和实有的方法。

　 （5） 制冷剂替代问题：由于VRV空调系统的管道接头较多，增加了制冷剂泄漏的可能性，且系统的内容积过大，增大了制冷剂充灌量，在HCFC控制计划实施后，系统价格会大大上升。所以，减少制冷剂充灌量和减少泄漏是系统开发过程中应该重视的问题，同时应加强对HCFC22的替代工质在VRV空调系统中的应用研究。