多元变频VRV空调系统原理 (转贴)

多元变频VRV空调系统原理
本文给出了变频VRV空调系统的定义，论述了各种单冷、热泵及热回收型多元VRV空调系统的工作原理和性能特点，并指出了在多元VRV空调系统中尚需解决的问题。
关键词：VRV空调系统，变频控制，工作原理

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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 [1] 。

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
序号 系
统 空调系统原理图 备注
图1 单
冷
型
多
元
VRV
系
统 　 A：压缩机
C：室外热交换器
E：室内热交换器
F：气液分离器
EV1：电子膨胀阀
EV2：电子膨胀阀
EV3：电子膨胀阀
图2 带
内
部
热
交
换
单
冷
型
多
元
VRV
系
统 　 同上
D：内部热交换器（HIC回路）
图3 热
泵
型
多
元
VRV
系
统
　 同上
B：四通阀
V1：电子膨胀阀
图4 热
泵
蓄
热
型
多
元
VRV
系
统 　 同上
H：制冷剂泵
V2，V3：电子膨胀阀
E1,E2,E3,E4,E5：电磁阀


　　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　热回收型多元VRV空调系统原理图
序号 系统 空调系统原理图 备注
图5 3
管
式
热
回
收
型
多
元
VRV
系
统 　 A：压缩机
C：室外热交换器
E：室内热交换器
F：气液分离器
EV1：电子膨胀阀
EV2：电子膨胀阀
EV3：电子膨胀阀
V1：电子膨胀阀
E1-E8：电磁阀
图6 2
管
式
热
回
收
型
多
元
VRV
系
统 　 同上
B：四通阀
G：气液分离器
V2-V4：电子膨胀阀
H：过冷却器
J：单向阀


　　(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。