數(shù)碼渦旋多聯(lián)機制熱控制策略的研究

涂 虬肖洪海劉 煜馮自平

(1中國科學院廣州能源研究所 廣州 510640; 2中國科學院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室 廣州 510640；3格力電器股份有限公司 珠海 519070)

自從谷輪公司推出數(shù)碼渦旋壓縮機，國內(nèi)一些空調(diào)廠家紛紛采用該壓縮機研發(fā)多聯(lián)機產(chǎn)品。其特點是[1]:通過外部電磁閥PWM改變“時間周期”中的“負載狀態(tài)”時間與“卸載狀態(tài)”時間的比例來實現(xiàn)壓縮機的容量調(diào)節(jié)。由于機組容量是通過改變循環(huán)周期內(nèi)的負載和空載時間來進行調(diào)節(jié)的，因此可以從一個輸出容量變換到另一個輸出容量，從而滿足不同情況下的冷、熱負荷需求。相對于變頻壓縮機，由于數(shù)碼壓縮機不需要復雜的變頻驅(qū)動技術，從理論上講，數(shù)碼渦旋多聯(lián)機更容易實現(xiàn)可靠、穩(wěn)定運行，加上由于卸載時功耗小，具有較好的節(jié)能性。

實際上，正是由于數(shù)碼壓縮機的這種容量調(diào)節(jié)特性，導致渦旋盤嚙合與分離時，壓縮機功耗、輸出能力呈周期性的波動，進而導致系統(tǒng)壓力波動及制冷/熱效果不穩(wěn)定。黃虎[2]等人實驗測試了數(shù)碼渦旋壓縮機功耗隨時間波動的特性，并在文獻[3]中建立該系統(tǒng)的冷凝器仿真模型，仿真結(jié)果證實了數(shù)碼渦旋壓縮機這一特性。

因而，要實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的運行，并實現(xiàn)節(jié)能，需要良好的控制策略作為技術保障。石文星[4-6]在分析多聯(lián)機系統(tǒng)的擾動和調(diào)節(jié)特性的基礎上，提出解決系統(tǒng)關鍵問題的技術措施和控制策略，其中文獻[5]研究得出了不同參數(shù)對系統(tǒng)的影響和調(diào)節(jié)特性，提出了壓縮機頻率控制制冷劑流量、室外機風量控制過冷度的控制原理和方法。文獻[6]中提出利用室內(nèi)機電子膨脹閥控制室溫、室外機集中控制壓縮機回氣過熱度以及吸、排氣壓力的熱回收型多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)自治協(xié)調(diào)控制思想。文獻[7]建立了變速多聯(lián)機制熱控制模型，包括制熱頻率調(diào)節(jié)措施、模塊切換條件、頻率分配模型，在頻率調(diào)節(jié)方法中考慮到壓力的擾動性，在文獻[4]的基礎上，采取一定的冷凝溫度區(qū)域為目標按照當前排氣壓力來控制運行頻率，解決頻率波動的問題。以上技術對數(shù)碼渦旋多聯(lián)機制熱控制有一定的參考作用，但是數(shù)碼渦旋壓縮機的自身特性決定了不能照搬這些方法。Shih-Cheng Hu等人[8]研究了數(shù)碼渦旋多聯(lián)機控制措施，采用各室內(nèi)機電子膨脹閥開度總和與壓縮機輸出比回歸出的函數(shù)關系，作為控制系統(tǒng)運行的基本參數(shù)，而實際上目前多聯(lián)機室內(nèi)機電子膨脹閥開度是根據(jù)過熱度來控制，而壓縮機輸出能力是按照目標壓力來調(diào)節(jié)的。

目前尚未見到基于數(shù)碼渦旋壓縮機特性的多聯(lián)機控制策略的文獻資料，因而研究數(shù)碼渦旋多聯(lián)機控制策略，對提高多聯(lián)機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，并實現(xiàn)節(jié)能，有重要的意義。這里以制熱運行模式為例，研究其控制策略，對制冷模式控制策略，有借鑒作用。

1 實驗現(xiàn)象與分析

1.1 實驗裝置介紹

實驗采用一臺10HP數(shù)碼渦旋多聯(lián)機，匹配5臺風管機(2臺2.5HP、2臺3HP和1臺1HP風管機)，壓縮機采用一臺數(shù)碼渦旋壓縮機和一臺定頻壓縮機并聯(lián)，系統(tǒng)內(nèi)充注16kg R22制冷劑。在室外機氣管截止閥和液管截止閥上各接一個壓力傳感器，室內(nèi)機到室外機的最長配管長度在5m以內(nèi)。采用焓差室測試平臺監(jiān)控軟件監(jiān)測外機側(cè)、室內(nèi)機側(cè)干/濕球溫度、風量、出風干/濕球溫度、制冷(熱)量、功率等。采用自編的監(jiān)控軟件監(jiān)測系統(tǒng)運行參數(shù)和狀態(tài)，例如各溫度、壓力、壓縮機輸出比、電子膨脹閥開度以及室外/內(nèi)機風機、電磁閥、四通閥的開/關狀態(tài)。

1.2 常規(guī)控制方法

對數(shù)碼渦旋壓縮機，用輸出比來定義壓縮機的能力輸出，即在一個周期時間內(nèi)，PWM閥關閉的時間與周期時間的比值，即圖1中的Ti,2/ Ti。

按照變頻多聯(lián)機常規(guī)控制方法來調(diào)節(jié)壓縮機能力輸出，即采用當前的排氣壓力按照一定的壓力目標進行控制，考慮到壓力的波動，對目標壓力進行修正，定義一個壓力擾動量Δp，表達式為[7]

對(1)式中的壓力基準值p0，確定方法在2.2節(jié)給出。這里暫定為為16.3×105Pa對應的冷凝溫度Tc為45℃。壓力擾動值Δp取值不能過大，否則壓縮機輸出能力無法進行調(diào)節(jié)，壓力擾動值取Δp=0.8×105Pa。室內(nèi)機電子膨脹閥的開度按照過冷度為3℃進行調(diào)節(jié)，這里過冷度定義為ΔTs=Tc-Tc2，Tc2為蒸發(fā)器出口液管的溫度，Tc為冷凝溫度。

圖1 數(shù)碼渦旋壓縮機周期時間及輸出比概念圖Fig.1 Concept diagram of period time and output ratio of digital scroll compressor

1.3 實驗現(xiàn)象

調(diào)節(jié)室外機側(cè)、室內(nèi)機側(cè)環(huán)境干/濕球溫度分別為7℃DB/6℃WB、20℃DB/15℃WB，按照以上控制策略開啟1臺3HP風管機進行名義制熱實驗。實驗結(jié)果如圖2、3所示，圖3中Tdi，pd，ps，Tc1，Tc2分別為壓縮機排氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力、室內(nèi)機氣管溫度、室內(nèi)機液管溫度。

圖2 開啟1臺3HP室內(nèi)機制熱時焓差室監(jiān)控軟件監(jiān)控到的制熱實驗結(jié)果Fig.2 Heating experimental results measured by monitor software in the enthalpy difference room when a 3HP indoor unit was thermo-on.

圖3 (a)開啟1臺3HP 室內(nèi)機制熱時監(jiān)控到的室外機運行參數(shù)Fig.3(a) Outdoor unit operation parameters measured by self-made monitored software when a 3HP indoor unit was thermo-on.

實驗測試結(jié)果驗證了數(shù)碼渦旋壓縮機的特性，即:當壓縮機輸出比為100%，制熱量、功率、壓力等參數(shù)穩(wěn)定，而當開啟部分室內(nèi)機進行名義制熱，輸出比小于100%時，功率、電流等參數(shù)出現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象，總功率在3700W～8400W之間波動，變化范圍高達56%；電流在5A～10A之間變化，變化范圍高達50%。同時對出風溫度和制熱量產(chǎn)生一定的影響，不過波動較小。原因分析如下:當壓縮機輸出比小于100%時，PWM閥不斷開、關，導致排氣壓力、吸氣壓力不斷波動，當PWM閥開啟時，此時壓縮機輸出能力瞬間減低，高壓壓力卸載到壓縮機的低壓腔，導致低壓壓力增大，排氣壓力降低；當PWM閥關閉時，正好相反。這種壓力和功率的波動是由壓縮機的特性決定的。另外，由于壓縮機輸出比是以當前排氣壓力按照一定的目標壓力進行調(diào)節(jié)的，由于PWM閥的開、關對壓力影響很大，導致壓縮機輸出比不斷調(diào)節(jié)波動，而壓縮機輸出能力的變化對冷媒排出量有很大的影響，導致TC2，TC1隨之不斷波動，繼而對出風溫度造成一定的波動。因此必須改善控制策略以解決系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定性。

圖3 (b)開啟3HP 風管機制熱時監(jiān)控到的室內(nèi)機主要運行參數(shù)Fig.3(b) Indoor unit operation parameters measured by self-made monitored software when a 3HP indoor unit was thermo-on.

為進一步測試PWM閥的開/關對系統(tǒng)運行的影響，從監(jiān)控軟件上調(diào)節(jié)壓縮機輸出比，從90%到50%，按5%步長間隔進行調(diào)節(jié)，然后直接調(diào)到20%，每個輸出比下運行10min，監(jiān)控到的實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同壓縮機輸出比下多聯(lián)機室外機運行參數(shù)Fig.4 Outdoor unit operation parameters under different output ratio of digital scroll compressor

從監(jiān)控曲線上讀取10min內(nèi)的排氣壓力的最高值和最低值，計算出平均值，得到不同輸出比下的壓力值及壓差值曲線，見圖5所示。

圖5 壓縮機不同輸出比下的排氣壓力及壓力差Fig.5 Experimental results of discharge pressure and pressure difference under different output ratio

從圖5可以看出，隨著壓縮機輸出比增加，排氣壓力增大，壓力波動值在1.5×105Pa～1.9×105Pa之間,顯然，壓力波動值超過控制程序中的壓力擾動值。

2 控制策略

2.1 壓縮機輸出比控制模型

從以上實驗結(jié)果可以看出，壓力波動值超過控制模型中的壓力擾動值，如果在控制程序中壓力擾動值取1.9×105Pa，根據(jù)(1)式，目標壓力可能為14.4×105Pa，對應的冷凝溫度僅為40℃，會導致出風風度偏低，尤其是對長配管系統(tǒng)。因而不能采用加大控制程序中的壓力擾動值來解決壓縮機輸出比波動的問題。

針對數(shù)碼壓縮機PWM閥的開/關對壓力波動的影響特性，可取一個周期內(nèi)排氣壓力的平均值作為當前壓力基準值，再以公式(1)中的壓力為控制目標，按照圖6所示的輸出比控制模型來調(diào)節(jié)壓縮機的輸出能力。

圖6 數(shù)碼渦旋壓縮機輸出比控制模型圖Fig.6 Control model diagram on output ratio ofdigital scroll compressor

以計算第i個周期第j時刻的當前平均壓力為例，假定其周期時間為Ti，每秒取一次壓力值，平均壓力為前Ti個壓力總和的平均值，考慮到周期時間與壓縮機輸出比有關，不同輸出比下的周期時間不同，由壓縮機廠家給定，這樣，可能需要累加到上一個或幾個周期內(nèi)的壓力值，其計算表達式為

式中pi,m表示第i個周期第m時刻的壓力值，由于每秒采樣一次，公式(2)中的Ti在數(shù)值上等于某采樣周期的樣本數(shù)，也等于某壓力的時間序列。在程序中定義兩個計時器，第一個計時器計錄周期序號，第二個計時器記錄每個周期的時刻，當一個調(diào)節(jié)周期結(jié)束進入下一個調(diào)節(jié)周期，計時器清零，進入下一個周期后重新計時。

這種處理方法雖然不能保證每個時刻當前平均壓力相等，但能實現(xiàn)目標壓力波動值在擾動值0.8×105Pa以內(nèi)。

2.2 目標壓力的確定

圖7 壓縮機切換控制模型圖Fig.7 Switching model diagram between digital compressor and standard compressure

壓縮機輸出能力是根據(jù)目標壓力來調(diào)節(jié)的，目標壓力的大小對制熱量和性能系數(shù)(COP)有直接的關系。選取過大，會導致壓縮機能耗過大，選取過小，導致制熱量偏小，甚至達不到制熱量銘牌標稱值，出風溫度偏低。目標壓力的確定原則以制熱量不低于其標稱值的95%(企業(yè)標準)和實測功率最低時的排氣壓力作為目標壓力基準值。確定方法是通過監(jiān)控軟件調(diào)整壓縮機的能力輸出，在不同輸出比下分別進行名義制熱實驗，測到不同輸出能力時的制熱量和COP，確定出適合的壓縮機輸出能力和對應的排氣壓力，該壓力值作為控制功能中的目標壓力基準值。

控制功能中，考慮到數(shù)碼壓縮機和定頻壓縮機的特性，為提高COP，采取圖7所示的壓縮機切換控制策略，設置數(shù)碼壓縮機為優(yōu)先級高的壓縮機，優(yōu)先啟動，調(diào)節(jié)其輸出能力，直到100%輸出比，再切換啟動定頻壓縮機，提高COP。

3 實驗結(jié)果與分析

按照以上控制策略，以圖3中的同樣條件進行名義制熱實驗，驗證采用該控制策略后系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，采集的數(shù)據(jù)見圖8所示。圖8中Pd_ave為當前平均壓力，Pd_t為當前排氣壓力對應的飽和溫度，即冷凝溫度，Tave為當前平均冷凝溫度。

圖8(a)采用新控制策略后開啟1臺3HP 室內(nèi)機名義制熱時室外機運行參數(shù)Fig.8(a) Nominal heating operation parameters of outdoor unit by new control strategy when a 3HP indoor unit was thermo-on.

圖8(b)采用新控制策略后開啟1臺3HP 室內(nèi)機名義制熱時室內(nèi)機運行參數(shù)曲線Fig.8(b) Nominal heating operation parameters of indoor unit by new control strategy when a 3HP indoor unit was thermo-on.

從圖8可以看出隨著PWM閥的開、關，排氣壓力及對應的冷凝溫度不斷波動，這是數(shù)碼壓縮機的特性決定的，但是當前平均壓力和平均冷凝溫度穩(wěn)定，壓縮機輸出比除啟動階段外沒有出現(xiàn)波動的現(xiàn)象，運行穩(wěn)定。室內(nèi)機電子膨脹閥開度以及Tc1，Tc2非常穩(wěn)定，出風溫度控制精度高。同樣地，開啟其它室內(nèi)機進行名義制熱，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

對目標壓力基準值，以開啟一臺2.5HP風管機1和臺1HP風管機進行制熱為例，測試不同壓縮機輸出能力下的制熱量、功率、COP和對應的排氣壓力，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9中輸出比120%表示數(shù)碼壓縮機輸出比為20%，同時開啟了定頻壓縮機，為更清楚地顯示COP大小，圖中COP擴大了10倍。圖9表明當定頻壓縮機開啟時，COP明顯降低，這與圖7中的壓縮機切換控制模型圖相吻合；另外，提高壓縮機輸出比，功率和制熱量同時提高，但是制熱量提高的幅度高于功率，導致COP提高?？紤]到2.5HP、1HP風管機的制熱量標稱值分別為8kW、3kW，總和為11kW。 如果控制壓縮機以100%輸出比運行，雖然性能系數(shù)高達2.61，但是消耗功率平均值高達6280W，制熱量為16409W，遠超于標稱值。選取80%輸出比，制熱量、功率分別為11823W，4739W，COP為2.50，較為合適，此時目標壓力取14.6×105Pa，對應目標冷凝溫度為41℃。

考慮到長配管時的能力損失，取42℃較為合適，定義在控制程序中，按圖9的條件進行名義制熱實驗，測試結(jié)果是制熱量為12700W，功率為4960W，COP為2.56，測試結(jié)果較為理想。

圖9 不同壓縮機輸出能力下的實驗測試結(jié)果Fig.9 Heating experimental results under different output capacities of compressors

4 結(jié)論

多聯(lián)機空調(diào)系統(tǒng)的控制策略是多聯(lián)機關鍵技術，關系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及節(jié)能性，實驗證實數(shù)碼壓縮機制熱運行時功率、電流、壓力等參數(shù)呈周期性的波動特性，如果采用變頻多聯(lián)機常規(guī)控制策略，壓縮機輸出比、排氣溫度、室內(nèi)機液管溫度、氣管溫度以及出風溫度會產(chǎn)生一定的波動，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

1)針對數(shù)碼渦旋壓縮機的特性，提出有效的控制策略，包括壓縮機輸出比控制模型和壓縮機切換控制模型。輸出比控制模型中以一個周期時間內(nèi)壓力平均值作為當前壓力值調(diào)節(jié)壓縮機輸出比，實驗證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，壓縮機輸出比、排氣溫度、室內(nèi)機運行參數(shù)不再波動。在壓縮機切換控制策略中，設置數(shù)碼壓縮機為優(yōu)先級高的壓縮機，優(yōu)先啟動、調(diào)節(jié)其輸出能力，直到100%輸出比，再切換啟動定頻壓縮機，與實驗結(jié)果相吻合。

2)給出了目標壓力基準值確定原則，在滿足制熱量不低于能力標稱值的95%前提下，消耗功率最低時的壓力為目標壓力基準值。

3)實驗證明這種控制策略對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性以及節(jié)能方面，是可行的。

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