前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組的冷媒控制策略

陸海龍， 崔曉鈺

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.江森自控樓宇設(shè)備科技(無錫)有限公司，無錫 214028)

前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組的冷媒控制策略

陸海龍1，2， 崔曉鈺1

(1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.江森自控樓宇設(shè)備科技(無錫)有限公司，無錫 214028)

分析了前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收空調(diào)系統(tǒng)存在的主要應(yīng)用問題，提出了一種應(yīng)用于該類型空調(diào)機(jī)組的冷媒控制策略.通過測(cè)試證明，使用該冷媒控制策略的風(fēng)冷熱回收機(jī)組有效避免了風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行情況得到明顯改善.在常規(guī)工況下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；在熱回收器進(jìn)水溫度為30℃的低熱水溫度制冷工況下，機(jī)組節(jié)流裝置前液態(tài)冷媒的過冷度由0.2℃提升到3.1℃，冷凝熱的回收率從16.34%提高到19.48%，熱回收出水溫度升高約2.5℃；在制冷最大負(fù)荷工況下，排氣壓力過高時(shí)，機(jī)組可以按照控制邏輯設(shè)定回收系統(tǒng)中多余的冷媒，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行.

前置串聯(lián)；風(fēng)冷；熱回收；冷媒；控制策略

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)建筑物的能源消耗也逐年增加，包括環(huán)境供暖、空調(diào)、日用衛(wèi)生熱水等.空調(diào)及熱泵系統(tǒng)正被廣泛地用來為建筑物供暖和制冷.我國(guó)一次能源消費(fèi)總量近年來持續(xù)增長(zhǎng)，于2010年超越美國(guó)成為全球第一.在全球能源供應(yīng)量趨于穩(wěn)定的今天，我國(guó)所面臨的能源供給與消費(fèi)壓力將逐年增加[1].

傳統(tǒng)的空調(diào)及熱泵系統(tǒng)在夏天運(yùn)行空調(diào)制冷模式時(shí)，大量的冷凝熱直接排放到環(huán)境中，通?？蛇_(dá)到制冷量的115%～130%[2].而另一方面，為滿足建筑物衛(wèi)生用水的需要，額外配備的電燃?xì)忮仩t還要全天運(yùn)行.因此，在能源收支平衡中熱損失占了很大一部分.同時(shí)，中央空調(diào)冷凝熱排放所造成的熱島效應(yīng)等問題也日益嚴(yán)重.在夏季空調(diào)機(jī)組制冷時(shí)，通常采取的冷凝方式是將冷凝熱全部排向大氣，同時(shí)運(yùn)行電鍋爐來加熱熱水，以滿足建筑內(nèi)衛(wèi)生熱水的需求，這樣造成了對(duì)室外環(huán)境的嚴(yán)重?zé)嵛廴?，引起城市的“熱島效應(yīng)”[3].

解決空調(diào)冷凝熱排放最直接的方法就是熱回收技術(shù).20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)開始有關(guān)冷凝熱回收技術(shù)方面的研究.榮國(guó)華[4]提出夏季利用制冷機(jī)冷凝器加熱自來水，可以提供熱水，降低能耗.吳獻(xiàn)忠等[2]針對(duì)蒸汽壓縮制冷裝置的特點(diǎn)，提出了直接將滿足熱水用量的自來水送入熱回收器，利用壓縮機(jī)的排氣顯熱和部分冷凝潛熱對(duì)其進(jìn)行加熱，高溫?zé)崴畠?chǔ)存在儲(chǔ)水箱內(nèi)以供使用.龔光彩等[5]提出了雙冷凝器熱回收技術(shù)，在壓縮機(jī)和冷凝器之間增加一個(gè)熱回收器(冷凝器)回收冷凝熱.該技術(shù)可以直接回收制冷機(jī)組的蒸汽顯熱或顯熱加部分潛熱，一次性加熱或循環(huán)加熱給水到指定溫度.江輝民等[6]從試驗(yàn)的角度，論證了回收空調(diào)冷凝熱來加熱熱水的可行性，并認(rèn)為這種帶有冷凝熱回收的節(jié)能空調(diào)器比常規(guī)空調(diào)器性能更高，節(jié)能意義更大.黃璞潔等[7]把集中空調(diào)系統(tǒng)的冷凝熱回收機(jī)組、蓄熱水箱引入到常規(guī)空調(diào)與生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，并與傳統(tǒng)的空調(diào)和生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)制冷時(shí)間較長(zhǎng)的夏熱冬暖地區(qū)，空調(diào)冷凝熱回收技術(shù)對(duì)于減少?gòu)U熱排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行意義重大.童春輝等[8]對(duì)基于空調(diào)系統(tǒng)的制冷、制熱、熱回收三聯(lián)供機(jī)組進(jìn)行分類，重點(diǎn)回顧了針對(duì)前置串聯(lián)式和并聯(lián)式系統(tǒng)的性能和動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的研究現(xiàn)狀.

目前，冷凝熱回收的方式可分為:a.將冷凝器熱回收裝置串聯(lián)在冷凝器前，吸收冷凝熱的高品位熱能；b.將冷凝器熱回收裝置與冷凝器并聯(lián)，通過控制系統(tǒng)保證機(jī)組正常運(yùn)行，同時(shí)回收冷凝熱.其中前置串聯(lián)式熱回收系統(tǒng)簡(jiǎn)單易行，主要設(shè)計(jì)方案是在標(biāo)準(zhǔn)冷水機(jī)組的壓縮機(jī)排氣側(cè)、風(fēng)側(cè)換熱器前串聯(lián)一個(gè)板式熱回收器，運(yùn)行時(shí)能夠同時(shí)滿足冷凝熱回收功能和制冷功能.這種熱回收形式最高能夠回收80%以上的冷凝熱，最高出水溫度可達(dá)到60℃以上，完全可以滿足日常生活用水的需求，故作為空調(diào)熱回收的形式潛力極大.

目前，針對(duì)空調(diào)熱回收技術(shù)研究的重點(diǎn)主要集中在系統(tǒng)的可行性論證和系統(tǒng)的整體穩(wěn)態(tài)性能及經(jīng)濟(jì)性等方面，而對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的實(shí)際應(yīng)用問題及可靠性風(fēng)險(xiǎn)的改善涉及較少.在前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組產(chǎn)品開發(fā)過程中，主要問題是不同工況下需要不同冷媒充注量，來保證熱回收效果及機(jī)組運(yùn)行可靠性.在冷媒流量控制方法方面，蘇順玉等[9]提出了儲(chǔ)液器法和噴射液法來解決熱泵型空調(diào)在制冷和制熱工況下所需冷媒充注量差異，并通過試驗(yàn)證明了其作用.筆者認(rèn)為，通過控制策略使冷媒充注量準(zhǔn)確變化以適應(yīng)不同工況的需求，更適合于解決冷媒充注量與工況差異之間的矛盾.

根據(jù)在大型風(fēng)冷熱回收機(jī)組研發(fā)和改進(jìn)過程中積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本文分析了前置串聯(lián)式部分熱回收冷水機(jī)組常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用問題，并提出簡(jiǎn)易、可靠的冷媒控制策略，結(jié)合產(chǎn)品控制邏輯解決相應(yīng)的系統(tǒng)問題，以便供從事相關(guān)研究的人員參考.

1 常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其主要應(yīng)用

前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組是在標(biāo)準(zhǔn)冷水機(jī)組的壓縮機(jī)排氣側(cè)、風(fēng)側(cè)換熱器前串聯(lián)一個(gè)板式熱回收器，運(yùn)行時(shí)能夠同時(shí)滿足冷凝熱回收功能和制冷功能的空調(diào)機(jī)組.

常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，在冷凝器出口處安裝儲(chǔ)液器，當(dāng)冷凝器出口的冷媒無過冷度時(shí)，儲(chǔ)液器出口為飽和狀態(tài)的液態(tài)冷媒.當(dāng)熱回收器不運(yùn)行(即熱水未流動(dòng))時(shí)，制冷系統(tǒng)的冷凝器出口冷媒過冷度和蒸發(fā)器出口氣體過熱度與不帶熱回收功能的標(biāo)準(zhǔn)冷水機(jī)組基本相同.在各極限運(yùn)行工況下，冷水機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)報(bào)警停機(jī)現(xiàn)象.

然而當(dāng)熱回收器工作時(shí)，常用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在應(yīng)用問題，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面.

a.機(jī)組在熱回收器換熱能力強(qiáng)的工況運(yùn)行時(shí)，過冷度較小，易產(chǎn)生可靠性風(fēng)險(xiǎn).

圖1 常用設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)Fig.1 Common design solution system

制冷系統(tǒng)中冷凝液的過冷度主要有兩種作用:一是降低節(jié)流裝置后形成的閃發(fā)氣體量，這樣進(jìn)入蒸發(fā)器的較多液態(tài)冷媒會(huì)改善換熱，提高系統(tǒng)的性能；二是確保節(jié)流裝置前不會(huì)形成氣體，避免氣蝕對(duì)膨脹閥等節(jié)流裝置產(chǎn)生危害，并保證制冷劑流量的穩(wěn)定.

表1是一臺(tái)風(fēng)冷冷水機(jī)組使用熱回收器前后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)顯示，使用熱回收器后冷凝溫度降低了2.9℃，但是過冷度卻減少了3℃.制冷系統(tǒng)冷凝壓力的降低依賴于冷凝段換熱能力的增強(qiáng)，而冷凝器出口冷媒過冷度的增加依賴于冷凝器中過冷段換熱能力的增強(qiáng).使用熱回收器后過冷度減少的原因在于:一方面，冷凝溫度的降低使冷凝器中冷媒與環(huán)境溫度的換熱溫差減小，單位面積的換熱能力降低；另一方面，熱回收器內(nèi)部及其后方的一段空間積累的液態(tài)冷媒會(huì)使冷凝器中的過冷段面積減少，總的過冷段換熱能力降低.

實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)冷冷凝器換熱管的總內(nèi)容積比液態(tài)冷媒的容積大很多，順著冷媒的流動(dòng)方向，液態(tài)冷媒在換熱管內(nèi)逐漸增多，當(dāng)換熱管內(nèi)充滿液態(tài)冷媒時(shí)，即代表冷凝過程的結(jié)束和過冷過程的開始.冷凝器出口如果仍然沒有充滿液態(tài)冷媒，則代表不存在過冷度，這樣長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行將對(duì)節(jié)流裝置產(chǎn)生氣蝕，機(jī)組運(yùn)行存在可靠性風(fēng)險(xiǎn).

表1 使用熱回收器前后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Test data comparison for heat recoverer used and not used

b.無法滿足熱回收量和熱回收出水溫度都高的需求.

基于國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)的要求，風(fēng)冷冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)趨向于更低的冷凝溫度，故排氣壓力和排氣溫度較低.熱回收器開啟后，進(jìn)一步增加了冷凝效果，降低了冷凝溫度，排氣溫度下降.若保證熱回收出水溫度不變，換熱溫差下降，熱回收冷水機(jī)組的熱回收量就會(huì)較低；相反，若保證熱回收量不變，則必須降低熱回收出水溫度.在熱回收進(jìn)水溫度低且熱負(fù)荷需求比較大的情況下，需要同時(shí)保證出水溫度和熱回收量，原設(shè)計(jì)方案往往不能滿足客戶的需求.

2 冷媒控制策略的原理及控制系統(tǒng)

冷凝器作為制冷系統(tǒng)的重要部件，其傳熱性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的性能有較大影響.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況或冷媒充注量發(fā)生改變時(shí)，冷凝器的換熱量、出口冷媒的狀態(tài)都將發(fā)生變化[10].

制冷系統(tǒng)中通常使用增加冷媒充注量或在冷凝器出口增加小容積過冷器的方法來增加過冷度，使用固定容積的儲(chǔ)液器來平衡不同工況下系統(tǒng)所需冷媒量的差異.這些方案的思路是使系統(tǒng)部件在不同工況下去適應(yīng)固定的冷媒充注量.筆者認(rèn)為，使冷媒充注量準(zhǔn)確變化以適應(yīng)不同工況的需求，能夠更加有利于機(jī)組可靠運(yùn)行.

2.1 冷媒控制策略的原理

冷媒控制策略是在系統(tǒng)中增加冷媒充注量，并增加可自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷媒量的儲(chǔ)液裝置，通過控制儲(chǔ)液器內(nèi)部的冷媒量，對(duì)系統(tǒng)中的冷媒量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制冷凝器中過冷段的面積.具體原理如下:

a.將高壓側(cè)氣態(tài)冷媒引入充滿液態(tài)冷媒的密閉儲(chǔ)液器中，通過另一個(gè)出口通向冷凝器液管，利用儲(chǔ)液器進(jìn)出口的壓差使儲(chǔ)液器內(nèi)的液態(tài)冷媒排出.經(jīng)過循環(huán)，增加的冷媒最終會(huì)呈液態(tài)形式儲(chǔ)存在冷凝器中，增加了過冷區(qū)的換熱面積，從而增加過冷度，這樣可以解決機(jī)組在熱回收器進(jìn)出水溫度較低的工況運(yùn)行時(shí)無過冷度的問題.

b.在蒸發(fā)器出水溫度趨于穩(wěn)定的情況下，蒸發(fā)器換熱能力不變，節(jié)流裝置通過自動(dòng)調(diào)節(jié)冷媒流量來控制吸氣過熱度不變，則低壓側(cè)的冷媒量基本不變.在熱回收進(jìn)水溫度低時(shí)，向系統(tǒng)中充注冷媒，在系統(tǒng)重新達(dá)到平衡后，額外充注的冷媒會(huì)呈液態(tài)積聚在高壓側(cè)容積較大的風(fēng)冷冷凝器內(nèi)，這樣減少了冷凝器中冷凝段的換熱面積，將強(qiáng)制提高冷凝溫度，從而提高熱回收出水溫度.

c.為了防止冷凝器內(nèi)液態(tài)冷媒過多、系統(tǒng)排氣壓力過高的情況，在過冷度過大、排氣壓力接近保護(hù)設(shè)定值時(shí)，將系統(tǒng)中的冷媒回收到儲(chǔ)液器中.

2.2 冷媒控制策略

冷媒控制策略系統(tǒng)如圖2所示，排氣管路和冷凝器液管分別經(jīng)過第一電動(dòng)截止閥和第二電動(dòng)截止閥，與冷媒調(diào)節(jié)裝置(儲(chǔ)液器)相連，排氣管路引至冷媒調(diào)節(jié)裝置上部，冷凝器液管引至冷媒調(diào)節(jié)裝置底部.其中虛線框內(nèi)的裝置是冷媒控制策略的主要執(zhí)行部件.

圖2 冷媒控制策略系統(tǒng)Fig.2 System of refrigerant control strategy

當(dāng)檢測(cè)到節(jié)流裝置前冷媒的過冷度低于設(shè)定值或熱回收出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，同時(shí)開啟第一電動(dòng)截止閥和第二電動(dòng)截止閥，將冷媒儲(chǔ)液器內(nèi)的部分或全部冷媒排到系統(tǒng)中去，使節(jié)流裝置前的過冷度或熱回收出水溫度始終保持在合理的范圍內(nèi).當(dāng)檢測(cè)到節(jié)流裝置前冷媒過冷度或排氣壓力高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉第一電動(dòng)截止閥，開啟第二電動(dòng)截止閥，將系統(tǒng)中部分液態(tài)冷媒排到冷媒儲(chǔ)液器中去.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)正常時(shí)，同時(shí)關(guān)閉第一電動(dòng)截止閥和第二電動(dòng)截止閥，使冷媒儲(chǔ)液器不參與系統(tǒng)循環(huán).

3 冷媒控制策略的驗(yàn)證

3.1 測(cè)試設(shè)備及驗(yàn)證方案

3.1.1 測(cè)試設(shè)備

為了驗(yàn)證本文提出的冷媒控制策略的正確性、實(shí)用性及可靠性，使用一臺(tái)風(fēng)冷冷水機(jī)組進(jìn)行改裝，增加熱回收板式換熱器和控制策略相關(guān)的部件，設(shè)計(jì)測(cè)試工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)原理如圖3所示，該風(fēng)冷焓差測(cè)試臺(tái)利用一臺(tái)水冷螺桿鹽水機(jī)組作為工況機(jī)，其冷凍水一部分通至房間頂部的盤管，用于冷卻從風(fēng)冷熱回收機(jī)組頂部吹出的熱風(fēng)，使其達(dá)到工況要求的溫度后從房間兩側(cè)送回；另一部分與鹽水機(jī)組的冷卻水在水箱里混合，達(dá)到要求的回水溫度后，供給風(fēng)冷機(jī)組的蒸發(fā)器.熱回收器的熱水則通過冷卻塔冷卻來達(dá)到要求的進(jìn)水溫度.其中，T1，T2分別為蒸發(fā)器進(jìn)水、出水溫度；T′1，T′2分別為熱回收器進(jìn)水、出水溫度；T3，T4分別為盤管進(jìn)水、出水溫度；T5，T6分別為工況機(jī)冷凍水進(jìn)水、出水溫度；V1，V2，V3分別為蒸發(fā)器、冷卻塔和水箱的水溫控制閥.

測(cè)試樣機(jī)的制冷劑使用R410A，壓縮機(jī)為美國(guó)谷輪渦旋壓縮機(jī)，其型號(hào)為ZP385KCE-TWD，排量為60.79 m3/h，設(shè)計(jì)名義工況制冷量88.7 kW，輸入功率24.5 kW，共3臺(tái).熱力膨脹閥選用丹佛斯生產(chǎn)的型號(hào)為TRE80-100L的外平衡式熱力膨脹閥，風(fēng)冷冷凝器采用翅片管式換熱器，配4臺(tái)永安品牌風(fēng)機(jī)，蒸發(fā)器采用阿法拉伐ACH502型板式換熱器，熱回收器選用舒瑞普B60型板式換熱器.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募靶枰P(guān)注的對(duì)象，在機(jī)組管路中安裝相應(yīng)測(cè)點(diǎn).測(cè)試臺(tái)位安裝干濕球采樣器、功率計(jì).機(jī)組安裝壓力、溫度檢測(cè)點(diǎn):分別在壓縮機(jī)吸氣、排氣口，熱回收器進(jìn)、出口，膨脹閥進(jìn)、出口，蒸發(fā)器進(jìn)、出口處布置壓力、溫度傳感器；分別在冷凍水和熱水進(jìn)、出口處布置鉑電阻溫度傳感器和流量計(jì)等.

水流量計(jì)的精度高于±0.1%RDG(實(shí)際流量測(cè)量值的±1%)；冷凍水和冷卻水進(jìn)、出口溫度測(cè)量采用四線制PT100鉑電阻溫度計(jì)(RTD)，精度±0.1%，其它溫度測(cè)量用測(cè)量溫度允差±0.5℃；數(shù)字功率計(jì)用于測(cè)量電流、電壓、功率因數(shù)、功率，精度±0.2%；電流互感器用于電流的測(cè)量，精度±0.2%.

測(cè)試軟件可監(jiān)控并顯示機(jī)組的各種參數(shù)，包括溫度、壓力、換熱量、功率和電流等，每個(gè)參數(shù)會(huì)有一個(gè)允許的偏差范圍，所有參數(shù)都保持在偏差范圍內(nèi)，則視為工況穩(wěn)定.

圖3 測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of test lab system

3.1.2 驗(yàn)證方案

為了對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計(jì)以下3種測(cè)試工況.

a.常規(guī)工況:在環(huán)境溫度分別為30，35，40和45℃，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度12℃、出水溫度7℃，熱回收器進(jìn)出水溫差5℃、出水溫度分別為50℃和60℃的多個(gè)組合情況下，運(yùn)行機(jī)組并分析冷媒控制策略的可行性.

b.低熱回收進(jìn)水溫度工況(環(huán)境溫度25℃，熱回收器進(jìn)水溫度30℃):與優(yōu)化前數(shù)據(jù)對(duì)比，用來驗(yàn)證冷媒控制策略是否可以將儲(chǔ)液器中的液態(tài)冷媒自動(dòng)補(bǔ)充到系統(tǒng)內(nèi)，提高冷凝溫度，增加過冷度，起到使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行以及提升熱回收效率的作用.

c.制冷最大負(fù)荷工況(環(huán)境溫度46℃，蒸發(fā)器進(jìn)水溫度20℃、出水溫度15℃，熱回收器不工作):用來驗(yàn)證機(jī)組在允許運(yùn)行的極限工況下，是否可以通過控制邏輯將多余的液態(tài)冷媒轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)液器中，防止排氣壓力過高，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行.

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

3.2.1 常規(guī)工況下測(cè)試分析

吸排氣壓力隨環(huán)境和熱水溫度變化的關(guān)系如圖4所示.可以看出，由于蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度不變，吸氣壓力基本保持不變；而隨著環(huán)境溫度的升高，冷凝器的冷卻效果下降，排氣壓力相應(yīng)升高；當(dāng)提高熱回收進(jìn)水溫度使熱回收出水溫度上升，則縮小了出水溫度與排氣溫度間的換熱溫差，冷卻換熱效果下降，排氣壓力相應(yīng)上升.

圖4 吸排氣壓力曲線Fig.4 Suction and discharge pressure curves

制冷量和熱回收量隨環(huán)境和熱水溫度變化的關(guān)系如圖5所示(見下頁(yè)).可以看出，保持熱回收出水溫度不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的上升，制冷量逐漸下降；但環(huán)境溫度上升后，機(jī)組排氣溫度上升，熱回收出水溫度與排氣溫度之間的換熱溫差增大，熱回收量逐漸上升.在環(huán)境溫度為40℃和45℃時(shí)，制冷量基本沒有變化，這是因?yàn)榇藭r(shí)冷凝器換熱能力已比較小，熱回收器承擔(dān)了主要的冷卻換熱，所以總的冷卻換熱能力基本不變.

性能系數(shù)隨環(huán)境和熱水溫度變化的關(guān)系如圖6所示(見下頁(yè)).可以看出，熱回收器出水溫度的差異并未對(duì)能效比COP產(chǎn)生明顯的影響，僅在環(huán)境溫度較高時(shí)，由于水溫降低帶來的排氣壓力下降，使壓縮

圖5 制冷量和熱回收量曲線Fig.5 Cooling and heat recovery capacity curves

圖6 能效比曲線Fig.6 Coefficient of performance curves

機(jī)功率降低，從而提高了COP.以上測(cè)試結(jié)果顯示，吸排氣壓力、制冷量、熱回收量與COP隨環(huán)境溫度和熱水溫度的變化呈線性規(guī)律分布.這表示常規(guī)工況下，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)主要受換熱的影響，沒有出現(xiàn)由于冷媒控制策略原理錯(cuò)誤或誤動(dòng)作產(chǎn)生的異常.所以冷媒控制策略在常規(guī)工況下應(yīng)用正常.

3.2.2 低熱回收進(jìn)水溫度工況的測(cè)試對(duì)比

工況參數(shù)為環(huán)境溫度25℃、蒸發(fā)器出水溫度7℃、熱回收器進(jìn)水溫度30℃，保持蒸發(fā)器和熱回收器的標(biāo)準(zhǔn)水流量，機(jī)組滿載運(yùn)行.

冷媒控制策略應(yīng)用前后的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示.試驗(yàn)結(jié)果表明:在冷媒控制策略應(yīng)用前機(jī)組無過冷度，應(yīng)用后由于系統(tǒng)中增加冷媒量，冷凝器過冷段換熱面積增加，過冷度增大；冷凝段換熱面積減少，從而使冷凝溫度上升，排氣溫度與熱回收器進(jìn)水溫度之間的溫差增加，熱回收率上升；進(jìn)水溫度與流量不變的情況下，熱水出水溫度也有明顯上升.從表2數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，在控制系統(tǒng)使膨脹閥前過冷度由0.2℃提升到3.1℃，可以滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求；熱回收率(回收熱量占總冷凝熱的百分比)從16.34%提高到19.48%，熱回收器出水溫度提高約2.5℃，熱回收效果提升明顯.

以上結(jié)果表明，冷媒控制策略在此工況下能夠起到明顯的系統(tǒng)優(yōu)化作用.

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Test data comparison

3.2.3 制冷最大負(fù)荷工況的系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)情況

工況參數(shù)均為環(huán)境溫度46℃、蒸發(fā)器進(jìn)水溫度20℃、出水溫度15℃，機(jī)組滿載運(yùn)行，熱回收器不通水.

測(cè)試機(jī)組設(shè)置排氣壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度達(dá)到60℃時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出回收冷媒動(dòng)作指令，控制系統(tǒng)應(yīng)保證系統(tǒng)能夠始終運(yùn)行在排氣壓力設(shè)定值以下.

從排氣壓力數(shù)據(jù)曲線中可以發(fā)現(xiàn)，控制系統(tǒng)動(dòng)作前，排氣壓力達(dá)3.75 MPa(R410A相對(duì)飽和溫度為60.0℃)；控制系統(tǒng)動(dòng)作后，排氣壓力降至3.7 MPa(相對(duì)飽和溫度為59.2℃).

冷媒優(yōu)化策略應(yīng)用后，儲(chǔ)液器內(nèi)的冷媒液位上升，從儲(chǔ)液器外壁的視鏡中(圖7)可以看出，系統(tǒng)中液態(tài)冷媒的遷移情況.在制冷最大負(fù)荷工況下，系統(tǒng)中的液態(tài)冷媒被轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)液器內(nèi)，從而使冷凝器內(nèi)不會(huì)有過多液態(tài)冷媒積累而影響換熱效率，最終使冷凝壓力降低.測(cè)試表明，冷媒控制系統(tǒng)可以在排氣壓力過高時(shí)，通過控制邏輯將冷凝器中多余的液態(tài)冷媒轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)液器中，降低排氣壓力，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖7 視鏡內(nèi)冷媒液位變化Fig.7 Refrigerant liquid level change in sightglass

4 結(jié) 論

針對(duì)前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組主要問題，提出了一種冷媒控制策略，詳細(xì)闡述了該控制策略的原理及控制方法，并在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)使用該控制策略的空調(diào)機(jī)組進(jìn)行驗(yàn)證.主要結(jié)論如下:

a.本文所提出的冷媒控制策略的原理是使冷媒充注量準(zhǔn)確變化以適應(yīng)不同工況的需求，實(shí)現(xiàn)方案是在系統(tǒng)中增加冷媒充注量，并增加可通過控制邏輯調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷媒量的儲(chǔ)液裝置，通過控制冷凝器中過冷段的面積來控制冷凝溫度和過冷度，從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行改善.

b.設(shè)計(jì)3種測(cè)試工況，在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該控制方法進(jìn)行測(cè)試.在常規(guī)工況下，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定；在低熱回收進(jìn)水溫度制冷工況下，機(jī)組的過冷度由0.2℃提升到3.1℃，冷凝熱的回收率從16.34%提高到19.48%，熱回收出水溫度升高約2.5℃；在制冷最大負(fù)荷工況排氣壓力過高時(shí)，機(jī)組可以自動(dòng)回收系統(tǒng)中多余的冷媒，避免機(jī)組報(bào)警.試驗(yàn)結(jié)果證明，該冷媒控制策略在提高前置串聯(lián)式風(fēng)冷熱回收機(jī)組的熱回收換熱效果及保證冷凝液過冷度方面有明顯作用，具備實(shí)用性.

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(編輯:董 偉)

Ref rigerant Control Strategy of Prepositive Tandem Air-Cooled Heat Recovery Chiller

LUHailong1，2， CUI Xiaoyu1
(1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Johnson Control Building Efficiency Technology(Wuxi)Co.Ltd.，Wuxi 214028，China)

The main risks of prepositive tandem air-cooled heat recovery system were adequately analyzed，and a refrigerant control strategy applied in this type of unit was raised to resolve these risks.The test data prove that the operation situation of an air-cooled heat recovery chiller unit is stable in normal conditions，and can be significantly improved in condition that the inlet hot water temperature is 30℃:the sub-cooling is increased from 0.2℃to 3.1℃；the heat recovery rate of the unit condensing heat is increased from 16.34%to 19.48%，and the heat recovery leaving water temperature is increased by 2.5℃.When the discharge pressure of the compressor is too high，the control system can recycle the redundant refrigerant in system to ensure the unit’s stable operation according to the control logic.By using the refrigerant control strategy proposed，the root problems of prepositive tandem air-cooled heat recovery system can be solved.

prepositive tandem；air-cooled；heat recovery；refrigerant；control strategy

TB 651

A

2013-12-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076104)；上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14ZR1429100)

陸海龍(1982-)，男，碩士研究生.研究方向:制冷過程與節(jié)能.E-mail:long-0422194@sohu.com

崔曉鈺(1967-)，女，教授.研究方向:工程熱物理、制冷與空調(diào)技術(shù)等.E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn