變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)再熱除濕性能的實(shí)驗(yàn)研究

劉 敏 王遠(yuǎn)鵬 石靖峰 林文濤

(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司開發(fā)中心 青島 266510)

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變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)再熱除濕性能的實(shí)驗(yàn)研究

劉 敏 王遠(yuǎn)鵬 石靖峰 林文濤

(青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司開發(fā)中心 青島 266510)

本文設(shè)計(jì)并搭建了再熱除濕多聯(lián)式變制冷劑流率(VRF)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對6種工況下VRF系統(tǒng)的除濕量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考察，并對再熱電子膨脹閥(EVW)開度和再熱器換熱面積對室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度的影響進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：VRF系統(tǒng)應(yīng)用并聯(lián)式再熱器能有效提升除濕量，室內(nèi)機(jī)1#和2#的再熱除濕量分別增加了11.7%～40.4%和10.5%～28.9%。EVW開度存在最優(yōu)值，使得再熱提升溫差取得最大值，最優(yōu)EVW開度隨著室溫Ti的降低而增加。為了實(shí)現(xiàn)等溫除濕，室內(nèi)機(jī)1#和2#所需的EVW開度分別為9.6%～9.9%和6.5%～7.0%。為了實(shí)現(xiàn)升溫除濕，所需的EVW開度隨室溫Ti的降低和再熱器面積的降低而增加。

變制冷劑流率系統(tǒng)；空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)；電子膨脹閥；制冷性能實(shí)驗(yàn)；除濕

空調(diào)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)夏季除濕，需將送風(fēng)溫度降至空氣露點(diǎn)以下[1-3]。在過渡季節(jié)或梅雨季節(jié)，降溫除濕的方式容易導(dǎo)致室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度過低，使房間熱舒適特性較差且系統(tǒng)能效特性較低。家用空調(diào)通過再熱除濕的方式，利用冷凝器排熱提升降溫除濕后空氣的溫度，以避免“冷吹風(fēng)感”[4-6]。對于大容量應(yīng)用場合，應(yīng)用變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)(VRF系統(tǒng))取代多個(gè)單元式空調(diào)器，可獲得較高的系統(tǒng)能效特性并保證不同房間的靈活控制[7-11]。家用空調(diào)可以通過停止或降低室外側(cè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)、將室外電子膨脹閥全開并利用除濕電磁閥節(jié)流，將冷凝熱轉(zhuǎn)移到室內(nèi)機(jī)的再熱器中。該方式無法在VRF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，主要是因?yàn)槎嗦?lián)式VRF系統(tǒng)某個(gè)房間進(jìn)行再熱除濕時(shí)，其它房間有可能需要進(jìn)行制冷運(yùn)行，因此其室外側(cè)風(fēng)扇需保持運(yùn)轉(zhuǎn)。劉敏[12]設(shè)計(jì)了三管制全熱處理的VRF系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)新風(fēng)換氣和溫、濕度獨(dú)立控制。但該技術(shù)方案需要對現(xiàn)有換熱器的翅片進(jìn)行吸濕材料涂層處理，對現(xiàn)有工藝及材料的改動(dòng)較大，且室內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜。因此，劉敏等[13]基于現(xiàn)有主流的多聯(lián)式VRF系統(tǒng)技術(shù)方案，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多功能熱回收的VRF系統(tǒng)，保證系統(tǒng)中任意室內(nèi)機(jī)可獨(dú)立運(yùn)行制冷、制熱或再熱除濕三種工況，最大程度發(fā)揮多聯(lián)式VRF系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。

多聯(lián)式VRF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、內(nèi)部參數(shù)高度耦合、邊界條件多樣，目前國內(nèi)外知名的變頻多聯(lián)機(jī)廠家出于商業(yè)保密，很少報(bào)道VRF系統(tǒng)再熱除濕相關(guān)的研究結(jié)果，有關(guān)技術(shù)方案請參考文獻(xiàn)[12-16]。本文基于文獻(xiàn)[13]的技術(shù)方案，搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對機(jī)組的再熱除濕性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并詳細(xì)考察了再熱電子膨脹閥EVW開度和再熱器換熱面積對出風(fēng)溫度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。室外機(jī)基于型號為RAS-160FXPNQ的海信日立公司的VRF機(jī)組改造而來，主要由變頻壓縮機(jī)、油分離器、單向閥、四通閥、室外換熱器、室外側(cè)電子膨脹閥EVO、氣液分離器、回油毛細(xì)管、回油電磁閥、電磁閥A和電磁閥B構(gòu)成。壓縮機(jī)采用日立的E500HHD-36A2渦旋壓縮機(jī)；EVO采用型號為CAM-50YGHS-1的不二工機(jī)電子膨脹閥，閥口徑為φ2.4 mm；電磁閥A和電磁閥B型號均為VPV-1204DQ50的鷺宮電磁閥，閥口徑為φ11 mm；回油電磁閥是型號為SR10D-87的日電工業(yè)電磁閥；回油毛細(xì)管外徑、壁厚及長度分別為φ2.5 mm、0.55 mm及2320 mm。室內(nèi)機(jī)1#和室內(nèi)機(jī)2#均由蒸發(fā)器、再熱器、室內(nèi)側(cè)電子膨脹閥EVI和電子膨脹閥EVW構(gòu)成。EVI-A、EVI-B、EVW-A及EVW-B均采用型號為CAM-50YGHS-1的不二工機(jī)電子膨脹閥，閥口徑均為φ2.4 mm。室外換熱器、蒸發(fā)器A、再熱器A、蒸發(fā)器B和再熱器B的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，換熱器的銅管外徑及壁厚分別為φ7.0 mm及0.31 mm。

圖1 再熱除濕VRF系統(tǒng)的循環(huán)示意圖Fig.1 System diagram for reheat dehumidification VRF system

幾何參數(shù)室外換熱器蒸發(fā)器A再熱器A蒸發(fā)器B再熱器B長/mm1011.0737.0650.0737.0650.0高/mm1340.0180.080.0180.0120.0排數(shù)22121U型銅管根數(shù)667273翅片寬度/mm17.3217.3217.3217.3217.32翅片間距/mm1.91.81.81.81.8換熱面積/m246.34.80.84.81.1

系統(tǒng)的6種運(yùn)行模式下各部件的詳細(xì)控制方法可參見文獻(xiàn)[13]。本文以室內(nèi)機(jī)1#及2#均進(jìn)行再熱除濕運(yùn)行為例進(jìn)行簡要介紹。該模式下，室外機(jī)進(jìn)行制冷運(yùn)轉(zhuǎn)，室外換熱器作為冷凝器；電磁閥A打開，電磁閥B關(guān)閉；EVW-A及EVW-B均全開，使再熱器A及再熱器B均作為冷凝器；EVI-A及EVI-B均節(jié)流降壓，使換熱器A及換熱器B均作為蒸發(fā)器。當(dāng)電磁閥A及電磁閥B均關(guān)閉且電子膨脹閥EVW全閉時(shí)，此時(shí)室內(nèi)機(jī)進(jìn)行普通的降溫除濕模式運(yùn)行，室內(nèi)機(jī)中再熱器不起作用，僅蒸發(fā)器進(jìn)行降溫除濕。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文多聯(lián)式VRF系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室測得。使用的焓差實(shí)驗(yàn)室符合以下國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 18837—2002、GB/T 7725—2004、GB/T 17758—1999、GB/T 18836—2002、GB/T 19232—2003及GB/T 19413—2003。焓差實(shí)驗(yàn)室的主要傳感器測量精度如下：T型熱電偶精度為±0.5 ℃；鉑電阻熱電偶精度為±0.1 ℃；壓力傳感器精度為±0.5%FS；頻率計(jì)精度為±1%；功率計(jì)精度為±0.2% FS。在空氣溫度均勻性方面，實(shí)驗(yàn)室要求穩(wěn)定時(shí)室內(nèi)側(cè)被測機(jī)回風(fēng)口溫度偏差小于0.5 ℃，室外側(cè)被測機(jī)回風(fēng)口溫度偏差小于1 ℃。實(shí)驗(yàn)精度方面，保證三次獨(dú)立安裝后測試結(jié)果的平均值與標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)三次測試結(jié)果平均值的偏差在-2%～2%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集周期為10 s。

室內(nèi)機(jī)的除濕量可結(jié)合進(jìn)出風(fēng)含濕量和風(fēng)量計(jì)算得到，也可以通過稱量室內(nèi)機(jī)排除的冷凝水實(shí)測得到。焓差實(shí)驗(yàn)室長期測試結(jié)果顯示，實(shí)測所得除濕量比計(jì)算數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。因此，本文以機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行60 min時(shí)實(shí)際稱量的除濕量作為采集數(shù)據(jù)，稱重器具的精度為±0.005 kg。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對6種工況下機(jī)組的除濕量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考察，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，室內(nèi)相對濕度RH恒定情況下，室內(nèi)機(jī)1#及2#的除濕量隨室內(nèi)回風(fēng)干球溫度Ti的降低而降低。例如，當(dāng)室外干球溫度Ta=35 ℃且室內(nèi)RH=95%時(shí)，Ti從18 ℃降低到12 ℃，室內(nèi)機(jī)1#的降溫除濕量從1.33 kg/h減少為1.03 kg/h。主要是因?yàn)門i的降低會(huì)減小空氣含濕量，從而削弱機(jī)組的除濕能力。

從表2還可以看出，對于室內(nèi)機(jī)1#和2#，相同工況下再熱除濕量均大于降溫除濕量，主要原因：與普通降溫除濕模式相比，再熱除濕模式下室外冷凝器的制冷劑流率小，使室外冷凝器出口的制冷劑過冷度增加；另一方面，與室內(nèi)側(cè)再熱器換熱的空氣是經(jīng)過室內(nèi)蒸發(fā)器的低溫空氣，比環(huán)境溫度低得多，使再熱器中冷凝后的制冷劑過冷度增加。兩方面的因素導(dǎo)致再熱除濕模式下蒸發(fā)器入口處制冷劑溫度比普通降溫除濕模式的低，蒸發(fā)器移除潛熱的能力更大，增大了室內(nèi)機(jī)的除濕量。相比于降溫除濕量，室內(nèi)機(jī)1#的再熱除濕量增加了11.7%～40.4%，室內(nèi)機(jī)2#的再熱除濕量增加了10.5%～28.9%。

表2 不同工況下實(shí)測除濕量

本文主要目的是考察不同工況下EVW開度對室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度To的影響，以獲得在過渡季節(jié)或梅雨季節(jié)運(yùn)行再熱除濕模式時(shí)優(yōu)化的EVW開度。

圖2～圖4所示為模擬多聯(lián)式VRF系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用場合下(Ta=Ti)，EVW開度對再熱器溫度提升能力的影響。通常情況下，Ti=12～18 ℃低于多聯(lián)式VRF系統(tǒng)要求的最小室內(nèi)回風(fēng)溫度，該工況出現(xiàn)在過渡季節(jié)或梅雨季節(jié)。該溫度條件下，室內(nèi)的熱負(fù)荷較小，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率較低，以防止室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度過低。

圖2所示為Ta=Ti=18 ℃時(shí)EVW開度對室內(nèi)機(jī)1#和2#出風(fēng)溫度的影響。從圖2可以看出，EVW開度對流經(jīng)蒸發(fā)器后的空氣溫度(除濕后再熱前溫度)影響很小。該工況下，經(jīng)過蒸發(fā)器A和蒸發(fā)器B后的空氣溫度為10.1～11.5 ℃。再熱器提升To的能力大體隨EVW開度的增加而增加。對于室內(nèi)機(jī)1#，EVW-A開度≤18%時(shí)空氣流經(jīng)再熱器A后溫度提升值由1.6 ℃(EVW-A開度=7%)增加到15.5 ℃(EVW-A開度=18%)；EVW-A開度>18%時(shí)，開度進(jìn)一步增加對再熱器的溫度提升能力影響很小。對于室內(nèi)機(jī)2#，EVW-B開度增加到12%后，進(jìn)一步增加EVW-B開度同樣對To的提升影響很小，EVW-B開度=12%時(shí)再熱提升溫度為14.1 ℃。

圖2 Ta=Ti=18 ℃時(shí)EVW開度的影響Fig.2 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=18 ℃

如圖3所示為Ta=Ti=16 ℃時(shí)EVW開度對室內(nèi)機(jī)1#和2#出風(fēng)溫度的影響。從圖3可以看出，EVW-A開度≤20%時(shí)，再熱提升溫度隨EVW-A開度的增加而增加。對于室內(nèi)機(jī)2#，EVW-B開度最優(yōu)值約為15%，且其對應(yīng)的再熱提升溫度為16.8 ℃，EVW-B開度的進(jìn)一步增加使得再熱提升溫度變化很小甚至降低。

上述結(jié)果主要是因?yàn)镋VW開度的初步增加會(huì)增大再熱器中高壓制冷劑的流率，增加再熱器的冷凝排熱量，從而提高出風(fēng)溫度。EVW開度的進(jìn)一步增加使再熱器出口(蒸發(fā)器入口)制冷劑呈氣液兩相狀態(tài)，一方面再熱器的冷凝排熱幾乎維持恒定，另一方面削弱蒸發(fā)器的制冷能力，除濕后再熱前溫度增加(如圖2及圖3中EVW-B=20%時(shí)的除濕后再熱前溫度)，最終再熱器提升溫度值幾乎維持恒定甚至降低。

圖3 Ta=Ti=16 ℃時(shí)EVW開度的影響Fig.3 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=16 ℃

圖4 Ta=Ti=12 ℃時(shí)EVW開度的影響Fig.4 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=12 ℃

圖4所示為Ta=Ti=12 ℃時(shí)EVW開度對室內(nèi)機(jī)1#和2#出風(fēng)溫度的影響。由于實(shí)測數(shù)據(jù)量的限制，該工況下未能獲得兩個(gè)室內(nèi)機(jī)的最優(yōu)EVW開度值。從圖4可以看出，該工況下兩室內(nèi)機(jī)的除濕后再熱前溫度為1～3 ℃，若直接送風(fēng)會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的“冷吹風(fēng)感”，熱舒適特性較差；另一方面該情況下室內(nèi)機(jī)容易結(jié)霜，導(dǎo)致室內(nèi)機(jī)風(fēng)量降低，機(jī)組出現(xiàn)停機(jī)保護(hù)。

從圖2～圖4可以看出，Ti由18 ℃降低至12 ℃時(shí)，室內(nèi)機(jī)2#的最優(yōu)EVW-B開度由12%(Ti=18 ℃)增加至約15%(Ti=16 ℃)，再增加至高于15%的開度(Ti=12 ℃)?？梢姡顑?yōu)EVW開度隨著Ti的降低而增加。

本文進(jìn)一步考察了另外3種工況下不同室內(nèi)機(jī)達(dá)到特定To所需的EVW開度。如圖5所示為Ta=35 ℃時(shí)為了實(shí)現(xiàn)等溫除濕(即To=Ti)效果EVW開度隨Ti的變化。從圖5可以看出，所需EVW開度隨Ti的降低而降低，主要是因?yàn)門i降低時(shí)室內(nèi)機(jī)制冷能力降低，因此對應(yīng)所需再熱量也降低。從圖5還可以看出，再熱器A換熱面積約為蒸發(fā)器A換熱面積的1/6，再熱器B換熱面積約為蒸發(fā)器B換熱面積的1/4，再熱器B的換熱面積高于再熱器A，使得相同工況下室內(nèi)機(jī)2#實(shí)現(xiàn)等溫除濕所需制冷劑流率比室內(nèi)機(jī)1#的更小，導(dǎo)致2#所需的EVW-B開度比1#所需的EVW-A開度小。

圖5 Ta=35 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)等溫除濕所需EVW開度Fig.5 Required EVW opening degree to achieve isothermal dehumidification for Ta=35 ℃

圖6和圖7示所示為多聯(lián)式VRF系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)升溫除濕(即To>Ti)時(shí)兩室內(nèi)機(jī)所需的EVW開度。從圖可知，Ti從18 ℃降低至12 ℃時(shí)，室內(nèi)機(jī)1#為了獲得20 ℃及22 ℃的出風(fēng)溫度，EVW-A開度分別從10.5%增加至15%和從11.8%增加至17%；類似地，室內(nèi)機(jī)2#為了獲得20 ℃及22 ℃的出風(fēng)溫度，EVW-B開度分別從8.1%增加至13.5%和從9.3%增加至16.5%。主要是因?yàn)門i降低使再熱提升溫度增加，所需要再熱器的冷凝排熱量加大，從而所需的EVW開度增加。

從圖6和圖7還可以看出，為了獲得特定的出風(fēng)溫度To，給定Ti條件下室內(nèi)機(jī)2#所需的EVW開度比室內(nèi)機(jī)1#的小。主要是因?yàn)榻o定再熱提升溫度時(shí)，再熱器換熱面積的增加使所需高溫制冷劑氣體流率降低，進(jìn)而使得所需EVW開度降低。因此，為實(shí)現(xiàn)升溫除濕效果，所需的EVW開度隨Ti的降低和再熱器換熱面積的降低而增加。

圖6 Ta=35 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)To=20 ℃所需EVW開度Fig.6 Required EVW opening degree to achieve a To of 20 ℃ for Ta=35 ℃

圖7 Ta=35 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)To=22 ℃所需EVW開度Fig.7 Required EVW opening degree to achieve a To of 22 ℃ for Ta=35 ℃

4 結(jié)論

本文基于開發(fā)的再熱除濕多聯(lián)式VRF方案，搭建了相應(yīng)VRF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對再熱除濕的除濕量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對不同工況下(Ti=12～18 ℃，Ta=Ti或35 ℃)EVW開度及再熱器換熱面積對出風(fēng)溫度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：

1)VRF系統(tǒng)中并聯(lián)式再熱器的應(yīng)用能提高室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器入口的制冷劑過冷度，從而增加室內(nèi)機(jī)的除濕量；室內(nèi)機(jī)1#和2#的再熱除濕量分別增加了11.7%～40.4%和10.5%～28.9%。

2)Ta=Ti時(shí)，存在最優(yōu)EVW開度，使再熱器對空氣的再熱溫度提升取得最大值，過度增加EVW開度會(huì)使蒸發(fā)器入口處制冷劑呈氣液兩相狀態(tài)，從而降低再熱器的溫度提升能力；最優(yōu)EVW開度隨著Ti的降低而增加。

3)Ta=35 ℃時(shí)，為實(shí)現(xiàn)等溫除濕效果，所需EVW開度隨Ti的增加和再熱器換熱面積的降低而增加；室內(nèi)機(jī)1#和2#所需的EVW開度分別為9.6%～9.9%和6.5%～7%。

4)Ta=35 ℃時(shí)，為實(shí)現(xiàn)升溫除濕效果，所需的EVW開度隨Ti的降低和再熱器換熱面積的降低而增加。

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About the corresponding author

Liu Min, male, Ph. D., R&D Centre, Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Systems Co., Ltd., +86 532-80879923, E-mail: mliu1983@mail.xjtu.edu.cn. Research fields: multi-split VRF system, room-temperature magnetic refrigeration.

Experimental Investigation on Reheat Dehumidification Performance of Multi-split Variable Refrigerant Flow Rate Air-conditioning System

Liu Min Wang Yuanpeng Shi Jingfeng Lin Wentao

(R&D Centre, Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Systems Co., Ltd., Qingdao, 266510, China)

A multi-split variable refrigerant flow rate (VRF) air conditioning system with reheat dehumidification was built in the paper. With the VRF system, the dehumidification amount was experimentally studied under 6 operating conditions. The influences of opening degree of reheat electronic expansion valve (EVW) and reheat heat exchange area on outlet air temperature of indoor unit were experimentally investigated in detail. The experimental results indicated that the employment of parallel reheat heat exchanger increased the dehumidification amount of the VRF system effectively; the dehumidification amounts of indoor unit 1# and 2# increased by 11.7%-40.4% and 10.5%-28.9%, respectively. Optimal EVW opening degree existed for reheat heat exchanger to obtain the maximum reheat temperature difference; the optimal EVW opening degree increased with the decrease of indoor temperatureTi. For purpose of isothermal dehumidification mode, the required EVW opening degrees of indoor unit 1# and 2# were 9.6%-9.9% and 6.5%-7.0%, respectively. For purpose of dehumidification mode withTo>Ti, the required EVW opening degrees increased with the decrease of both indoor temperature and reheat heat exchange area.

variable refrigerant flow rate system; air-conditioning system; electronic expansion valve; refrigeration performance test; dehumidification

0253- 4339(2016) 02- 0101- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.101

2015年3月3日

TU831.3； TU834.9

A

簡介

劉敏，男，博士，青島海信日立空調(diào)系統(tǒng)有限公司開發(fā)中心，(0532)80879923，E-mail：mliu1983@mail.xjtu.edu.cn。研究方向：變頻多聯(lián)機(jī)技術(shù)，室溫磁制冷技術(shù)。