陳茂

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽(yáng)，422000)

一般空調(diào)用戶的熱舒適體感主要與空調(diào)房間環(huán)境溫度、開(kāi)機(jī)溫度下降速率及上升速率、房間溫度場(chǎng)均勻情況、吹風(fēng)感、濕度等相關(guān)。不少學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)或仿真模擬研究了空調(diào)熱舒適與用戶使用習(xí)慣等之間的聯(lián)系。吳丹尼等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了柜機(jī)空調(diào)在制冷運(yùn)行模式下不同送風(fēng)風(fēng)速和不同角度下室內(nèi)溫度下降速率的影響，結(jié)果表明，風(fēng)速和導(dǎo)風(fēng)板角度對(duì)室內(nèi)溫度降低速率有較大影響，在角度為90°時(shí)，即冷風(fēng)沿水平方向送出時(shí)室內(nèi)溫度降低最快。胡萬(wàn)玲等[2]對(duì)冬季壁掛式空調(diào)在不同送風(fēng)角度下的氣流組織進(jìn)行CFD模擬,認(rèn)為采用斜向下75°送風(fēng)時(shí)，人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有明顯吹風(fēng)感，相對(duì)舒適性較好。王嘯娟等[3]以柜機(jī)空調(diào)零風(fēng)感功能為研究對(duì)象,分析零風(fēng)感模式下的出風(fēng)口風(fēng)速、吹風(fēng)感指數(shù)、房間溫度、溫度均勻度等的影響。赫連雅馨等[4]以家用轎車(chē)為實(shí)驗(yàn)研究,基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬,分別研究了開(kāi)窗降溫和空調(diào)制冷方式下車(chē)內(nèi)降溫對(duì)熱舒適性的影響。楊妹等[5]對(duì)西安地區(qū)采用變頻多聯(lián)中央空調(diào)系統(tǒng)的某辦公樓的辦公室進(jìn)行室內(nèi)溫度場(chǎng)連續(xù)測(cè)試，當(dāng)室內(nèi)設(shè)定溫度分別為26.00和28.00 ℃時(shí)，室內(nèi)工作區(qū)域的溫度都在24.00～26.00 ℃滿足夏季人體舒適性要求。何振健等[6]針對(duì)家用變頻空調(diào)在制冷運(yùn)行時(shí)的舒適性與節(jié)能性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，表明頻率過(guò)低會(huì)影響溫降速度。

綜上所述，室內(nèi)環(huán)境實(shí)際溫降的效果直接與空調(diào)用戶的熱舒適體感有關(guān)。從空調(diào)產(chǎn)品本身角度，室內(nèi)環(huán)境降溫速率、降溫程度、降溫穩(wěn)定性與空調(diào)的控制邏輯密切相關(guān)[7]。對(duì)于變頻空調(diào)來(lái)說(shuō)，控制邏輯的核心是變頻壓縮機(jī)的頻率控制，主要與室內(nèi)機(jī)的能力需求、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)排氣溫度、回氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力、空調(diào)供給電壓波動(dòng)、可承受最大電流等有關(guān)。當(dāng)空調(diào)安裝后，用戶可設(shè)置預(yù)期溫度、室內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速及風(fēng)向。本文主要從用戶設(shè)置預(yù)期溫度的角度，通過(guò)優(yōu)化頻率控制邏輯，實(shí)驗(yàn)研究多組管家用變頻一拖多空調(diào)超配情況下的自由溫降效果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

多組管家用一拖多空調(diào)器是管路從空調(diào)室外機(jī)冷凝器出來(lái)后再分支成帶節(jié)流閥的若干支路，即室外機(jī)側(cè)面有若干組氣閥和液閥(截止閥)，其制冷系統(tǒng)實(shí)物圖和原理圖分別見(jiàn)圖1和圖2。安裝時(shí)和家用分體式一拖一空調(diào)一樣方便，室內(nèi)機(jī)有幾臺(tái)，就使用幾組連接管，無(wú)需使用分歧管從而減少焊接工作量，因此，安裝方便快捷，是國(guó)內(nèi)外不少家庭用戶的較佳選擇。用戶通過(guò)遙控、線控等方式將有制冷需求的室內(nèi)機(jī)信息發(fā)送給室外機(jī)，室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)立即運(yùn)行，用戶設(shè)置的預(yù)期溫度反饋到空調(diào)器的控制模塊里，會(huì)與室內(nèi)風(fēng)機(jī)回風(fēng)(可認(rèn)為瞬時(shí)房間溫度)進(jìn)行比較，變頻壓縮機(jī)稍后依據(jù)控制邏輯啟動(dòng)運(yùn)行。制冷劑在室內(nèi)側(cè)換熱器中通過(guò)風(fēng)機(jī)強(qiáng)制換熱，從室內(nèi)環(huán)境吸取熱量蒸發(fā)氣化成飽和或一定過(guò)熱狀態(tài)的制冷劑氣體，通過(guò)各自的氣側(cè)連接管路被室外側(cè)壓縮機(jī)抽吸并壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，進(jìn)入室外側(cè)換熱器中冷凝節(jié)流，再分成幾路回到室內(nèi)側(cè)換熱器。

采用一拖四R410A空調(diào)，模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，設(shè)有2個(gè)房間：大房間為A室，面積為33 m2,放9 K(2 600 W名義制冷量)掛機(jī)2臺(tái)、18 K(5 300 W名義制冷量)掛機(jī)1臺(tái)；小房間為B室，面積為12 m2，放9 K(2 600 W制冷量)的室內(nèi)掛機(jī)1臺(tái)。很多家用一拖多空調(diào)或多聯(lián)機(jī)空調(diào)，60%的時(shí)間只開(kāi)了1個(gè)室內(nèi)機(jī)，87%的時(shí)間開(kāi)1～2個(gè)室內(nèi)機(jī)。所以，本實(shí)驗(yàn)中的搭配比較接近用戶實(shí)際使用情況。一拖多空調(diào)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于室內(nèi)機(jī)可以依據(jù)需求開(kāi)啟，單開(kāi)1臺(tái)室內(nèi)機(jī)是考察一拖多空調(diào)性能的關(guān)鍵方面之一。因此，本實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)機(jī)有多種開(kāi)機(jī)方式，單開(kāi)、全開(kāi)及不同組合開(kāi)，重點(diǎn)關(guān)注只有9 K室內(nèi)機(jī)小房間的溫降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5～10，圖中的“小”代表小房間，“大”代表大房間。小房間內(nèi)空間(不含墻壁等) 從上往下，從左往右設(shè)有140個(gè)感溫點(diǎn)TB001～TB140，如圖3所示，每5 min采集1次數(shù)據(jù)，將每個(gè)感溫點(diǎn)的溫度取平均值記為房間平均溫度。

在整機(jī)電流可控的情況下，設(shè)計(jì)了2組基于圖4能需控制區(qū)間的實(shí)驗(yàn)方案Ⅰ和Ⅱ。為了接近用戶使用行為，2組實(shí)驗(yàn)方案中均為自由跑、高風(fēng)、自動(dòng)擺風(fēng)。方案Ⅱ不同之處在于調(diào)整室內(nèi)機(jī)能力需求區(qū)間基準(zhǔn)值及室外機(jī)能級(jí)系數(shù)等來(lái)改變壓縮機(jī)的頻率控制。圖4中共有a，b，c，d，e和f等6個(gè)區(qū)間。如表1所示，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)1個(gè)能力需求區(qū)間基準(zhǔn)值i，其

圖1 家用變頻多組管一拖多空調(diào)器實(shí)物圖Fig.1 Photo of a domestic inverter-driven multi-split air conditioner (outdoor unit)

圖2 家用變頻一拖多空調(diào)器制冷系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of refrigerant system of the domestic inverter-driven multi-split air conditioner

圖3 9 K(名義制冷量2 600 W)的室內(nèi)所在環(huán)境室的溫度點(diǎn)布置Fig.3 Temperature sensor points in the room equipped with the 9 K indoor unit

中，T1為房間溫度，Ts為用戶設(shè)置溫度，T1～Ts為房間溫度與用戶設(shè)置溫度的差值。區(qū)間f一般設(shè)為0區(qū)間，當(dāng)T1～Ts下降到M1以下時(shí)，觸發(fā)達(dá)溫停機(jī)，能需為0，壓縮機(jī)停機(jī)。由區(qū)間f往上，區(qū)間基準(zhǔn)值i逐步提高，處于區(qū)間a，其基準(zhǔn)值最高。例如，目前處于區(qū)間d，當(dāng)T1～Ts下降至M2以下時(shí)，進(jìn)入?yún)^(qū)間e，當(dāng)回升到M8以上時(shí)，進(jìn)入?yún)^(qū)間c。一般壓縮機(jī)的初始目標(biāo)頻率序列由能力需求區(qū)間基準(zhǔn)值i、室內(nèi)機(jī)匹數(shù)HP、室外機(jī)機(jī)型系數(shù)Co計(jì)算得到(能需序列f=室外機(jī)機(jī)型系數(shù)Co×∑(能需區(qū)間基準(zhǔn)值i×室內(nèi)機(jī)HP))。當(dāng)室內(nèi)機(jī)匹數(shù)和外機(jī)機(jī)型系數(shù)一定的情況下，能力需求區(qū)間基準(zhǔn)值越高，壓縮機(jī)的目標(biāo)頻率序列越高。當(dāng)然，在運(yùn)行過(guò)程中，如達(dá)到限頻和保護(hù)條件，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)動(dòng)作。

圖4 能力需求區(qū)間示意圖Fig.4 Zone for adjusting compressor frequency under different capacity needs regarding (T1～Ts)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5和圖6所示分別是模擬用戶設(shè)置17.00和24.00 ℃高風(fēng)，室溫從28.00 ℃開(kāi)始的多種組合開(kāi)控制方案Ⅰ下的小房間內(nèi)的自由溫降。從圖5和圖6可以看出：在每種組合開(kāi)下，由于壓縮機(jī)按平臺(tái)啟動(dòng)后，會(huì)快速升至目標(biāo)頻率，所以,前20 min內(nèi)溫度下降最快，之后下降速率減緩，100 min左右趨于平緩。以圖5為例，在120 min之內(nèi)，全開(kāi)9 K+9 K+9 K+18 K(點(diǎn)檢頻率f=67 Hz,T2=12.00 ℃)下小房間內(nèi)的溫降最低，其后,依次是9 K+18 K(f=49 Hz,T2=12.00 ℃)，9 K+9 K+9 K(f=53 Hz,T2=12.00 ℃)，9 K+9 K(f=43 Hz,T2=11.50 ℃)的組合，分別從初始溫度28.00 ℃下降到21.28，20.89，20.48，20.41和19.12 ℃。單開(kāi)小房間9 K(f=20 Hz,T2=10 ℃)溫降下降最多，60 min之內(nèi)下降了8.50 ℃。從圖6中可以看出，用戶設(shè)置24.00 ℃時(shí)，負(fù)荷較設(shè)置17.00 ℃時(shí)要小。由能力需求區(qū)間可知，單開(kāi)小房間9 K，房間內(nèi)的室溫降得最快，在30 min左右溫度降到22.00 ℃左右，最先達(dá)溫停機(jī)，壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，室內(nèi)機(jī)繼續(xù)送風(fēng)，室溫回升到24.00 ℃，壓縮機(jī)重新啟動(dòng)，處于23.00 ℃波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)。在其他組合開(kāi)的情況下，小房間2 h內(nèi)沒(méi)有達(dá)溫停機(jī)。另外，9 K+9 K雙開(kāi)時(shí)，小房間120 min降到22.48 ℃。

圖7是方案Ⅰ，初始室溫設(shè)為36.00 ℃，模擬用戶設(shè)置制冷溫度為17.00 ℃高風(fēng)下的溫降情況，能需一直處于高區(qū)間，壓縮機(jī)一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，單開(kāi)9 K，120 min內(nèi)從36.00 ℃降至27.00 ℃。方案Ⅰ下室溫下降速度和120 min溫降都有待改進(jìn)。

表1 能力需求區(qū)間基準(zhǔn)值Table 1 Coefficient of zone for adjusting compressor frequency under different capacity needs

圖5 初始室溫28.00 ℃，設(shè)制冷17.00 ℃高風(fēng)， 房間溫降-控制方案ⅠFig.5 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ

圖6 初始室溫28.00 ℃，設(shè)制冷24.00 ℃高風(fēng)， 房間溫降-控制方案ⅠFig.6 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 24.00 ℃ in Case Ⅰ

方案Ⅱ中，保證整機(jī)電流在可控范圍內(nèi)，能力需求區(qū)間系數(shù)部分提高；當(dāng)室內(nèi)房間溫度與設(shè)置溫度之差在b區(qū)間時(shí)，壓縮機(jī)初始目標(biāo)頻率序列和區(qū)間a的相同，頻率序列處于高位，見(jiàn)表1。另外，區(qū)間c和d的基準(zhǔn)值也均提高了0.5。圖8～10給出了室內(nèi)機(jī)不同組合開(kāi)啟、不同初始室溫和用戶設(shè)定溫度下的房間溫降情況，可以看出，方案Ⅱ的降溫速率比方案Ⅰ的要快，尤其是在前20 min之內(nèi)，這有利于實(shí)現(xiàn)用戶快速制冷的目的。因此，方案Ⅱ比方案Ⅰ能更快接近用戶設(shè)置的溫度，如圖9所示為組合開(kāi)9 K+9 K和單開(kāi)9 K室內(nèi)機(jī)時(shí)的溫降曲線。另外，在120 min內(nèi)，沒(méi)有達(dá)溫前，方案Ⅱ所能達(dá)到的最低溫度低于或接近于方案Ⅰ的最低溫度。

圖7 初始室溫36.00 ℃設(shè)制冷17.00 ℃高風(fēng)，房間溫降-控制方案ⅠFig.7 Temperature decrease with original T1 of 36.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ

圖8 2種方案下初始室溫28.00 ℃，設(shè)制冷17.00 ℃高風(fēng)，不同組合開(kāi)時(shí)的房間溫降Fig.8 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

圖9 2種方案下初始室溫28.00 ℃，設(shè)制冷24.00 ℃高風(fēng)，不同組合開(kāi)時(shí)的房間溫降Fig.9 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 24.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

圖10 2種方案下初始室溫36.00 ℃，設(shè)制冷17.00 ℃高風(fēng)，不同組合開(kāi)時(shí)的房間溫降Fig.10 Temperature decrease with originalT1 of 36.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

當(dāng)室內(nèi)初始溫度高時(shí)，在2種方案下，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率均處于頻率序列高位，因此，從圖10可以看出，2種方案時(shí)的室內(nèi)溫度下降起初比較接近，但在中后段有些差距。2種方案均能在1 h內(nèi)有較大的降溫效果，但本實(shí)驗(yàn)中的樣機(jī)初始室溫很高，如在36 ℃時(shí)，組合開(kāi)情況下的溫降效果還有待改進(jìn)，不僅要改進(jìn)壓縮機(jī)頻率控制，還要結(jié)合制冷系統(tǒng)匹配、電子膨脹閥的控制等綜合優(yōu)化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出，房間負(fù)荷與開(kāi)機(jī)的空調(diào)匹數(shù)的匹配也是很重要的，否則，由于大房間的空調(diào)制冷能力滿足不了熱負(fù)荷的需求，也會(huì)影響小房間的正常使用效果。

3 結(jié)論

本文主要對(duì)家用變頻一拖四空調(diào)器在不同初始室溫下進(jìn)行了自由溫降實(shí)驗(yàn)，室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)為超配，貼近用戶安裝實(shí)際，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的壓縮機(jī)頻率能夠改善空調(diào)器的實(shí)際溫降性能，單開(kāi)9 K室內(nèi)機(jī)的制冷降溫效果最好，其次，是雙開(kāi)2臺(tái)9 K室內(nèi)機(jī)。單開(kāi)時(shí)升頻太快，降溫太快，更容易達(dá)溫停機(jī)，波動(dòng)式穩(wěn)定。其他組合開(kāi)時(shí)的降溫效果有待提高，受實(shí)驗(yàn)室限制，大房間內(nèi)的開(kāi)機(jī)空調(diào)能力與房間熱負(fù)荷的匹配在實(shí)際使用中需要改進(jìn)，更重要的是，要從制冷系統(tǒng)匹配、換熱器優(yōu)化、閥件控制、壓縮機(jī)頻率等方面綜合考慮改進(jìn)一拖多空調(diào)器的性能。同時(shí)，可以增強(qiáng)空調(diào)的智能化判斷，如果用戶由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的原因引起負(fù)荷在達(dá)溫停機(jī)后很快回升，而引起壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，減少壓縮機(jī)壽命，那么可以內(nèi)置智能模塊記錄分析運(yùn)行性能，靈活取消達(dá)溫停機(jī)。