基本介紹
- 中文名：多元變頻VRV空調系統的工作原理
- 內容： VRV 空調系統的定義及控制原理
- 特點：對於定速系統具有明顯的節能
- 系統：電力空調系統
1. VRV 空調系統的定義及控制原理
VRV空調系統是在電力空調系統中，通過控制壓縮機的製冷劑循環量和進入室內換熱器的製冷劑流量，適時地滿足室內冷熱負荷要求的高效率冷劑空調系統。VRV空調系統需採用變頻壓縮機、多極壓縮機、卸載壓縮機或多台壓縮機組合來實現壓縮機容量控制；在製冷系統中需設定電子膨脹閥或其它輔助迴路，以調節進入室內機的製冷劑流量；通過控制室內外換熱器的風扇轉速積，調節換熱器的能力。在變頻調速和電子膨脹閥技術逐漸成熟之後，VRV空調系統普遍採用變頻壓縮機和電子膨脹閥。
空調系統在環境溫度、室內負荷不斷變化的條件下工作，而且系統各部件之間、系統環境與環境之間相互影響，因此VRV空調系統的狀態不斷變化，需通過其控制系統適時地調節空調系統的容量，消除其影響，是一種柔性調節系統。其工作原理是：由控制系統採集室內舒適性參數、室外環境參數和表征製冷系統運行狀況的狀態參數，根據系統運行最佳化準則和人體舒適性準則，通過變頻等手段調節壓縮機輸氣量，並控制空調系統的風扇、電子膨脹閥等一切可控部件，保證室內環境的舒適性，並使空調系統穩定工作在最佳工作狀態。
VRV空調系統是在電力空調系統中，通過控制壓縮機的製冷劑循環量和進入室內換熱器的製冷劑流量，適時地滿足室內冷熱負荷要求的高效率冷劑空調系統。VRV空調系統需採用變頻壓縮機、多極壓縮機、卸載壓縮機或多台壓縮機組合來實現壓縮機容量控制；在製冷系統中需設定電子膨脹閥或其它輔助迴路，以調節進入室內機的製冷劑流量；通過控制室內外換熱器的風扇轉速積，調節換熱器的能力。在變頻調速和電子膨脹閥技術逐漸成熟之後，VRV空調系統普遍採用變頻壓縮機和電子膨脹閥。
空調系統在環境溫度、室內負荷不斷變化的條件下工作，而且系統各部件之間、系統環境與環境之間相互影響，因此VRV空調系統的狀態不斷變化，需通過其控制系統適時地調節空調系統的容量，消除其影響，是一種柔性調節系統。其工作原理是：由控制系統採集室內舒適性參數、室外環境參數和表征製冷系統運行狀況的狀態參數，根據系統運行最佳化準則和人體舒適性準則，通過變頻等手段調節壓縮機輸氣量，並控制空調系統的風扇、電子膨脹閥等一切可控部件，保證室內環境的舒適性，並使空調系統穩定工作在最佳工作狀態。
2. VRV 空調系統的特點
變頻VRV空調系統的相對於定速系統具有明顯的節能、舒適效果：
(1) VRV空調系統依據室內負荷，在不同轉速下連續運行，減少了因壓縮機頻繁啟停造成的能量損失；在製冷/制熱工況下，能效比COP隨頻率的降低而升高，由於壓縮機長時間工作在低頻區域，故系統的季節能效比SEER相對於傳統空調系統大大提高；採用壓縮機低頻啟動，降低了啟動電流，電氣設備將大大節能，同時避免了對其它用電設備和電網的衝擊。
(2) VRV空調系統具有能調節容量的特性，在系統初開機時室溫與設定溫度相差很大，利用壓縮機高頻運行的方式，使室溫快速地到達設定值，縮短室內不舒適的時間；系統調節容量使室溫波動很小，改善了室內的舒適性；極少出現傳統空調系統在啟停壓縮機時所產生的振動噪聲，且室內機風扇電機普遍採用直流無刷電機驅動，速度切換平滑，降低了室內機的噪聲。由於VRV空調系統比冷水機組的蒸發溫度高3℃左右，其COP值約提高10%；結構緊湊，體積小，管徑細，不需要設定水系統和水質管理設備，故不需要專門的設備間和管道層，可較大程度地降低建築物造價，提高建築面積的利用率；室內機的多元化，可實現各個房間或區域的的獨立控制；而且熱回收VRV空調系統，能在冬季和過渡季節，向需要同時供冷和供熱的建築物提供冷、熱源，將製冷系統的冷凝負荷和蒸發負荷同時利用，大大提高能源利用效率。因此，多元VRV空調系統將是今後中小型樓宇空調系統的發展主流之一 。
3. 多元變頻VRV 空調系統的工作原理
在傳統的冷庫、空調系統中，為適應多用戶庫(室)風負荷的變動，減小的啟動電流，常採用卸載壓縮機或多台壓縮機並聯的製冷系統。當負荷變動時，根據回氣壓力的高低，增減壓縮機的運行台數。多元VRV空調系統即是吸收了此思想，而發展起來的變製冷劑流量製冷系統。由於多元VRV空調系統存在有製冷流量分配控制和系統穩定性控制問題難以解決，在微電腦、電子膨脹閥、變頻技術以後才開始重視其研究開發工作。自1985年開始發展至今，世界上主要是日本三菱、日立、大金、夏普、松下等少數幾家大企業擁有這項技術。，多元VRV空調系統主要有單冷型、熱泵型和熱回收型三種形式，將這三種型式與蓄熱(冷)系統、變風量系統等結合，又擴大了VRV空調系統的套用範圍。
3.1 單冷或熱泵型多元VRV空調系統
表1示出了各種單冷和熱泵型多元VRV空調系統的原理圖。在典型的單冷(圖1)或熱泵(圖3)型多元VRV空調系統中，壓縮機通常採用一台變頻壓縮機，在大系統中，由一台變頻壓縮機或多極壓縮機與多台定速壓縮機構成壓縮機組；在各室內機和室外機上，設定有供節流和流量調節的電子膨脹閥(有些系統在室外機上採用普通膨脹閥 )；在系統的典型部位安放有溫度感測器和壓力感測器。在製冷工況下，室外機電子膨脹閥全開，通過室內機電子膨脹閥節流降壓，控制室內溫度和各室內機熱交換器出口製冷劑的過熱度，由壓縮機頻率調節吸氣壓力；在制熱工況下，室外機電子膨脹閥，控制室外機熱交換器出口製冷劑的過熱度，室內機電子膨脹閥控制室溫和室內熱交換器出口的製冷劑過冷度，通過改變壓縮機頻率調節壓縮機排氣壓力。為提高系統的穩定性、可控性和可*性，在一些系統中，增設了輔助迴路。
1994年，三菱開發出帶有內部熱交換迴路的變頻單冷型多元VRV空調系統，由圖2可知，通過回熱迴路，實現了製冷劑的有效移動，減少了系統的壓力損失，提高了系統的能交比。研究表明，經回熱迴路的流量為壓縮機循環流量的2-22%時，製冷量基本一致，能效比提高10%。同時由於採用了高壓製冷劑的飽和點控制，減少了系統中的製冷劑的充灌量。
面臨電力供應的緊張局面，"移峰填谷"是急待解決的問題，隨著峰谷電價的實施，蓄熱空調系統開始得到發展，從1995年開始，開始套用於熱泵型VRV空調系統中[4，5]。蓄熱型VRV空調系統如圖4所示，由室外機、蓄熱槽和多個室內機組成。室外機內有變頻壓縮機、製冷劑泵和熱交換器；在蓄熱槽內部裝有盤管換熱器和相變蓄熱材料。系統在製冷和制熱運行時，都各具有3種運轉模式，即蓄冷（熱）運行、蓄冷（熱）利用製冷（熱）運行和壓縮機製冷（熱）運行。在蓄冷（熱）運行和壓縮機製冷（熱）運行模式下，製冷劑泵停止運行，系統的工作方式和普通蓄冷空調系統一致；在蓄冷利用製冷運行模式下，製冷劑泵運轉，將一部分製冷劑壓縮，送入蓄冷槽盤管換熱器，製冷劑將熱量排至蓄冷材料（取冷）而冷凝，與在室外熱交換器內冷凝後的製冷劑液體匯合，經室內機電子膨脹閥節流，送入室內機進行製冷；同理，在蓄熱利用制熱運行模式下，製冷劑泵運轉，在蓄熱材料中取熱，送入室內機。系統"移峰填谷"的機理是利用降低冷凝溫度或提高蒸發溫度，減小壓縮比，降低高峰電力的使用量。
3.2 熱回收型多元VRV空調系統
熱回收型VRV空調系統是於90年代初研製出，它不僅具有單冷和熱泵形系統的功能，同時由於冷凝負荷和蒸發負荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。對於同時需要供冷與供熱的建築物增多的今天，具有極大的套用前景，所以也就成為了當前研究的重要課題之一。當今的熱回收型VRV空調系統具有3管式和2管式兩種形式[6-12]，參見表2。
(1) 3管式熱回收型多元VRV空調系統
3管式VRV空調系統如圖5所示，室外機由壓縮機、室外熱交換器和氣液分離器等構成；室內機由熱交換器、電磁三通閥及電子膨脹閥構成。室外機與室內機之間由高壓氣體管、高壓液體管、低壓氣體管3根管道相連，故稱"3管式"系統。
空調系統通過高壓氣體管將高溫高壓蒸氣引入用於供熱的室內機，製冷劑蒸氣在室內機內放熱冷凝，流入高壓液體管；製冷劑從高壓液體管進入製冷運行的室內機中，蒸發吸熱，通過低壓氣體管返回壓縮機。室外熱交換器用於平衡各室內機的冷熱負荷的緩衝設備，視室內運行模式起著冷凝器或蒸發器的作用。其功能取決於各室內機的工作模式和負荷大小。
（2）2管式熱回收型多元VRV空調系統
2管式VRV空調系統如圖6所示，系統由室外機、分流控制器和室內機組構成。其中，室外機由壓縮機、熱交換器和氣液分離器等構成；分流控制器由氣液分離器、3個電子膨脹閥、回熱器、高低壓氣體轉換閥組等組件構成，放置在離室內機組較近的部位；室同機由電子膨脹閥和熱交換器構成。室外機與分流控制器之間由高壓氣體管和低壓氣體管兩根管道相連，故稱"2管式"系統。
室外熱交換器用於平衡各室內機的冷熱負荷，起著冷凝器或蒸發器的作用。在冷暖混合運行模式下，控制室外熱交換器風扇轉速，將部分高溫蒸氣引入分流控制器內，蒸氣和液體在氣液分離器中分離，蒸氣部分進入室內供熱，液體部分和在供熱室內機中冷凝後的液體合流進入供冷室內機中，液態製冷劑蒸發吸熱後，經回氣管返回壓縮機。
此外，將VRV空調系統的一個或多個末端機通過送、迴風風道與多個房間相連就構成了與VRV結合的多元VRV空調系統。風道的各個室內末端裝置根據室內溫度與設定溫度的差值大小控制其風量，末端機根據送風道內的靜壓控制總送風量的大小，由末端機的過熱度控制相應電子膨脹閥的開度，壓縮機根據所有室內機的負荷大小控制其轉速。這種系統的研究始於80年代中期，現以用於單冷和熱泵型VRV空調系統中。
4. 多元VRV空調系統研究開發中尚需解決的問題
多元VRV空調系統發展至今，無論是在製冷系統，還是在控制方法上都取得了很大的進步，但仍存在以下幾方面的問題，尚需進一步深入研究。
（1）舒適性：有待於新的感測器的開發和現代控制理論的套用，以推進智慧型空調系統的發展。
（2）穩定性和節能性控制問題：研究製冷系統的各調節部件對系統特性的影響規律，實現系統的穩定調節和節能控制。
（3）控制器的可移植性問題：深入研究製冷系統的特性規律，研製出適合於大小系統兼容，熱泵型和熱回收型系統通用，移植性較強的控制器。
（4）系統綜合性能評價問題：VRV空調系統特別是熱回收型系統，由於各換熱器的功能和溫度條件不盡相同，如何評價系統的綜合性能，尚無合理和實有的方法。
（5）製冷劑替代問題：由於VRV空調系統的管道接頭較多，增加了製冷劑泄漏的可能性，且系統的內容積過大，增大了製冷劑充灌量，在HCFC控制計畫實施後，系統價格會大大上升。所以，減少製冷劑充灌量和減少泄漏是系統開發過程中應該重視的問題，同時應加強對HCFC22的替代工質在VRV空調系統中的套用研究。
變頻VRV空調系統的相對於定速系統具有明顯的節能、舒適效果：
(1) VRV空調系統依據室內負荷，在不同轉速下連續運行，減少了因壓縮機頻繁啟停造成的能量損失；在製冷/制熱工況下，能效比COP隨頻率的降低而升高，由於壓縮機長時間工作在低頻區域，故系統的季節能效比SEER相對於傳統空調系統大大提高；採用壓縮機低頻啟動，降低了啟動電流，電氣設備將大大節能，同時避免了對其它用電設備和電網的衝擊。
(2) VRV空調系統具有能調節容量的特性，在系統初開機時室溫與設定溫度相差很大，利用壓縮機高頻運行的方式，使室溫快速地到達設定值，縮短室內不舒適的時間；系統調節容量使室溫波動很小，改善了室內的舒適性；極少出現傳統空調系統在啟停壓縮機時所產生的振動噪聲，且室內機風扇電機普遍採用直流無刷電機驅動，速度切換平滑，降低了室內機的噪聲。由於VRV空調系統比冷水機組的蒸發溫度高3℃左右，其COP值約提高10%；結構緊湊，體積小，管徑細，不需要設定水系統和水質管理設備，故不需要專門的設備間和管道層，可較大程度地降低建築物造價，提高建築面積的利用率；室內機的多元化，可實現各個房間或區域的的獨立控制；而且熱回收VRV空調系統，能在冬季和過渡季節，向需要同時供冷和供熱的建築物提供冷、熱源，將製冷系統的冷凝負荷和蒸發負荷同時利用，大大提高能源利用效率。因此，多元VRV空調系統將是今後中小型樓宇空調系統的發展主流之一 。
3. 多元變頻VRV 空調系統的工作原理
在傳統的冷庫、空調系統中，為適應多用戶庫(室)風負荷的變動，減小的啟動電流，常採用卸載壓縮機或多台壓縮機並聯的製冷系統。當負荷變動時，根據回氣壓力的高低，增減壓縮機的運行台數。多元VRV空調系統即是吸收了此思想，而發展起來的變製冷劑流量製冷系統。由於多元VRV空調系統存在有製冷流量分配控制和系統穩定性控制問題難以解決，在微電腦、電子膨脹閥、變頻技術以後才開始重視其研究開發工作。自1985年開始發展至今，世界上主要是日本三菱、日立、大金、夏普、松下等少數幾家大企業擁有這項技術。，多元VRV空調系統主要有單冷型、熱泵型和熱回收型三種形式，將這三種型式與蓄熱(冷)系統、變風量系統等結合，又擴大了VRV空調系統的套用範圍。
3.1 單冷或熱泵型多元VRV空調系統
表1示出了各種單冷和熱泵型多元VRV空調系統的原理圖。在典型的單冷(圖1)或熱泵(圖3)型多元VRV空調系統中，壓縮機通常採用一台變頻壓縮機，在大系統中，由一台變頻壓縮機或多極壓縮機與多台定速壓縮機構成壓縮機組；在各室內機和室外機上，設定有供節流和流量調節的電子膨脹閥(有些系統在室外機上採用普通膨脹閥 )；在系統的典型部位安放有溫度感測器和壓力感測器。在製冷工況下，室外機電子膨脹閥全開，通過室內機電子膨脹閥節流降壓，控制室內溫度和各室內機熱交換器出口製冷劑的過熱度，由壓縮機頻率調節吸氣壓力；在制熱工況下，室外機電子膨脹閥，控制室外機熱交換器出口製冷劑的過熱度，室內機電子膨脹閥控制室溫和室內熱交換器出口的製冷劑過冷度，通過改變壓縮機頻率調節壓縮機排氣壓力。為提高系統的穩定性、可控性和可*性，在一些系統中，增設了輔助迴路。
1994年，三菱開發出帶有內部熱交換迴路的變頻單冷型多元VRV空調系統，由圖2可知，通過回熱迴路，實現了製冷劑的有效移動，減少了系統的壓力損失，提高了系統的能交比。研究表明，經回熱迴路的流量為壓縮機循環流量的2-22%時，製冷量基本一致，能效比提高10%。同時由於採用了高壓製冷劑的飽和點控制，減少了系統中的製冷劑的充灌量。
面臨電力供應的緊張局面，"移峰填谷"是急待解決的問題，隨著峰谷電價的實施，蓄熱空調系統開始得到發展，從1995年開始，開始套用於熱泵型VRV空調系統中[4，5]。蓄熱型VRV空調系統如圖4所示，由室外機、蓄熱槽和多個室內機組成。室外機內有變頻壓縮機、製冷劑泵和熱交換器；在蓄熱槽內部裝有盤管換熱器和相變蓄熱材料。系統在製冷和制熱運行時，都各具有3種運轉模式，即蓄冷（熱）運行、蓄冷（熱）利用製冷（熱）運行和壓縮機製冷（熱）運行。在蓄冷（熱）運行和壓縮機製冷（熱）運行模式下，製冷劑泵停止運行，系統的工作方式和普通蓄冷空調系統一致；在蓄冷利用製冷運行模式下，製冷劑泵運轉，將一部分製冷劑壓縮，送入蓄冷槽盤管換熱器，製冷劑將熱量排至蓄冷材料（取冷）而冷凝，與在室外熱交換器內冷凝後的製冷劑液體匯合，經室內機電子膨脹閥節流，送入室內機進行製冷；同理，在蓄熱利用制熱運行模式下，製冷劑泵運轉，在蓄熱材料中取熱，送入室內機。系統"移峰填谷"的機理是利用降低冷凝溫度或提高蒸發溫度，減小壓縮比，降低高峰電力的使用量。
3.2 熱回收型多元VRV空調系統
熱回收型VRV空調系統是於90年代初研製出，它不僅具有單冷和熱泵形系統的功能，同時由於冷凝負荷和蒸發負荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。對於同時需要供冷與供熱的建築物增多的今天，具有極大的套用前景，所以也就成為了當前研究的重要課題之一。當今的熱回收型VRV空調系統具有3管式和2管式兩種形式[6-12]，參見表2。
(1) 3管式熱回收型多元VRV空調系統
3管式VRV空調系統如圖5所示，室外機由壓縮機、室外熱交換器和氣液分離器等構成；室內機由熱交換器、電磁三通閥及電子膨脹閥構成。室外機與室內機之間由高壓氣體管、高壓液體管、低壓氣體管3根管道相連，故稱"3管式"系統。
空調系統通過高壓氣體管將高溫高壓蒸氣引入用於供熱的室內機，製冷劑蒸氣在室內機內放熱冷凝，流入高壓液體管；製冷劑從高壓液體管進入製冷運行的室內機中，蒸發吸熱，通過低壓氣體管返回壓縮機。室外熱交換器用於平衡各室內機的冷熱負荷的緩衝設備，視室內運行模式起著冷凝器或蒸發器的作用。其功能取決於各室內機的工作模式和負荷大小。
（2）2管式熱回收型多元VRV空調系統
2管式VRV空調系統如圖6所示，系統由室外機、分流控制器和室內機組構成。其中，室外機由壓縮機、熱交換器和氣液分離器等構成；分流控制器由氣液分離器、3個電子膨脹閥、回熱器、高低壓氣體轉換閥組等組件構成，放置在離室內機組較近的部位；室同機由電子膨脹閥和熱交換器構成。室外機與分流控制器之間由高壓氣體管和低壓氣體管兩根管道相連，故稱"2管式"系統。
室外熱交換器用於平衡各室內機的冷熱負荷，起著冷凝器或蒸發器的作用。在冷暖混合運行模式下，控制室外熱交換器風扇轉速，將部分高溫蒸氣引入分流控制器內，蒸氣和液體在氣液分離器中分離，蒸氣部分進入室內供熱，液體部分和在供熱室內機中冷凝後的液體合流進入供冷室內機中，液態製冷劑蒸發吸熱後，經回氣管返回壓縮機。
此外，將VRV空調系統的一個或多個末端機通過送、迴風風道與多個房間相連就構成了與VRV結合的多元VRV空調系統。風道的各個室內末端裝置根據室內溫度與設定溫度的差值大小控制其風量，末端機根據送風道內的靜壓控制總送風量的大小，由末端機的過熱度控制相應電子膨脹閥的開度，壓縮機根據所有室內機的負荷大小控制其轉速。這種系統的研究始於80年代中期，現以用於單冷和熱泵型VRV空調系統中。
4. 多元VRV空調系統研究開發中尚需解決的問題
多元VRV空調系統發展至今，無論是在製冷系統，還是在控制方法上都取得了很大的進步，但仍存在以下幾方面的問題，尚需進一步深入研究。
（1）舒適性：有待於新的感測器的開發和現代控制理論的套用，以推進智慧型空調系統的發展。
（2）穩定性和節能性控制問題：研究製冷系統的各調節部件對系統特性的影響規律，實現系統的穩定調節和節能控制。
（3）控制器的可移植性問題：深入研究製冷系統的特性規律，研製出適合於大小系統兼容，熱泵型和熱回收型系統通用，移植性較強的控制器。
（4）系統綜合性能評價問題：VRV空調系統特別是熱回收型系統，由於各換熱器的功能和溫度條件不盡相同，如何評價系統的綜合性能，尚無合理和實有的方法。
（5）製冷劑替代問題：由於VRV空調系統的管道接頭較多，增加了製冷劑泄漏的可能性，且系統的內容積過大，增大了製冷劑充灌量，在HCFC控制計畫實施後，系統價格會大大上升。所以，減少製冷劑充灌量和減少泄漏是系統開發過程中應該重視的問題，同時應加強對HCFC22的替代工質在VRV空調系統中的套用研究。
