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摘要提出了直觀分析變頻空調系統的性能和擾動調節特性的性能圖，并由此來分析室內外環境工況、熱交換器容量、壓縮機頻率（或排氣量）變化對系統特性及制冷劑狀態的影響規律，采用性能圖分析方法不僅為變頻空調系統的優化設計與優化控制提供了有力的工具，而且有助于認識單元與多元空調系統設計與控制思想的統一性。

關鍵詞變頻空調系統制冷循環性能圖

1引言

隨著人們生活水平的提高,對工作和生活環境的舒適性要求也越來越高,空調系統在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色,但是空調是耗能產品,無論從國內和國際上,能源問題都仍然不容樂觀,因此,集舒適性和節能有性于一身的變頻空調器也越來越為廣大用戶所接受,變頻壓縮機的使用，增加了系統的可調控參數，提高了空調器的部分負荷時的性能，用變容量的柔性控制代替了起停控制，減小了系統對電網的沖擊和室內溫度的波動，從節能和舒適性的角度都比定速空調器有明顯的提高[1～5]。

研究空調系統的特性是開發變頻空調系統及其控制系統的前提。壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器的工作性能分別可以用制冷系統的內部參數和外部參數來描述，因此，求解四大部件的聯立議程組即可獲得系統的性能。文獻[6，7]提出了采用制冷循環性能圖來分析制冷系統性能的方法，該方法從制冷系統整體匹配關系出發，來分析環境工況、熱交換器容量大小對系統特性的影響規律，具有極強的直觀性。本文提出變頻空調系統制冷循環性能圖分析方法，從性能圖中可以清晰地看出各主要參數對系統的影響方向和影響程序，不僅有助于認識單元與多元空調系統設計與控制思想的統一性，而且有利于設計者估計到改進或調節某個設備時，對整個系統性能的影響效果。

2制冷系統性能圖

圖1示出了建立在集總參數法基礎上的變頻空調系統的性能圖[3]。性能圖由兩部分組成，圖（a）表示蒸發器的性能曲線和壓縮機的不同頻率時制冷量隨冷凝溫度和蒸發溫度的變化關系；圖（b）表示冷凝器的性能曲線和壓縮機在不同頻率（或排氣量）時冷凝負荷隨冷凝溫度和蒸發溫度的變化關系，制冷劑相同狀態點在圖（b）、(a)中以同名大、小寫字母表示。圖中，頻率f1＜f2＜f3，冷凝溫度tc1<tc2<tc3，蒸發溫度te1<te2<te3；e1(e′1)、e2為蒸發器性能曲線，蒸發器e1的容量大于e2；c1(c′1)、c2為冷凝器性能曲線，冷凝器c1的容量大于c2。當壓縮機定頻運行時，相當于定速空調系統，故圖1所示的性能圖也同樣適用于定速空調系統。

圖1變頻系統制冷循環性能圖

3變頻空調系統的性能圖分析法

3．1蒸發環境濕球溫度的影響

當壓縮機頻率不變（f=f2），采用蒸發e1、冷凝器c1時，從圖1（a）中可以看出，蒸發環境濕球溫度（對應于空氣的焓值）升高，蒸發器性能曲線由e1變化到e′1，制冷循環的狀態由a點變化到f點，系統的蒸發溫度和制冷量均有所上升；從圖3.1(b)中可以看出，系統的冷凝溫度和冷凝負荷均有所上升；其冷凝負荷與制冷量的差值即為系統消耗功率，從性能曲線可以看出，蒸發環境濕球溫度升高會導致系統耗功增大。反之，蒸發環境溫度下降，會使系統的蒸發溫度、冷凝溫度、制冷量和耗功減小。

3．2蒸發器容量變化的影響

當其他因素不變，通過減小風量或電子膨脹閥開度（從而增大蒸發器出口過熱度）等手段減小蒸發器容量時，蒸發器性能曲線由e1變化到e2，制冷循環狀態從a點變化到d點，系統的冷凝溫度、蒸發溫度、制冷量和耗功均減小。

3．3冷凝環境溫度的影響

當其他因素不變時，冷凝環境溫度減小時，從圖1（b）可以看出，冷凝器性能曲線由c1變化到c′1，系統的工作點由A變化到E，冷凝溫度下降，冷凝負荷變化不大；從圖1（a）可以看出，蒸發溫度下降，制冷量增大，系統耗功減小，能效比提高。

3．4冷凝器容量變化的影響

在冷凝環境溫度不變，冷凝器容量減小時，在圖1（b）中，性能曲線由c1變化到c2，系統的工作點由A變化到C，冷凝溫度升高，冷凝負荷變化不大；從圖1（a）中可以看出，系統的蒸發溫度有所升高，制冷量減小，耗功增大，能效比降低。

由此可見，保持壓縮機頻率不變，當室內、外環境工況發生變化（外擾作用）或調節室內、外熱交換器容量時，系統新的穩定工作點必然落在圖1所示的陰影區域[即圖1（a）中過原工作點a的冷凝溫度線和蒸發器性能曲線組成的陰影區域；圖1（b]中過原工作A的蒸發溫度線和冷凝器性能曲線組成的陰影區域]內，換言之，僅通過調節室內、外熱交換器容量，制冷循環的狀態點不可能超越此陰影區域。故在控制制冷循環狀態時，欲到達陰影區域以外的狀態，必須通過調節壓縮機頻率才能實現。

3．5壓縮機頻率變化的影響

當其他條件不變時，壓縮機頻率提高（f2→f3），制冷循環狀態點將從A點沿蒸發器和冷凝器的性能曲線移至狀態點B。從圖中可以看出，當壓縮機頻率上升時，蒸發與冷凝溫度分別下降（a→b）與上升（A→B），制冷量和冷凝負荷都得到提高。所以在室內冷（熱）負荷增大時，通過增大室內、外熱交換器的容量還不能達到負荷要求時，應通過提高壓縮機頻率來增大空調系統的輸出能力。

在壓縮機可變頻率范圍內，調節壓縮機頻率改變陰影區域在性能圖中的位置，再調節熱交換器的容量，就可使制冷循環到達所要求的狀態。

4單元與多元變頻空調系統運行調節的統一性

無論在制冷或制熱時，當室內機容量改變時，其變頻空調系統的平衡狀態點將發生改變，為保證室內環境舒適性，必須對系統進行調節。

利用圖2（a）來分析單元系統制冷時的性能。從圖中可以看出當系統的運行頻率為f1，室內機風速為低速時，系統的蒸發溫度為；此時若將風速調節至中速，蒸發器的容量由e1變化至e2，系統的蒸發溫度將上升為，系統的制冷量雖有所上升，但除濕能力將下降，為保證制冷系統的除濕效果，需調節壓縮機頻率至f2，將蒸發溫度調節至；同理，當蒸發器容量變化至e3時，壓縮機頻率也需進行相應的調節，反之，當蒸發器容量由大變小時，如果不同時調節壓縮機頻率，蒸發溫度將降低，不僅使系統能效降低，而且還會造成蒸發器結霜、結冰，影響系統正常工作。

圖2單元與多元變頻空調系統運行調節的統一性

在多元系統中，若各室內環境的濕球溫度相同，且忽略各室內機因連接管長度對系統性能的影響，當增開（或關閉）一臺或多臺室內機，使蒸發器總容量增大（或減?。r，其系統特性也發生相應的變化，這點仍然可以利用圖2（a）進行分析。例如一個一拖二空調系統，在將蒸發溫度控制在的前提下，蒸發器容量為e1和e2的室內機分別運行時，壓縮機的運轉頻率分別為f1和f2；當兩臺室內機同時工作（即蒸發器總容量上升至e1+e2）時，壓縮機頻率需增大至f3。

圖2（b）示出了多元系統各室內環境濕球溫度不相等時的性能圖。它與各室內環境濕球溫度相等時的區別在于蒸發器總容量的性能曲線（ABC）并非一條光滑的曲線，而是以不同的室內環境濕球溫度為轉折點構成的分段光滑的折曲線。

綜上所述，單元和多元變頻空調系統的運行調節性能相似，二者通過制冷系統的性能圖得到了辯證的統一，故單元系統是簡化、濃縮的多元系統，多元系統是換熱器容量可變的單元系統。

5變頻空調系統運行狀態分析

文獻[3]指出冷凝和蒸發壓力蘊涵了空調系統的擾動和調節信息。當變頻空調系統受到任何外擾與內擾作用時，均直接表現在制冷循環的冷凝壓力和蒸發壓力上，為系統容量調節提供了可靠的信息。

對于結構和制冷劑充灌量已經匹配完畢的變頻空調系統，在運行過程中，當受到某種擾動時，制冷劑的狀態將會改變，如果制冷劑狀態超越正常運行范圍時，需采取一定的調節措施，保證室內環境的舒適性和系統安全、節能運行。其調節手段有壓縮機頻率和冷凝器、蒸發器的容量。

圖3是變頻空調系統運行時制冷劑狀態的分析圖，表征了系統擾動和調節因素對系統冷凝和蒸發壓力的影響關系。圖中，縱軸為冷凝壓力Pc、橫軸為蒸發壓力Pe，OO′為角平分線（Pe=Pc）；AB與AC線分別表示蒸發器容量相對于冷凝器無限大與無限小的漸近線，漸近線CAB在圖中的位置由冷凝與蒸發環境的溫度決定，A點的坐標（Pea,Pca）為蒸發和冷凝環境溫度所對應的制冷劑飽和壓力；線的斜率表示蒸發器與冷凝器容量之比s（當容量變化時，s將改變）；壓縮機在各頻率（或活塞排量）條件下的性能曲線圖為一組以AC和AB為漸近線的曲線族（其中C點表示絕對蒸發壓力為0bar，壓縮機頻率范圍為f∈[fmin,fmax]）。頻率越低，越靠近漸近線；圖中由虛線圍成的曲面多邊形部分是壓縮機不同頻率下所允許的冷凝壓力工作范圍，Pemin是系統最低極限蒸發溫度。當制冷劑狀態點偏離系統正常工作區域時（如狀態點2），在室內、外換熱器容量的限制條件下，可以通過降低壓縮機運行頻率方便地將系統的冷凝溫度調節至正常工作范圍（狀態點1）；同理，當系統的蒸發溫度過低時，可以采用降低壓縮機頻率來調整蒸發溫度，從而保證系統的安全運行。

圖3變頻空調系統的擾動和調節特性分析圖

當系統受到室內、外各種擾動時，控制系統可以通過室內、外換熱器的容量、電子膨脹閥開度和壓縮機運行頻率等來調節系統的容量、冷凝和蒸發壓力，適時地保證室內環境的舒適性和系統的安全性運行要求。

6結束語

本文基于集總參數法仿真研究結果，提出了直觀分析變頻空調系統的性能和擾動調節特性的性能圖，并根據此性能圖分析了室內外環境工況、熱交換器容量、壓縮機頻率（或排氣量）變化對系統特性及制冷劑狀態的影響規律，其結果與分布參數法仿真與實驗結果具有良好的一致性[3，8]。

采用和變頻空調系統性能圖分析方法，可以直觀地看出各主要參數對系統的影響方向和影響程序，為系統的優化設計與優化控制提供了方向性的指導；可以清晰地描述擾動與調節因素對制冷劑狀態參數的影響規律，有助于認識單元與多元空調系統設計與控制思想的統一性；同時為提示制冷循環本質方面的教學工作提供了有力的工具。

參考文獻

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