系统室内机通断运行控制下系统运行状态分析

系统室内机通断运行控制下系统运行状态分析

清华大学建筑学院建筑技术科学系

夏建军 张晓亮 江亿

摘 要：早期的VRF系统通过室内机膨胀阀通断控制的方法实现冷（热）量的分配，这就是所谓的室内机通断控制运行。目前市场上仍有大量的产品采用该方式控制。 该控制方法具体实现是：给定室温设定值范围，当室温高于房间设定值最高限时（制冷）或低于房间设定值最低限制时（制热），室内机膨胀阀开启，同时根据过热 （冷）度变化调节电子膨胀阀开度，控制恒定的过热（冷）度；当室温低于房间的设定值最低限时（制冷）或高于房间的设定最高限制时（制热），则关闭室内机电 子膨胀阀。本文通过理论分析与试验研究相结合的方法分析室内机通断运行控制时，控制系统对VRF系统运行状态的影响。

1简介

VRF（Variable Refrigerant Flow，变制冷剂流量）系统由于其采用变容量调节以匹配系统负荷变化，在系统节能方面逐渐显示出较好的表现，近年来正引起越来越多的重视。而控制策略对 系统的能耗性能影响较大。在不同运行工况以及调节模式组合多变条件下，如何保证系统能够稳定、高效率运行取决于系统的控制策略和控制算法。由于VRF系统 各室内机实际运行过程中，负荷率变化不同，采用传统单元式系统控制恒定出口过热度的方法并不能实现各室内机之间的制冷量分配，必须增加新的控制调节手段。 现有的室内机常用的变容量控制方法有多种，通断控制方法[1][2][3]和连续调节方法[4][5]等。不同的控制策略下，系统的运行工况存在差异，对 系统的能效性能影响不同。

早期的VRF系统通过室内机膨胀阀通断控制的方法实现冷（热）量的分配，这就是所谓的室内机通断控制运行。目前市场上仍有大量的产品采用该方式控制。该控 制方法具体实现是：给定室温设定值范围，当室温高于房间设定值最高限时（制冷）或低于房间设定值最低限制时（制热），室内机膨胀阀开启，同时根据过热 （冷）度变化调节电子膨胀阀开度，控制恒定的过热（冷）度；当室温低于房间的设定值最低限时（制冷）或高于房间的设定最高限制时（制热），则关闭室内机电 子膨胀阀。本文通过理论分析与试验研究相结合的方法分析室内机通断运行控制时，控制系统对VRF系统运行状态的影响。

2试验装置

试验设备为某厂家生产的一拖五三管制热回收型VRF系统。室内机和室外机额定工况下参数见表1。制冷工质为R22。

该VRF系统采用自律分散式控制方法。其中室内机通断控制来满足负荷需求：室内膨胀阀控制出口过热（冷）度为确定值（5℃），当室温达到室温设定值上限时 则关闭膨胀阀；室外机压缩机由一台定速压缩机（小）和一台变速压缩机（大）并联运行组成，室外机换热器风扇变速运行；室内机换热器风扇三档调速运行，由用 户自行控制。

制冷目标循环设定如下所示：全体制冷运行时，压缩机吸气压力的设定值为5.5bar（对应蒸发温度为3.1oC），排气压力由室外状况决定，同时使其不超 过压缩机安全工作允许范围，此外还需保证各室内机膨胀阀的资用压头。实际控制运行范围为[14.7, 26]bar。全体制热运行时，压缩机吸气压力由室外状况决定，同时保证不会由于吸气压力过低造成压缩机排气温度太高。实际控制运行范围为[3.5, ] bar，其中 为室外环境温度对应的制冷剂饱和压力。压缩机排气压力设定值为17.3bar（对应冷凝温度为45oC）。热回收运行时，压缩机吸气压力设定值为5.5bar，排气压力设定值为17.3bar。

表1被测VRF系统额定工况制冷（热）量*

*注： 制冷额定工况 制热额定工况

室内空气温度： 23 oC DB 21 oC DB

室外空气温度： 35 oC DB 7 oC DB（6 oC WB）

该试验台搭建在比利时烈日大学热工实验室，它由10个人工气候室组成。每一个人工气候室都采用严格的保温和密封，尽量减少与周围环境的热、质交换，以减小由于室外环境变化对室内热湿参数造成的影响。

室外机人工气候室由独立的空调系统控制，可以精确的模拟冬季和夏季的室外气象条件。室内机人工气候室也都配有一组独立的辅助设备，由风机盘管、电加热器和蒸汽加湿器组成，用以模拟实际空调房间中的冷、热和湿负荷。

实验研究方法采用房间热平衡法进行整机性能试验。其主要基于以下几点考虑：

该方法中被测系统运行环境更接近于实际工作环境，因而所测结果更能反映系统的控制系统真实性能；

热平衡法和空气焓差法相结合，可准确得到系统运行过程中各部分制冷剂流量分配状况。

3试验结果分析

首先给出负荷率的定义为：

室内机负荷率为当前蒸发压力下，室内机实际制冷量与室内机出口过热度为0时制冷量的比值；

系统负荷率为，给定吸气压力工况下，各室内机实际制冷量之和与室内机出口都为0时制冷量之和的比值；

室外机换热器负荷率为室外机换热器实际换热量与设计额定工况下换热量的比值。

在以后分析中，如不作特殊说明，则负荷率定义均按照上述定义进行计算。

3.1通断控制时室内机运行状态特征

传统单元式空调系统，室内机通断运行时，室外机压缩机也随之以相同的频率启停运行，系统循环状态参数变化剧烈，启停过程必然伴随着制冷剂迁移、温度压力的 重新分布等动态过程，对系统能耗性能影响较大。一般采用分段研究的方法对系统稳态运行过程、停机动态过程和启动动态过程分别进行分析，即可了解系统整体运 行性能。

VRF系统室内机通断运行时相比而言则要更加复杂，这主要是由于各室内机独立控制，随时间变化启停运行状态不尽相同。当其中某一室内机停止运行时，其他室 内机还可能处于运行状态，此时室外机压缩机和换热器仍然运行，维持蒸发侧或冷凝侧压力基本不变，因而在一定程度上降低了单元式空调系统由于压缩机启停引起 蒸发侧和冷凝侧温度压力的重新分布，制冷剂迁移混合等动态过程造成的能耗损失。但同时也对VRF系统能耗性能分析造成了一定的难度：各个扰动之间时间间隔 缩短，系统长时间处于非平衡态，很难采用与传统单元式空调系统相同的分段研究的方法来进行分析。

3.1.1室内机通断运行时逐时制冷量变化

O’Neal和Katipamula[6~7]的研究表明，传统单元式热泵系统，其启停运行时，系统瞬时制冷（热）量可以通过一个一次延迟模型进行计算：

式中 为稳态工作时系统制冷量， 为系统时间常数， 为启动后运行时间。

采用试验的方法对一VRF系统室内机启停运行时制冷量动态变化进行监测。该室内机安装在一人工气候室中（图2），室内机额定显热制冷量为5.3kW，室内 负荷为3.27kW。室内温度设定值为23 oC，实际温度控制上下限为[21,25] oC。气候室热容为151.7kJ/ oC，室内机风扇高档风速运行。

室内机显热制冷量通过实时测量室内机换热器进出口风温，由如下公式进行计算（该工况为干工况）：

式中 为室内机运行风量， ， 为实测所得换热器进出口风温。

图 3 VRF系统室内机逐时负荷

从图3中可以看出，当室内机启动时，室内机制冷量迅速达到最大制冷量，并稳定下来。这主要是因为室内机停止运行时，由于还有其他室内机运行，虽然由于室内 机通断扰动会造成蒸发、冷凝压力的波动，但系统蒸发、冷凝压差波动较小，不存在如传统单元式空调系统室内机关闭时，蒸发冷凝压力趋向平衡，启动时蒸发侧和 冷凝侧温度压力差的重新分布，制冷剂迁移混合等动态过程。因此当室内机开始运行时，制冷剂侧流量很快达到稳态运行工况，且由于开始运行时换热器进口风温达 到最高，制冷量较大，随着室内机运行，室内空气温度逐渐降低，换热器由于进口空气温度的降低，制冷量也有所降低。

对制热运行工况，室内机制热量变化规律基本相同。

3.1.2 室内机通断运行特性分析

以制冷运行工况为例，设房间内显热冷负荷为 ，kW。房间设定干球温度为 oC，实际控制过程中室内温度波动上下限为[ -2， +2]oC。房间热容定义为C，kJ/ oC。室内机运行时其显热制冷量*为 ＝ （该室温设定值以及蒸发压力下的额定制冷量），kW；室内机停止运行时，其制冷量冷量为 。 为室内机停止工作时，换热器表面通过自然对流的方式从室内空气中吸收的热量。Rubas[1]的研究表明，该部分换热量相对于室内机运行时的制冷量要小很多（约为1~2%），本试验结果也进一步验证了该结论，因此在实际分析中近似取 ＝0。

忽略室内机通断开始阶段的动态影响以及室内机换热器和制冷剂的蓄热影响，则部分负荷工况下，室内机运行过程中房间温度随时间呈周期性变化规律。该周期性变化规律可以通过两个参数进行描述：室内机运行周期T（s）和室内机开启率R。

在经历一个开启运行状态和关闭状态的时间周期T内，室内机制冷量应满足如下公式：

室内机开启率R定义为室内机在经历了一个开启运行状态和关闭状态的时间周期T内，室内机开启状态所占的时间百分比。若假设室温在设定值上下限变化时对室内 机运行时制冷量和室内负荷影响较小，则通过式（4）其可以近似的计算得室内机开启率即为室内机部分负荷比PLF：

室内机通断运行时间周期T则除了与房间负荷、室内机制冷量有关外，还与室内机所处房间热容有关。其满足如下公式：

若假设 室内热容不随时间发生变化，忽略室温在其设定值上下限内变化时对房间负荷和室内机制冷量的影响，由上式可以近似计算得：

通过上述试验对室内机通断运行时室内空气状态及运行状况进行监测可以得到以上相似的结论。并可以从实验结果中计算出室内机平均开启率 和室内机平均启停运行周期 与以上近似计算结果进行比较。

图4试验测得不同负荷率下室内机通断运行室温变化状况

表2室内机通断运行下系统运行特征验证

从分析结果中可以看出（图4，表2），试验数据和计算数据两者差别很小，因此以上假设分析结果成立。在该试验条件下，室内机启停运行周期约为8分钟。

由上可知，室内机通断运行时，各室内机的运行规律和房间温度周期性变化规律可以由开启率和开启频率来描述，主要由以下几个参数决定：室内机额定制冷量，房 间干球温度设定值（温度设定上下限），室内负荷和房间热容。当房间温度设定上下限越小，房间热容越小时，室内机启停运行周期越短。反之，则运行周期越长。

该分析过程同样对室内机制热工况成立。

3.2 多台室内机通断运行时室外机运行状态特征

3.2.1 理论分析

采用同样的方法对一拖五热回收型VRF系统进行分析，设定各室内机运行参数：室内机额定制冷量相同 （计算工况取4kW），室内设定干球温度同为24 oC （实际室温控制上下限为[22,26] oC），房间热容相同（计算工况取151kJ/ oC），各室内机制冷负荷比为50%。分析各室内机通断运行时系统运行特征。由上节分析可知，由于设定参数相同，各室内机On/Off运行周期性变化规律相同。

对各室内机周期性运行结果进行叠加，以期获得室外机换热器和压缩机运行特性，分析结果如下所示：

图5中两种工况的区别在于室内温度达到设定值范围后，其初始值不同。即运行过程中，各室内机周期性通断运行时所对应的初始相位不同。可以定性采用各时刻室内机运行台数来描述室外机压缩机和换热器对应的总负荷随时间变化规律，如表3所示：

表3室外机运行工况分析

可以看出对应于相同的室内机负荷特性，VRF系统室外机运行工况可能存在显著的差异。室外机运行工况与室温达到设定值范围时各室内机周期运行的初始相位有 关。该初始相位在实际运行过程中难以确定，它与系统开启过程、室内机开启次序、房间初始温度等有关。而以上参数又具有很大的随机性，很难通过理论的方法进 行确定。因此室外机运行工况在一定范围内也存在随机不确定性。以上述分析案例为 例，其运行工况的极端状况就是，各室内机周期性运行初始相位相同，即同步启 停，造成室外机换热器、压缩机以同样的周期启停运行，即与单元式空调器相同的运行工况。

3.2.2 试验研究

通过试验的方法对实际系统运行过程中，多台室内机通断运行叠加时系统运行特征随负荷比变化规律进行分析。

以上述试验装置对不同制冷运行工况（负荷特性）进行多组试验以分析系统不同部分负荷比情况下，不同运行台数下，多台室内机通断运行时的叠加特性。室内温度设定值为23 oC ，室外温度为30 oC。选取几组代表工况，具体试验结果描述如下（图6～9）。

定义VRF系统部分负荷比为：

式中i为室内机编号。工况1中各室内机制冷量对应其设计制冷量；其他各工况下，室内机负荷率近似相同，与系统总负荷率相同。

图6为各室内机满负荷运行时，室内温度和室外机运行状况（工况1）。图（a）为各被控气候室室内干球温度实测值随时间变化结果；图（b）为三管制系统，三 根主干管上（高压蒸汽管、高压液体管和低压蒸汽管）制冷剂压力实测值随时间变化结果；图（c）中为系统瞬时制冷量叠加计算结果；图（d）为室外机变频压缩 机瞬时运转频率实测值。可以看出，在该工况下，室内负荷与各室内机的额定制冷量一致，室温基本维持不变。由于实际运行过程中，室温均高于设定值的下限，故 各室内机连续运行，不存在通断运行大扰动状况，其叠加结果不随时间发生改变。室外机控制器能较好的将循环状态量控制在其设定值附近，压缩机吸气压力恒定在 5.5bar左右，系统工作在准稳态工况下。

当降低各气候室室内制冷量至其对应室内机额定制冷量的63%时（工况2，如图7），各室内机周期性通断运行，通断周期约为9分钟。气候室室内温度很快到达 设定值，并随后在其设定值上下限之间来回波动，室内舒适性控制要求基本得到满足。但从图中可以看出，系统运行初始一个半小时内与随后两个多小时内，室外机 运行工况存在明显的差异。在前一个半小时内，由于各室内机周期性通断运行相位趋于一致，在某些时间段时常出现几台室内机同时启停，造成叠加后室内机总制冷 量变化波动较大，室外机控制器失调，很难维持恒定的制冷循环控制目标（压缩机吸气压力）。从试验结果中可以看出：压缩机运转频率变化剧烈，实际控制压缩机 吸气压力维持在5.5bar左右，但上下振荡变化幅度较为明显。在随后运行的2个多小时内，各室内机启停运行状态交错，实际叠加后室内机瞬时制冷量变化幅 度较小，室外机运行工况趋于平稳，压缩机运转频率变化幅度较小，压缩机吸排气压力基本维持不变。由此验证了上述理论分析中，对应与相同的负荷特性，系统室 外机运行工况具有不确定性这一结论。

&nb sp; 采用与工况2中基本相同的负荷特性进行重复试验，以进一步分析该工况下室内机周期性运行叠加特性，如图8所示（工况3）。可以看出在该组试验工况下，从系 统开始运行到试验结束，室外机运行状态变化不大，各室内机启停运行状态交错，叠加后室内机总负荷变化幅度较小。系统总体运行工况与工况2试验中后续阶段运 行工况相似。

在随后试验过程中对系统部分负荷比为60%~80%的工况进行多组试验分析室内机通断运行叠加特性，试验过程在这里不一一赘述。但基本可以得到和工况 2，3相同的结论：相同负荷特性下，室外机运行工况具有不确定性，存在多种可能；但如果运行时间足够长，各室内机启停状态趋向于交错进行，室外机运行工况 趋于平稳。

进一步降低冷室内机冷负荷至部分负荷比约为39%（工况4），试验过程如图9所示。各室内机周期性On/Off运行，气候室室内温度在其设定值上下波动， 室内舒适性要求基本得到满足。但各室内机启停运行状态在很长时间内趋于一致，造成室内机室外机运行工况波动较大。室外机控制器很难通过压缩机运转频率等调 节手段维持稳定的制冷循环，系统循环控制目标（蒸发压力、冷凝压力）出现振荡。

采用同样的方法对不同制热运行工况（负荷特性）和热回收工况进行多组试验以分析系统不同部分负荷比情况下，多台室内机On/Off运行时的叠加特性。可以得到与上节描述的全体制冷工况下相同的结论。

3.2.3 试验小结

通过以上的理论分析和大量的试验验证，对于室内机通断控制的VRF系统运行特征，我们可以得到以下结论：

对应一特定的VRF系统，特定的室内围护结构，当室内负荷和温度设定值确定的情况下，各室内机通断运行的周期性规律较为确定，可以通过运行周期和开启率等参数进行描述。

在部分负荷运行工况下，室外机运行工况存在不确定性。不同负荷特性，室内机运行工况不同；且在相同的负荷特性下，不同的运行时间段，系统室外机运行工况可能存在显著不同。

具体归纳如下：

当各室内机部分负荷比大于60%时，室内机通断运行状况趋向于交错进行，该过程造成的大扰动基本在室外机控制器调节范围内，室外机运行工况趋于平稳，系统制冷循环状态趋于稳定；

当各室内机部分负荷比小于40%时，室内机通断运行状态趋于一致，该过程造成的大扰动很难通过室外机控制器调节，室外机运行工况和系统制冷循环状态波动较大；

在40~60%之间时，此时室外机运行工况较难确定：在某些时间段，各室内机通断运行状态交错，室外机运行工况较为稳定；但在某些时间段，可能出现所有室内机通断运行状态一致，室外机运行工况波动较大。

4讨论

“动态是绝对的，稳态是相对的。”[8]

个体运行之间的差异是室内机运行工况趋向于发散的原因。

举例说明：假如室外机能够维持吸气压力、排气压力稳定，此时各室内机之间相互无影响，则由于各室内机通断运行的差异性（运行周期和开启率），随着时间的推移，室内机通断运行工况将最终趋向于交错和发散运行。

而个体运行之间的相互干扰则是室内机运行工况趋向于一致的原因。

由于实际运行过程中，各室内机通过吸气压力和平起起压力相互耦合影响，当某台室内机停止运行时，其对吸气、排气压力的影响，也必将导致其他室内机运行时间 缩短，也趋向于停止运行。例如制冷工况下，当某台室内机停止运行时，由于控制系统不能完全平衡该扰动，吸气压力将降低，对应于其他正在运行的室内机，在膨 胀阀开度不变的情况下，制冷剂流量将增加，换热温差增加，室内机制冷量增加，室内温度以更快的速度趋向室温设定下限，室内机停止运行，各室内机运行工况趋 向于一致。同样可以分析得到室内机开启时，其对吸气、排气压力造成的影响，使得其他室内机开启时间延长，运行工况趋向于一致。

“个体之间的差异性是绝对的”[9]。如果忽略相互之间的影响，最终各室内机通断运行将趋向于发散，系统制冷循环稳定运行。而室内机之间的相互影响是客观 存在的，因此需要进一步对各种运行工况下，室内机之间的相互影响进行分析。当相互影响较小时，则认为该工况，室外机运行最终将趋向于稳定运行；当相互影响 较大时，则室外机将处于动态振荡运行工况。

对试验结果进一步进行分析，可知室内机瞬时总工作台数决定室内机之间相互影响的大小。

当室内机瞬时总工作台数较大时，系统制冷剂循环流量较大，单台室内机通断运行所引起的制冷循环状态量变化，相对于通断之前状态量，其相对变化量较小，因此 由于系统热惯性以及室外机压缩机变频控制，系统可维持较为稳定的吸气、排气压力。各室内机之间的相互影响趋于最小，系统制冷循环较为稳定。当室内机瞬时总 工作台数较少时，则单台室内机通断运行所引起的制冷循环状态量变化、相对于通断之前状态量，其相对变化量较大，很难通过系统热惯性以及室外机压缩机控制使 得系统吸气、排气压力维持稳定，因此各室内机之间的相互影响较大，促进了各室内机启停的同步。

5 结论

本文通过大量的实验研究，说明目前广泛采用的VRF系统启停控制方式下，系统运行工况具有随机性特点，尤其在部分负荷工况下，该随机性特点更为突出。很难有效的进一步节能。

研究结果表明：

采用室内机通断控制方法，室内温度波动较大，舒适性程度有待提高；

室外机运行工况受室内机影响较大， 在一定程度上具有不确定性，当室内机运行台数较少，负荷率较低时，室外机控制器失调，很难维持恒定的制冷循环控制目标。

研究通断运行规律可指导VRF系统的设计：

室内机通断控制运行，由于其控制方法简单，在现有的一些VRF系统中依然比较常见。室内机采用通断控制调节室温时，电子膨胀阀运行工况较为单一（室内机运 行时，控制恒定的过热度，室内机停止时，电子膨胀阀关闭），因此在实际系统中可采用热力膨胀阀（或毛细管）和电磁阀通断控制来代替，以降低系统成本。

从上述结论中可知，当室内机总台数超过10台时，则在大部分运行工况（PLF>30%）下，采用室内机通断运行控制，系统运行工况较为稳定。当室内 机总台数较少时，则采用室内机通断运行控制，系统动态过程对系统能耗性能影响较大，此时应该采用其他室内机控制方法，如室内机连续调节方法等。

6参考文献

Daikin Industries, Ltd. 变频控制、热回收“K”系列VRV系统技术资料. 1998， EDCN 31-12

Fumio Mastsuok, Fuzzy Technology in the Refrigeration & Air Conditioning Systems. Trans. Of JAR, 1991, 8(1): 1-15

Takashi Nakamura, Tomohiki Kasai, Fumio Matsuoka et al. Air Conditioning System, United States Patent, US005142879A, 1992

Mitsubishi Electric Corporation, Air Conditioners City Multi technical handbook. 2003.

石文星. 变制冷剂流量空调系统特性及其控制策略研究：[博士论文]. 北京：清华大学建筑技术科学系，2000

O’Neal, D.L., S. Katipanula. Performance degradation during on-off cycling of single-speed air conditioners and heat pumps: Model development and analysis. ASHRAE Trans. 97(2): 316~323

O’Neal, D.L., S. Katipanula. Development of non-dimensional cycling model for estimating the seasonal performance of air conditioners. Journal of Solar Energy Engineering, 1993, 176~181

恩格斯著，于光远等译编. 自然辩证法. 北京：人民出版社，1984

魏宏森，曾国屏著. 系统论――系统科学哲学. 北京：清华大学出版社，1996. 287~297

☆夏建军，男，1975年12月生，研究生，博士

100084 北京清华大学建筑学院建筑技术科学系

（010）62789761

E-mail: xiajianjun@ tsinghua.edu.cn