家用直流变频一拖五空调器设计探讨

摘要：介绍了三洋2009年最新研发的具有世界先进水平的全直流变频一拖五空调器，对其中的压缩机及主要部件的选型、冷凝器的设计、制冷系统的设计、电控系统的设计等问题进行了探讨，同时介绍了试验验证项目。

关键词：直流变频一拖多空调；设计；试验验证

1 前言

变频一拖多空调器一般是单一电源，单一变频压缩机，冷量的分配由电子膨胀阀控制，其系统是以变冷媒流量为特征，一台室外机同时带动多台室内机的直冷式空调系统。该系统以其节能、舒适、安装布置灵活、节省空间、高性价比等优势正越来越得到人们的青睐。由于各室内机所需的制冷量不同、运行工况不同，但共用一台压缩机和冷凝器，这使得各室内机的运行参数相互影响，表现出很强的耦合性，运行特性极其复杂。由于系统设计、性能匹配以及电子膨胀阀等电器控制相对复杂，所以，目前市场上的变频一拖多空调器主要以一拖二、一拖三居多，一拖四较为少见，一拖五是最近一年应市场需求才诞生的空调器，目前只有日本大金、三菱电机、东芝相继导入变频一拖五空调器。为了提高市场竞争力，三洋空调在2009年重点研发变频一拖五空调器，与几大空调厂家竞争。三洋的变频一拖五空调器是采用小型化机身设计的全新机型，采用全直流变频技术，最高可连接5台室内机，大大丰富了用户空调的选择空间，特别适合用于内部房型多样化及现代完美装修风格的高级住宅、别墅、小型办公室等，为用户提供理想的舒适空间。为此，拟在介绍本公司新开发的一款4HP直流变频一拖五空调器的设计过程、参数确定的基础上，对设计要点及测试评价方法进行探讨。

2 产品特征

通过提高产品的COP，新产品制冷和制热的能效比都达到欧洲A级能效。同时，设计时还充分考虑了室外机的噪音问题，设有静音模式，采用环保冷媒R410A。因此，新产品具有节能、低噪、高效、环保的特点。（见表1）

表1 各厂家变频一拖五空调对比表

3 产品设计的内容

A、制冷系统方案设计：

①明确设计要求，综合选取室外箱体

本机型的基本参数如表1所示。

根据以上参数，考虑现有的外箱体的能力段及借鉴已往机型的测试数据，决定采用本公司CHEP160E的室外箱体，具体箱体尺寸如表1所示。

②压缩机的选型

根据开发机型的冷量大小和压缩机参数，选取日本三洋最新的超高效直流变频双转子压缩机C-9RVN273H0H。

③通过实验确定冷凝器的关键参数

冷凝器：高度880mm，长度900mm，双弯排，40根Φ7.94的U形高效内螺纹铜管；内螺纹铜管采用特殊内螺纹齿形设计和最佳内螺纹齿数，增大铜管内壁的换热面积，控制冷媒的流动损失，提高了冷媒换热效率，同时又降低了管长衰减；翅片采用亲水铝箔低压损波纹片，翅片形状凹凸型，其阻力比常规翅片低22%，而且不易积水、积灰，保证化霜后水分快速排除，保证系统的换热效果；翅片片距为1.2mm，增大冷凝器面积，提高了冷凝器性能；流路采用8进8出的设计，增加管程数量，缩短管程长度，降低冷媒的流动阻力。具体的流路设计如图1所示。内螺纹管径由Φ9.52改为Φ7.94，采用小管径换热器，冷媒流速上升，压力损失减少，热交换效率提高。

c） 运行电流I≤Imax

有了上述函数和约束条件，即可通过实验方法编制压缩机频率控制程序。

②电子膨胀阀开度的设定

由于各室内机使用电子膨胀阀作为节流机构，故电子膨胀阀的开度控制显得非常重要。

以一个室内机为例，电子膨胀阀的开度是蒸发器进出口温度的函数，即：

△Y=f(△t)

△Y：膨胀阀开度调节量 △t=t2-t1（过热度）

按照开启度数字PID控制算法，有如下安田公式：

△Y=kp(en-en-1)+ki en Ts+ ko(en-2e n-1+ en-2)/ Ts

△Y：阀值转动量的增加值

en、e n-1、 en-2偏差；en=过热度-设定过热度

过热度即：△tn=t2n-t1n

设定过热度为预先设定值，为一定值。

Ts为某时刻；kp 、ki 、ko为比例系数。

这样电子膨胀阀以设定过热度作为目标作比例积分的调节，尽早达到设定过热度。

③室外风速的控制

根据室外环境温度及压缩机运转频率的变化来调节电机转速，制冷时5档调节，制热时6档调节。室外直流电机采用PWM（脉冲宽度调节）控制，实现节能运转。

制冷时风速控制：

a) 运转频率=0（停止）时，风扇停止。

b) 运转频率≠0（运转）时，风速见表2。

表2 制冷风速

制热时风速控制：

a) 运转频率=0（停止）及除霜时，风扇停止。

b）运转频率≠0（运转）时，风速见表3。

表3 制热风速

④压缩机的驱动控制

采用三洋最新一代的直流无级变频技术：全PAM（脉冲幅度调节）控制，调整电流波形近似于供电电压波形，不但可以降低高调波，而且电力可以被高效利用，利用率提高到98%，可有效地节省能源；可产生平滑的180°正弦波矢量驱动的PWM（脉冲宽度调节）控制，加上无传感器位置感应技术，通过改进从低速到高速的运行效率，使电机效率有效提升及运行噪音显著下降；压缩机的运转频率可根据系统容量的变化进行连续、自由调节，精度更高，从8Hz到120Hz，0.5Hz一级的调节精度，共224级变化，实现无级变频，与三洋独自的高速计算矢量控制技术相结合，根据实际空调负荷自动调节能力输出，保证达到更平滑的波形变化曲线来满足更高需求的舒适度。

⑤电子膨胀阀的控制

a)压缩机排气温度的控制

采用电子膨胀阀开度调节和压缩机频率改变的配合，实现对压缩机排气温度的控制。在排气管上安装排气感温包，当排气温度过高，先降频，然后检测排气温度，如果还过高，则增加运行房间电子膨胀阀的开度，增大系统中冷媒的循环量，冷却进气，使压缩机得到冷却，如此循环，从而控制压缩机排气温度在设定范围内而不会过高。

b)冷媒分流控制

当多台室内机同时运转时，电子膨胀阀要进行冷媒分流控制。采用提高压缩机的运转频率，同时减少运行房间的电子膨胀阀开度，而且将非运行房间电子膨胀阀开度初始值定为30开度以上，实现冷媒和冷热量向刚投入运行室内机房间的倾斜分配。经过这一段时间运行后，各室内机的电子膨胀阀再进入各自的过热度模糊控制。通过以上压缩机频率的提高和各室内机电子膨胀阀开度调节的配合，使房间温度达到设定温度时间更短，系统更早进入低频运行状态。

⑥整机设有除霜控制、冻结防止控制、低外气制冷控制等一系列控制功能，而且还设置压缩机温度保护、运行电流保护、截止阀忘记打开保护、盘管温度过高或过低保护等一系列保护功能，实现整机运行的安全可靠性。

C、一系列的型式试验验证

对于出口欧洲的空调，根据欧洲标准，有一系列严格的实验项目，包括名义制冷、最大制冷、冻结、凝露、凝露水处理、低外气制冷、名义制热、最大制热、自动除霜、低温制热、欧洲A级能效标准、噪音等试验项目。（表4为本机型的能效测试情况）

表4 试验数据

注：欧洲A级能效标准（2台额定运转）：制冷EER≥3.2；制热COP≥3.6

D、长期可靠性运行验证

①长配管、高落差可靠性试验

一拖多空调器需要考虑到安装时配备较长的连管和内外机高落差对整机系统的影响，故进行系统长期长配管、高落差可靠性试验，确认整机的运行情况是必不可少的。

②可靠性试验方案

可靠性试验项目是检验空调器运行的寿命试验，是反映产品设计质量是否存在内在缺陷的最重要手段。在可靠性试验方案中，有特别针对制冷系统、控制系统、结构系统的项目，包括高温制冷或制热、低温制冷或制热、连续或断续运行、全工况模拟等一系列试验方法，这样才能保证质量。（部分试验项目见表5）

表5 试验项目表

4 结论

（1）变频一拖多空调的开发设计有别于一般的家用变频空调，它要求制冷系统匹配与控制策略相结合。变频一拖五空调的设计是在反复实验的基础上得出的一种较为合适的一拖多设计方法。

（2）变频一拖五空调集一拖多技术、直流变频技术、节能技术等多种高新技术于一体，在产品的可靠性验证方面需要考虑多方面影响因素，进行大量有针对性的试验评价才能确保产品的质量。

本文对直流变频一拖多空调的设计进行了初步的探讨，由于直流变频一拖多是当今一次冷媒系统中最复杂最先进的系统，它涉及多个领域的技术问题，要设计出稳定可靠的变频一拖多系统，还需作大量的理论和实验工作。

5 参考文献

[1]吴时晶.论多联式空调系统设计中的几个问题[J].福建建筑，2006(1)：164-165

[2]庄嵘，叶竞春.电子膨胀阀在变频一拖多空调系统中的应用[J].制冷，2004(3)：37-40

[3]马场和彦.空调器用电动机、变频器高性能化技术[J].日本冷冻空调协会论文集，VOL.24 NO.1（2007）