前置串聯式風冷熱回收機組的冷媒控制策略

陸海龍， 崔曉鈺

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.江森自控樓宇設備科技(無錫)有限公司，無錫 214028)

前置串聯式風冷熱回收機組的冷媒控制策略

陸海龍1，2， 崔曉鈺1

(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2.江森自控樓宇設備科技(無錫)有限公司，無錫 214028)

分析了前置串聯式風冷熱回收空調系統存在的主要應用問題，提出了一種應用于該類型空調機組的冷媒控制策略.通過測試證明，使用該冷媒控制策略的風冷熱回收機組有效避免了風險，運行情況得到明顯改善.在常規工況下，機組運行穩定；在熱回收器進水溫度為30℃的低熱水溫度制冷工況下，機組節流裝置前液態冷媒的過冷度由0.2℃提升到3.1℃，冷凝熱的回收率從16.34%提高到19.48%，熱回收出水溫度升高約2.5℃；在制冷最大負荷工況下，排氣壓力過高時，機組可以按照控制邏輯設定回收系統中多余的冷媒，保證機組穩定運行.

前置串聯；風冷；熱回收；冷媒；控制策略

隨著我國國民經濟的發展和人民生活水平的提高，我國建筑物的能源消耗也逐年增加，包括環境供暖、空調、日用衛生熱水等.空調及熱泵系統正被廣泛地用來為建筑物供暖和制冷.我國一次能源消費總量近年來持續增長，于2010年超越美國成為全球第一.在全球能源供應量趨于穩定的今天，我國所面臨的能源供給與消費壓力將逐年增加[1].

傳統的空調及熱泵系統在夏天運行空調制冷模式時，大量的冷凝熱直接排放到環境中，通常可達到制冷量的115%～130%[2].而另一方面，為滿足建筑物衛生用水的需要，額外配備的電燃氣鍋爐還要全天運行.因此，在能源收支平衡中熱損失占了很大一部分.同時，中央空調冷凝熱排放所造成的熱島效應等問題也日益嚴重.在夏季空調機組制冷時，通常采取的冷凝方式是將冷凝熱全部排向大氣，同時運行電鍋爐來加熱熱水，以滿足建筑內衛生熱水的需求，這樣造成了對室外環境的嚴重熱污染，引起城市的“熱島效應”[3].

解決空調冷凝熱排放最直接的方法就是熱回收技術.20世紀90年代后期，我國開始有關冷凝熱回收技術方面的研究.榮國華[4]提出夏季利用制冷機冷凝器加熱自來水，可以提供熱水，降低能耗.吳獻忠等[2]針對蒸汽壓縮制冷裝置的特點，提出了直接將滿足熱水用量的自來水送入熱回收器，利用壓縮機的排氣顯熱和部分冷凝潛熱對其進行加熱，高溫熱水儲存在儲水箱內以供使用.龔光彩等[5]提出了雙冷凝器熱回收技術，在壓縮機和冷凝器之間增加一個熱回收器(冷凝器)回收冷凝熱.該技術可以直接回收制冷機組的蒸汽顯熱或顯熱加部分潛熱，一次性加熱或循環加熱給水到指定溫度.江輝民等[6]從試驗的角度，論證了回收空調冷凝熱來加熱熱水的可行性，并認為這種帶有冷凝熱回收的節能空調器比常規空調器性能更高，節能意義更大.黃璞潔等[7]把集中空調系統的冷凝熱回收機組、蓄熱水箱引入到常規空調與生活熱水供應系統中，并與傳統的空調和生活熱水供應系統進行比較發現，在空調制冷時間較長的夏熱冬暖地區，空調冷凝熱回收技術對于減少廢熱排放，實現節能運行意義重大.童春輝等[8]對基于空調系統的制冷、制熱、熱回收三聯供機組進行分類，重點回顧了針對前置串聯式和并聯式系統的性能和動態運行特性的研究現狀.

目前，冷凝熱回收的方式可分為:a.將冷凝器熱回收裝置串聯在冷凝器前，吸收冷凝熱的高品位熱能；b.將冷凝器熱回收裝置與冷凝器并聯，通過控制系統保證機組正常運行，同時回收冷凝熱.其中前置串聯式熱回收系統簡單易行，主要設計方案是在標準冷水機組的壓縮機排氣側、風側換熱器前串聯一個板式熱回收器，運行時能夠同時滿足冷凝熱回收功能和制冷功能.這種熱回收形式最高能夠回收80%以上的冷凝熱，最高出水溫度可達到60℃以上，完全可以滿足日常生活用水的需求，故作為空調熱回收的形式潛力極大.

目前，針對空調熱回收技術研究的重點主要集中在系統的可行性論證和系統的整體穩態性能及經濟性等方面，而對于系統設計中存在的實際應用問題及可靠性風險的改善涉及較少.在前置串聯式風冷熱回收機組產品開發過程中，主要問題是不同工況下需要不同冷媒充注量，來保證熱回收效果及機組運行可靠性.在冷媒流量控制方法方面，蘇順玉等[9]提出了儲液器法和噴射液法來解決熱泵型空調在制冷和制熱工況下所需冷媒充注量差異，并通過試驗證明了其作用.筆者認為，通過控制策略使冷媒充注量準確變化以適應不同工況的需求，更適合于解決冷媒充注量與工況差異之間的矛盾.

根據在大型風冷熱回收機組研發和改進過程中積累的相關經驗，本文分析了前置串聯式部分熱回收冷水機組常用系統設計的主要應用問題，并提出簡易、可靠的冷媒控制策略，結合產品控制邏輯解決相應的系統問題，以便供從事相關研究的人員參考.

1 常用系統設計方案及其主要應用

前置串聯式風冷熱回收機組是在標準冷水機組的壓縮機排氣側、風側換熱器前串聯一個板式熱回收器，運行時能夠同時滿足冷凝熱回收功能和制冷功能的空調機組.

常用系統設計方案如圖1所示，在冷凝器出口處安裝儲液器，當冷凝器出口的冷媒無過冷度時，儲液器出口為飽和狀態的液態冷媒.當熱回收器不運行(即熱水未流動)時，制冷系統的冷凝器出口冷媒過冷度和蒸發器出口氣體過熱度與不帶熱回收功能的標準冷水機組基本相同.在各極限運行工況下，冷水機組能夠穩定運行，不會出現報警停機現象.

然而當熱回收器工作時，常用系統設計方法存在應用問題，具體體現在以下兩個方面.

a.機組在熱回收器換熱能力強的工況運行時，過冷度較小，易產生可靠性風險.

圖1 常用設計方案系統Fig.1 Common design solution system

制冷系統中冷凝液的過冷度主要有兩種作用:一是降低節流裝置后形成的閃發氣體量，這樣進入蒸發器的較多液態冷媒會改善換熱，提高系統的性能；二是確保節流裝置前不會形成氣體，避免氣蝕對膨脹閥等節流裝置產生危害，并保證制冷劑流量的穩定.

表1是一臺風冷冷水機組使用熱回收器前后的測試數據對比，數據顯示，使用熱回收器后冷凝溫度降低了2.9℃，但是過冷度卻減少了3℃.制冷系統冷凝壓力的降低依賴于冷凝段換熱能力的增強，而冷凝器出口冷媒過冷度的增加依賴于冷凝器中過冷段換熱能力的增強.使用熱回收器后過冷度減少的原因在于:一方面，冷凝溫度的降低使冷凝器中冷媒與環境溫度的換熱溫差減小，單位面積的換熱能力降低；另一方面，熱回收器內部及其后方的一段空間積累的液態冷媒會使冷凝器中的過冷段面積減少，總的過冷段換熱能力降低.

實際應用中，風冷冷凝器換熱管的總內容積比液態冷媒的容積大很多，順著冷媒的流動方向，液態冷媒在換熱管內逐漸增多，當換熱管內充滿液態冷媒時，即代表冷凝過程的結束和過冷過程的開始.冷凝器出口如果仍然沒有充滿液態冷媒，則代表不存在過冷度，這樣長時間運行將對節流裝置產生氣蝕，機組運行存在可靠性風險.

表1 使用熱回收器前后測試數據對比Tab.1 Test data comparison for heat recoverer used and not used

b.無法滿足熱回收量和熱回收出水溫度都高的需求.

基于國家能效標準的要求，風冷冷水機組的設計趨向于更低的冷凝溫度，故排氣壓力和排氣溫度較低.熱回收器開啟后，進一步增加了冷凝效果，降低了冷凝溫度，排氣溫度下降.若保證熱回收出水溫度不變，換熱溫差下降，熱回收冷水機組的熱回收量就會較低；相反，若保證熱回收量不變，則必須降低熱回收出水溫度.在熱回收進水溫度低且熱負荷需求比較大的情況下，需要同時保證出水溫度和熱回收量，原設計方案往往不能滿足客戶的需求.

2 冷媒控制策略的原理及控制系統

冷凝器作為制冷系統的重要部件，其傳熱性能的優劣對系統的性能有較大影響.當系統運行工況或冷媒充注量發生改變時，冷凝器的換熱量、出口冷媒的狀態都將發生變化[10].

制冷系統中通常使用增加冷媒充注量或在冷凝器出口增加小容積過冷器的方法來增加過冷度，使用固定容積的儲液器來平衡不同工況下系統所需冷媒量的差異.這些方案的思路是使系統部件在不同工況下去適應固定的冷媒充注量.筆者認為，使冷媒充注量準確變化以適應不同工況的需求，能夠更加有利于機組可靠運行.

2.1 冷媒控制策略的原理

冷媒控制策略是在系統中增加冷媒充注量，并增加可自動調節系統冷媒量的儲液裝置，通過控制儲液器內部的冷媒量，對系統中的冷媒量進行調節，從而控制冷凝器中過冷段的面積.具體原理如下:

a.將高壓側氣態冷媒引入充滿液態冷媒的密閉儲液器中，通過另一個出口通向冷凝器液管，利用儲液器進出口的壓差使儲液器內的液態冷媒排出.經過循環，增加的冷媒最終會呈液態形式儲存在冷凝器中，增加了過冷區的換熱面積，從而增加過冷度，這樣可以解決機組在熱回收器進出水溫度較低的工況運行時無過冷度的問題.

b.在蒸發器出水溫度趨于穩定的情況下，蒸發器換熱能力不變，節流裝置通過自動調節冷媒流量來控制吸氣過熱度不變，則低壓側的冷媒量基本不變.在熱回收進水溫度低時，向系統中充注冷媒，在系統重新達到平衡后，額外充注的冷媒會呈液態積聚在高壓側容積較大的風冷冷凝器內，這樣減少了冷凝器中冷凝段的換熱面積，將強制提高冷凝溫度，從而提高熱回收出水溫度.

c.為了防止冷凝器內液態冷媒過多、系統排氣壓力過高的情況，在過冷度過大、排氣壓力接近保護設定值時，將系統中的冷媒回收到儲液器中.

2.2 冷媒控制策略

冷媒控制策略系統如圖2所示，排氣管路和冷凝器液管分別經過第一電動截止閥和第二電動截止閥，與冷媒調節裝置(儲液器)相連，排氣管路引至冷媒調節裝置上部，冷凝器液管引至冷媒調節裝置底部.其中虛線框內的裝置是冷媒控制策略的主要執行部件.

圖2 冷媒控制策略系統Fig.2 System of refrigerant control strategy

當檢測到節流裝置前冷媒的過冷度低于設定值或熱回收出水溫度低于設定值時，同時開啟第一電動截止閥和第二電動截止閥，將冷媒儲液器內的部分或全部冷媒排到系統中去，使節流裝置前的過冷度或熱回收出水溫度始終保持在合理的范圍內.當檢測到節流裝置前冷媒過冷度或排氣壓力高于設定值時，關閉第一電動截止閥，開啟第二電動截止閥，將系統中部分液態冷媒排到冷媒儲液器中去.當系統運行參數正常時，同時關閉第一電動截止閥和第二電動截止閥，使冷媒儲液器不參與系統循環.

3 冷媒控制策略的驗證

3.1 測試設備及驗證方案

3.1.1 測試設備

為了驗證本文提出的冷媒控制策略的正確性、實用性及可靠性，使用一臺風冷冷水機組進行改裝，增加熱回收板式換熱器和控制策略相關的部件，設計測試工況進行試驗驗證.

測試臺系統原理如圖3所示，該風冷焓差測試臺利用一臺水冷螺桿鹽水機組作為工況機，其冷凍水一部分通至房間頂部的盤管，用于冷卻從風冷熱回收機組頂部吹出的熱風，使其達到工況要求的溫度后從房間兩側送回；另一部分與鹽水機組的冷卻水在水箱里混合，達到要求的回水溫度后，供給風冷機組的蒸發器.熱回收器的熱水則通過冷卻塔冷卻來達到要求的進水溫度.其中，T1，T2分別為蒸發器進水、出水溫度；T′1，T′2分別為熱回收器進水、出水溫度；T3，T4分別為盤管進水、出水溫度；T5，T6分別為工況機冷凍水進水、出水溫度；V1，V2，V3分別為蒸發器、冷卻塔和水箱的水溫控制閥.

測試樣機的制冷劑使用R410A，壓縮機為美國谷輪渦旋壓縮機，其型號為ZP385KCE-TWD，排量為60.79 m3/h，設計名義工況制冷量88.7 kW，輸入功率24.5 kW，共3臺.熱力膨脹閥選用丹佛斯生產的型號為TRE80-100L的外平衡式熱力膨脹閥，風冷冷凝器采用翅片管式換熱器，配4臺永安品牌風機，蒸發器采用阿法拉伐ACH502型板式換熱器，熱回收器選用舒瑞普B60型板式換熱器.

根據實驗目的及需要關注的對象，在機組管路中安裝相應測點.測試臺位安裝干濕球采樣器、功率計.機組安裝壓力、溫度檢測點:分別在壓縮機吸氣、排氣口，熱回收器進、出口，膨脹閥進、出口，蒸發器進、出口處布置壓力、溫度傳感器；分別在冷凍水和熱水進、出口處布置鉑電阻溫度傳感器和流量計等.

水流量計的精度高于±0.1%RDG(實際流量測量值的±1%)；冷凍水和冷卻水進、出口溫度測量采用四線制PT100鉑電阻溫度計(RTD)，精度±0.1%，其它溫度測量用測量溫度允差±0.5℃；數字功率計用于測量電流、電壓、功率因數、功率，精度±0.2%；電流互感器用于電流的測量，精度±0.2%.

測試軟件可監控并顯示機組的各種參數，包括溫度、壓力、換熱量、功率和電流等，每個參數會有一個允許的偏差范圍，所有參數都保持在偏差范圍內，則視為工況穩定.

圖3 測試臺系統原理圖Fig.3 Principle diagram of test lab system

3.1.2 驗證方案

為了對控制系統的實用性和可靠性進行驗證，設計以下3種測試工況.

a.常規工況:在環境溫度分別為30，35，40和45℃，蒸發器進水溫度12℃、出水溫度7℃，熱回收器進出水溫差5℃、出水溫度分別為50℃和60℃的多個組合情況下，運行機組并分析冷媒控制策略的可行性.

b.低熱回收進水溫度工況(環境溫度25℃，熱回收器進水溫度30℃):與優化前數據對比，用來驗證冷媒控制策略是否可以將儲液器中的液態冷媒自動補充到系統內，提高冷凝溫度，增加過冷度，起到使機組穩定運行以及提升熱回收效率的作用.

c.制冷最大負荷工況(環境溫度46℃，蒸發器進水溫度20℃、出水溫度15℃，熱回收器不工作):用來驗證機組在允許運行的極限工況下，是否可以通過控制邏輯將多余的液態冷媒轉移到儲液器中，防止排氣壓力過高，使機組穩定運行.

3.2 測試結果分析

3.2.1 常規工況下測試分析

吸排氣壓力隨環境和熱水溫度變化的關系如圖4所示.可以看出，由于蒸發器進出水溫度不變，吸氣壓力基本保持不變；而隨著環境溫度的升高，冷凝器的冷卻效果下降，排氣壓力相應升高；當提高熱回收進水溫度使熱回收出水溫度上升，則縮小了出水溫度與排氣溫度間的換熱溫差，冷卻換熱效果下降，排氣壓力相應上升.

圖4 吸排氣壓力曲線Fig.4 Suction and discharge pressure curves

制冷量和熱回收量隨環境和熱水溫度變化的關系如圖5所示(見下頁).可以看出，保持熱回收出水溫度不變的情況下，隨著環境溫度的上升，制冷量逐漸下降；但環境溫度上升后，機組排氣溫度上升，熱回收出水溫度與排氣溫度之間的換熱溫差增大，熱回收量逐漸上升.在環境溫度為40℃和45℃時，制冷量基本沒有變化，這是因為此時冷凝器換熱能力已比較小，熱回收器承擔了主要的冷卻換熱，所以總的冷卻換熱能力基本不變.

性能系數隨環境和熱水溫度變化的關系如圖6所示(見下頁).可以看出，熱回收器出水溫度的差異并未對能效比COP產生明顯的影響，僅在環境溫度較高時，由于水溫降低帶來的排氣壓力下降，使壓縮

圖5 制冷量和熱回收量曲線Fig.5 Cooling and heat recovery capacity curves

圖6 能效比曲線Fig.6 Coefficient of performance curves

機功率降低，從而提高了COP.以上測試結果顯示，吸排氣壓力、制冷量、熱回收量與COP隨環境溫度和熱水溫度的變化呈線性規律分布.這表示常規工況下，機組運行狀態主要受換熱的影響，沒有出現由于冷媒控制策略原理錯誤或誤動作產生的異常.所以冷媒控制策略在常規工況下應用正常.

3.2.2 低熱回收進水溫度工況的測試對比

工況參數為環境溫度25℃、蒸發器出水溫度7℃、熱回收器進水溫度30℃，保持蒸發器和熱回收器的標準水流量，機組滿載運行.

冷媒控制策略應用前后的測試數據對比如表2所示.試驗結果表明:在冷媒控制策略應用前機組無過冷度，應用后由于系統中增加冷媒量，冷凝器過冷段換熱面積增加，過冷度增大；冷凝段換熱面積減少，從而使冷凝溫度上升，排氣溫度與熱回收器進水溫度之間的溫差增加，熱回收率上升；進水溫度與流量不變的情況下，熱水出水溫度也有明顯上升.從表2數據對比中可以看出，在控制系統使膨脹閥前過冷度由0.2℃提升到3.1℃，可以滿足機組穩定運行要求；熱回收率(回收熱量占總冷凝熱的百分比)從16.34%提高到19.48%，熱回收器出水溫度提高約2.5℃，熱回收效果提升明顯.

以上結果表明，冷媒控制策略在此工況下能夠起到明顯的系統優化作用.

表2 測試數據對比Tab.2 Test data comparison

3.2.3 制冷最大負荷工況的系統自動調節情況

工況參數均為環境溫度46℃、蒸發器進水溫度20℃、出水溫度15℃，機組滿載運行，熱回收器不通水.

測試機組設置排氣壓力對應的飽和溫度達到60℃時，控制系統發出回收冷媒動作指令，控制系統應保證系統能夠始終運行在排氣壓力設定值以下.

從排氣壓力數據曲線中可以發現，控制系統動作前，排氣壓力達3.75 MPa(R410A相對飽和溫度為60.0℃)；控制系統動作后，排氣壓力降至3.7 MPa(相對飽和溫度為59.2℃).

冷媒優化策略應用后，儲液器內的冷媒液位上升，從儲液器外壁的視鏡中(圖7)可以看出，系統中液態冷媒的遷移情況.在制冷最大負荷工況下，系統中的液態冷媒被轉移至儲液器內，從而使冷凝器內不會有過多液態冷媒積累而影響換熱效率，最終使冷凝壓力降低.測試表明，冷媒控制系統可以在排氣壓力過高時，通過控制邏輯將冷凝器中多余的液態冷媒轉移到儲液器中，降低排氣壓力，使機組穩定運行，滿足設計要求.

圖7 視鏡內冷媒液位變化Fig.7 Refrigerant liquid level change in sightglass

4 結 論

針對前置串聯式風冷熱回收機組主要問題，提出了一種冷媒控制策略，詳細闡述了該控制策略的原理及控制方法，并在試驗臺對使用該控制策略的空調機組進行驗證.主要結論如下:

a.本文所提出的冷媒控制策略的原理是使冷媒充注量準確變化以適應不同工況的需求，實現方案是在系統中增加冷媒充注量，并增加可通過控制邏輯調節系統冷媒量的儲液裝置，通過控制冷凝器中過冷段的面積來控制冷凝溫度和過冷度，從而對系統運行情況進行改善.

b.設計3種測試工況，在試驗臺對該控制方法進行測試.在常規工況下，機組運行穩定；在低熱回收進水溫度制冷工況下，機組的過冷度由0.2℃提升到3.1℃，冷凝熱的回收率從16.34%提高到19.48%，熱回收出水溫度升高約2.5℃；在制冷最大負荷工況排氣壓力過高時，機組可以自動回收系統中多余的冷媒，避免機組報警.試驗結果證明，該冷媒控制策略在提高前置串聯式風冷熱回收機組的熱回收換熱效果及保證冷凝液過冷度方面有明顯作用，具備實用性.

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(編輯:董 偉)

Ref rigerant Control Strategy of Prepositive Tandem Air-Cooled Heat Recovery Chiller

LUHailong1，2， CUI Xiaoyu1
(1.School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2.Johnson Control Building Efficiency Technology(Wuxi)Co.Ltd.，Wuxi 214028，China)

The main risks of prepositive tandem air-cooled heat recovery system were adequately analyzed，and a refrigerant control strategy applied in this type of unit was raised to resolve these risks.The test data prove that the operation situation of an air-cooled heat recovery chiller unit is stable in normal conditions，and can be significantly improved in condition that the inlet hot water temperature is 30℃:the sub-cooling is increased from 0.2℃to 3.1℃；the heat recovery rate of the unit condensing heat is increased from 16.34%to 19.48%，and the heat recovery leaving water temperature is increased by 2.5℃.When the discharge pressure of the compressor is too high，the control system can recycle the redundant refrigerant in system to ensure the unit’s stable operation according to the control logic.By using the refrigerant control strategy proposed，the root problems of prepositive tandem air-cooled heat recovery system can be solved.

prepositive tandem；air-cooled；heat recovery；refrigerant；control strategy

TB 651

A

2013-12-16

國家自然科學基金資助項目(51076104)；上海市自然科學基金資助項目(14ZR1429100)

陸海龍(1982-)，男，碩士研究生.研究方向:制冷過程與節能.E-mail:long-0422194@sohu.com

崔曉鈺(1967-)，女，教授.研究方向:工程熱物理、制冷與空調技術等.E-mail:xiaoyu_cui@usst.edu.cn