變頻多聯式空調系統再熱除濕性能的實驗研究

劉 敏 王遠鵬 石靖峰 林文濤

(青島海信日立空調系統有限公司開發中心 青島 266510)

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變頻多聯式空調系統再熱除濕性能的實驗研究

劉 敏 王遠鵬 石靖峰 林文濤

(青島海信日立空調系統有限公司開發中心 青島 266510)

本文設計并搭建了再熱除濕多聯式變制冷劑流率(VRF)的實驗系統，對6種工況下VRF系統的除濕量進行了實驗考察，并對再熱電子膨脹閥(EVW)開度和再熱器換熱面積對室內機出風溫度的影響進行了詳細的實驗研究。實驗結果表明：VRF系統應用并聯式再熱器能有效提升除濕量，室內機1#和2#的再熱除濕量分別增加了11.7%～40.4%和10.5%～28.9%。EVW開度存在最優值，使得再熱提升溫差取得最大值，最優EVW開度隨著室溫Ti的降低而增加。為了實現等溫除濕，室內機1#和2#所需的EVW開度分別為9.6%～9.9%和6.5%～7.0%。為了實現升溫除濕，所需的EVW開度隨室溫Ti的降低和再熱器面積的降低而增加。

變制冷劑流率系統；空氣調節系統；電子膨脹閥；制冷性能實驗；除濕

空調系統為了實現夏季除濕，需將送風溫度降至空氣露點以下[1-3]。在過渡季節或梅雨季節，降溫除濕的方式容易導致室內機出風溫度過低，使房間熱舒適特性較差且系統能效特性較低。家用空調通過再熱除濕的方式，利用冷凝器排熱提升降溫除濕后空氣的溫度，以避免“冷吹風感”[4-6]。對于大容量應用場合，應用變頻多聯式空調系統(VRF系統)取代多個單元式空調器，可獲得較高的系統能效特性并保證不同房間的靈活控制[7-11]。家用空調可以通過停止或降低室外側風扇的轉動、將室外電子膨脹閥全開并利用除濕電磁閥節流，將冷凝熱轉移到室內機的再熱器中。該方式無法在VRF系統中實現，主要是因為多聯式VRF系統某個房間進行再熱除濕時，其它房間有可能需要進行制冷運行，因此其室外側風扇需保持運轉。劉敏[12]設計了三管制全熱處理的VRF系統，以實現室內新風換氣和溫、濕度獨立控制。但該技術方案需要對現有換熱器的翅片進行吸濕材料涂層處理，對現有工藝及材料的改動較大，且室內機設計復雜。因此，劉敏等[13]基于現有主流的多聯式VRF系統技術方案，進一步設計了多功能熱回收的VRF系統，保證系統中任意室內機可獨立運行制冷、制熱或再熱除濕三種工況，最大程度發揮多聯式VRF系統的技術優勢。

多聯式VRF系統結構復雜、系統龐大、內部參數高度耦合、邊界條件多樣，目前國內外知名的變頻多聯機廠家出于商業保密，很少報道VRF系統再熱除濕相關的研究結果，有關技術方案請參考文獻[12-16]。本文基于文獻[13]的技術方案，搭建了相應實驗系統，對機組的再熱除濕性能進行實驗研究，并詳細考察了再熱電子膨脹閥EVW開度和再熱器換熱面積對出風溫度的影響。

1 實驗系統

本文實驗系統原理如圖1所示。室外機基于型號為RAS-160FXPNQ的海信日立公司的VRF機組改造而來，主要由變頻壓縮機、油分離器、單向閥、四通閥、室外換熱器、室外側電子膨脹閥EVO、氣液分離器、回油毛細管、回油電磁閥、電磁閥A和電磁閥B構成。壓縮機采用日立的E500HHD-36A2渦旋壓縮機；EVO采用型號為CAM-50YGHS-1的不二工機電子膨脹閥，閥口徑為φ2.4 mm；電磁閥A和電磁閥B型號均為VPV-1204DQ50的鷺宮電磁閥，閥口徑為φ11 mm；回油電磁閥是型號為SR10D-87的日電工業電磁閥；回油毛細管外徑、壁厚及長度分別為φ2.5 mm、0.55 mm及2320 mm。室內機1#和室內機2#均由蒸發器、再熱器、室內側電子膨脹閥EVI和電子膨脹閥EVW構成。EVI-A、EVI-B、EVW-A及EVW-B均采用型號為CAM-50YGHS-1的不二工機電子膨脹閥，閥口徑均為φ2.4 mm。室外換熱器、蒸發器A、再熱器A、蒸發器B和再熱器B的結構參數如表1所示，換熱器的銅管外徑及壁厚分別為φ7.0 mm及0.31 mm。

圖1 再熱除濕VRF系統的循環示意圖Fig.1 System diagram for reheat dehumidification VRF system

幾何參數室外換熱器蒸發器A再熱器A蒸發器B再熱器B長/mm1011.0737.0650.0737.0650.0高/mm1340.0180.080.0180.0120.0排數22121U型銅管根數667273翅片寬度/mm17.3217.3217.3217.3217.32翅片間距/mm1.91.81.81.81.8換熱面積/m246.34.80.84.81.1

系統的6種運行模式下各部件的詳細控制方法可參見文獻[13]。本文以室內機1#及2#均進行再熱除濕運行為例進行簡要介紹。該模式下，室外機進行制冷運轉，室外換熱器作為冷凝器；電磁閥A打開，電磁閥B關閉；EVW-A及EVW-B均全開，使再熱器A及再熱器B均作為冷凝器；EVI-A及EVI-B均節流降壓，使換熱器A及換熱器B均作為蒸發器。當電磁閥A及電磁閥B均關閉且電子膨脹閥EVW全閉時，此時室內機進行普通的降溫除濕模式運行，室內機中再熱器不起作用，僅蒸發器進行降溫除濕。

2 數據采集系統

本文多聯式VRF系統的實驗數據由標準焓差實驗室測得。使用的焓差實驗室符合以下國家標準：GB/T 18837—2002、GB/T 7725—2004、GB/T 17758—1999、GB/T 18836—2002、GB/T 19232—2003及GB/T 19413—2003。焓差實驗室的主要傳感器測量精度如下：T型熱電偶精度為±0.5 ℃；鉑電阻熱電偶精度為±0.1 ℃；壓力傳感器精度為±0.5%FS；頻率計精度為±1%；功率計精度為±0.2% FS。在空氣溫度均勻性方面，實驗室要求穩定時室內側被測機回風口溫度偏差小于0.5 ℃，室外側被測機回風口溫度偏差小于1 ℃。實驗精度方面，保證三次獨立安裝后測試結果的平均值與標準樣機三次測試結果平均值的偏差在-2%～2%以內。實驗數據的采集周期為10 s。

室內機的除濕量可結合進出風含濕量和風量計算得到，也可以通過稱量室內機排除的冷凝水實測得到。焓差實驗室長期測試結果顯示，實測所得除濕量比計算數據更為準確。因此，本文以機組穩定運行60 min時實際稱量的除濕量作為采集數據，稱重器具的精度為±0.005 kg。

3 實驗結果及分析

本文對6種工況下機組的除濕量進行了實驗考察，結果如表2所示。從表2可以看出，室內相對濕度RH恒定情況下，室內機1#及2#的除濕量隨室內回風干球溫度Ti的降低而降低。例如，當室外干球溫度Ta=35 ℃且室內RH=95%時，Ti從18 ℃降低到12 ℃，室內機1#的降溫除濕量從1.33 kg/h減少為1.03 kg/h。主要是因為Ti的降低會減小空氣含濕量，從而削弱機組的除濕能力。

從表2還可以看出，對于室內機1#和2#，相同工況下再熱除濕量均大于降溫除濕量，主要原因：與普通降溫除濕模式相比，再熱除濕模式下室外冷凝器的制冷劑流率小，使室外冷凝器出口的制冷劑過冷度增加；另一方面，與室內側再熱器換熱的空氣是經過室內蒸發器的低溫空氣，比環境溫度低得多，使再熱器中冷凝后的制冷劑過冷度增加。兩方面的因素導致再熱除濕模式下蒸發器入口處制冷劑溫度比普通降溫除濕模式的低，蒸發器移除潛熱的能力更大，增大了室內機的除濕量。相比于降溫除濕量，室內機1#的再熱除濕量增加了11.7%～40.4%，室內機2#的再熱除濕量增加了10.5%～28.9%。

表2 不同工況下實測除濕量

本文主要目的是考察不同工況下EVW開度對室內機出風溫度To的影響，以獲得在過渡季節或梅雨季節運行再熱除濕模式時優化的EVW開度。

圖2～圖4所示為模擬多聯式VRF系統在實際應用場合下(Ta=Ti)，EVW開度對再熱器溫度提升能力的影響。通常情況下，Ti=12～18 ℃低于多聯式VRF系統要求的最小室內回風溫度，該工況出現在過渡季節或梅雨季節。該溫度條件下，室內的熱負荷較小，壓縮機運行頻率較低，以防止室內機出風溫度過低。

圖2所示為Ta=Ti=18 ℃時EVW開度對室內機1#和2#出風溫度的影響。從圖2可以看出，EVW開度對流經蒸發器后的空氣溫度(除濕后再熱前溫度)影響很小。該工況下，經過蒸發器A和蒸發器B后的空氣溫度為10.1～11.5 ℃。再熱器提升To的能力大體隨EVW開度的增加而增加。對于室內機1#，EVW-A開度≤18%時空氣流經再熱器A后溫度提升值由1.6 ℃(EVW-A開度=7%)增加到15.5 ℃(EVW-A開度=18%)；EVW-A開度>18%時，開度進一步增加對再熱器的溫度提升能力影響很小。對于室內機2#，EVW-B開度增加到12%后，進一步增加EVW-B開度同樣對To的提升影響很小，EVW-B開度=12%時再熱提升溫度為14.1 ℃。

圖2 Ta=Ti=18 ℃時EVW開度的影響Fig.2 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=18 ℃

如圖3所示為Ta=Ti=16 ℃時EVW開度對室內機1#和2#出風溫度的影響。從圖3可以看出，EVW-A開度≤20%時，再熱提升溫度隨EVW-A開度的增加而增加。對于室內機2#，EVW-B開度最優值約為15%，且其對應的再熱提升溫度為16.8 ℃，EVW-B開度的進一步增加使得再熱提升溫度變化很小甚至降低。

上述結果主要是因為EVW開度的初步增加會增大再熱器中高壓制冷劑的流率，增加再熱器的冷凝排熱量，從而提高出風溫度。EVW開度的進一步增加使再熱器出口(蒸發器入口)制冷劑呈氣液兩相狀態，一方面再熱器的冷凝排熱幾乎維持恒定，另一方面削弱蒸發器的制冷能力，除濕后再熱前溫度增加(如圖2及圖3中EVW-B=20%時的除濕后再熱前溫度)，最終再熱器提升溫度值幾乎維持恒定甚至降低。

圖3 Ta=Ti=16 ℃時EVW開度的影響Fig.3 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=16 ℃

圖4 Ta=Ti=12 ℃時EVW開度的影響Fig.4 Influence of EVW opening degree for Ta=Ti=12 ℃

圖4所示為Ta=Ti=12 ℃時EVW開度對室內機1#和2#出風溫度的影響。由于實測數據量的限制，該工況下未能獲得兩個室內機的最優EVW開度值。從圖4可以看出，該工況下兩室內機的除濕后再熱前溫度為1～3 ℃，若直接送風會導致較強的“冷吹風感”，熱舒適特性較差；另一方面該情況下室內機容易結霜，導致室內機風量降低，機組出現停機保護。

從圖2～圖4可以看出，Ti由18 ℃降低至12 ℃時，室內機2#的最優EVW-B開度由12%(Ti=18 ℃)增加至約15%(Ti=16 ℃)，再增加至高于15%的開度(Ti=12 ℃)。可見，最優EVW開度隨著Ti的降低而增加。

本文進一步考察了另外3種工況下不同室內機達到特定To所需的EVW開度。如圖5所示為Ta=35 ℃時為了實現等溫除濕(即To=Ti)效果EVW開度隨Ti的變化。從圖5可以看出，所需EVW開度隨Ti的降低而降低，主要是因為Ti降低時室內機制冷能力降低，因此對應所需再熱量也降低。從圖5還可以看出，再熱器A換熱面積約為蒸發器A換熱面積的1/6，再熱器B換熱面積約為蒸發器B換熱面積的1/4，再熱器B的換熱面積高于再熱器A，使得相同工況下室內機2#實現等溫除濕所需制冷劑流率比室內機1#的更小，導致2#所需的EVW-B開度比1#所需的EVW-A開度小。

圖5 Ta=35 ℃時實現等溫除濕所需EVW開度Fig.5 Required EVW opening degree to achieve isothermal dehumidification for Ta=35 ℃

圖6和圖7示所示為多聯式VRF系統為實現升溫除濕(即To>Ti)時兩室內機所需的EVW開度。從圖可知，Ti從18 ℃降低至12 ℃時，室內機1#為了獲得20 ℃及22 ℃的出風溫度，EVW-A開度分別從10.5%增加至15%和從11.8%增加至17%；類似地，室內機2#為了獲得20 ℃及22 ℃的出風溫度，EVW-B開度分別從8.1%增加至13.5%和從9.3%增加至16.5%。主要是因為Ti降低使再熱提升溫度增加，所需要再熱器的冷凝排熱量加大，從而所需的EVW開度增加。

從圖6和圖7還可以看出，為了獲得特定的出風溫度To，給定Ti條件下室內機2#所需的EVW開度比室內機1#的小。主要是因為給定再熱提升溫度時，再熱器換熱面積的增加使所需高溫制冷劑氣體流率降低，進而使得所需EVW開度降低。因此，為實現升溫除濕效果，所需的EVW開度隨Ti的降低和再熱器換熱面積的降低而增加。

圖6 Ta=35 ℃時實現To=20 ℃所需EVW開度Fig.6 Required EVW opening degree to achieve a To of 20 ℃ for Ta=35 ℃

圖7 Ta=35 ℃時實現To=22 ℃所需EVW開度Fig.7 Required EVW opening degree to achieve a To of 22 ℃ for Ta=35 ℃

4 結論

本文基于開發的再熱除濕多聯式VRF方案，搭建了相應VRF實驗系統，對再熱除濕的除濕量進行實驗，并對不同工況下(Ti=12～18 ℃，Ta=Ti或35 ℃)EVW開度及再熱器換熱面積對出風溫度的影響進行了實驗研究。結果表明：

1)VRF系統中并聯式再熱器的應用能提高室內機蒸發器入口的制冷劑過冷度，從而增加室內機的除濕量；室內機1#和2#的再熱除濕量分別增加了11.7%～40.4%和10.5%～28.9%。

2)Ta=Ti時，存在最優EVW開度，使再熱器對空氣的再熱溫度提升取得最大值，過度增加EVW開度會使蒸發器入口處制冷劑呈氣液兩相狀態，從而降低再熱器的溫度提升能力；最優EVW開度隨著Ti的降低而增加。

3)Ta=35 ℃時，為實現等溫除濕效果，所需EVW開度隨Ti的增加和再熱器換熱面積的降低而增加；室內機1#和2#所需的EVW開度分別為9.6%～9.9%和6.5%～7%。

4)Ta=35 ℃時，為實現升溫除濕效果，所需的EVW開度隨Ti的降低和再熱器換熱面積的降低而增加。

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About the corresponding author

Liu Min, male, Ph. D., R&D Centre, Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Systems Co., Ltd., +86 532-80879923, E-mail: mliu1983@mail.xjtu.edu.cn. Research fields: multi-split VRF system, room-temperature magnetic refrigeration.

Experimental Investigation on Reheat Dehumidification Performance of Multi-split Variable Refrigerant Flow Rate Air-conditioning System

Liu Min Wang Yuanpeng Shi Jingfeng Lin Wentao

(R&D Centre, Qingdao Hisense Hitachi Air-conditioning Systems Co., Ltd., Qingdao, 266510, China)

A multi-split variable refrigerant flow rate (VRF) air conditioning system with reheat dehumidification was built in the paper. With the VRF system, the dehumidification amount was experimentally studied under 6 operating conditions. The influences of opening degree of reheat electronic expansion valve (EVW) and reheat heat exchange area on outlet air temperature of indoor unit were experimentally investigated in detail. The experimental results indicated that the employment of parallel reheat heat exchanger increased the dehumidification amount of the VRF system effectively; the dehumidification amounts of indoor unit 1# and 2# increased by 11.7%-40.4% and 10.5%-28.9%, respectively. Optimal EVW opening degree existed for reheat heat exchanger to obtain the maximum reheat temperature difference; the optimal EVW opening degree increased with the decrease of indoor temperatureTi. For purpose of isothermal dehumidification mode, the required EVW opening degrees of indoor unit 1# and 2# were 9.6%-9.9% and 6.5%-7.0%, respectively. For purpose of dehumidification mode withTo>Ti, the required EVW opening degrees increased with the decrease of both indoor temperature and reheat heat exchange area.

variable refrigerant flow rate system; air-conditioning system; electronic expansion valve; refrigeration performance test; dehumidification

0253- 4339(2016) 02- 0101- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.101

2015年3月3日

TU831.3； TU834.9

A

簡介

劉敏，男，博士，青島海信日立空調系統有限公司開發中心，(0532)80879923，E-mail：mliu1983@mail.xjtu.edu.cn。研究方向：變頻多聯機技術，室溫磁制冷技術。