R410A直流變頻列間空調(diào)系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)性能分析及試驗(yàn)研究

王冰霜 張?jiān)凭?宋俊峰 向 文

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R410A直流變頻列間空調(diào)系統(tǒng)變流量調(diào)節(jié)性能分析及試驗(yàn)研究

王冰霜 張?jiān)凭?宋俊峰 向 文

（四川依米康環(huán)境科技股份有限公司 成都 610041）

通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)房微模塊中的變頻列間空調(diào)在對(duì)環(huán)保型制冷劑替代R22對(duì)比應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明及實(shí)驗(yàn)分析壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開(kāi)度、EC風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)、室內(nèi)外環(huán)境變化等對(duì)變頻空調(diào)系統(tǒng)性能影響，有助于后期優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)及控制邏輯，以達(dá)到最佳節(jié)能環(huán)保的效果。

R410A；直流變頻空調(diào)系統(tǒng)；電子膨脹閥；EC風(fēng)機(jī)

0 引言

隨著制冷劑向HFC轉(zhuǎn)變的逐步推進(jìn)及數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)、數(shù)據(jù)中心容量的不斷擴(kuò)大、以及高密度計(jì)算設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)中心在環(huán)保及能耗方面正面臨著巨大的壓力。

一方面，在R22替代方面，有研究表明，R22的代替冷媒有R407C（HFC32、HFC125、HFC134）和R410A（HFC32、HFC125）。R407C冷媒為三種非共沸點(diǎn)混合冷媒，其熱力學(xué)性質(zhì)與單一冷媒相比在蒸發(fā)冷凝時(shí)有6℃左右的溫度梯度，熱交換器設(shè)計(jì)困難，且成分組成比不同，為維修帶來(lái)困難。壓力雖與R22相同，但系統(tǒng)性能降低。相比之下，R410A冷媒雖然也是兩種冷媒混合，但有單一冷媒的近似共沸點(diǎn)，使用方便，比R407C性能好，破壞臭氧潛能值（ODP）幾乎為零，全球變暖系數(shù)（GWP）極小，是目前為止國(guó)際公認(rèn)的用來(lái)替代R22最合適的冷媒[1,2]，并在歐美、日本等國(guó)家得到普及，使用R410A制冷劑的空調(diào)機(jī)組也更有利于開(kāi)拓海外市場(chǎng)。

另一方面，數(shù)據(jù)中心能耗方面，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)能耗非常高，其占數(shù)據(jù)中心總能耗的30～45%[3]，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心PUE值（數(shù)據(jù)中心總能耗/IT設(shè)備能耗）居高不下，增加了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)數(shù)據(jù)中心熱流密度的影響，將機(jī)房冷熱通道隔離，采用列間空調(diào)，與服務(wù)器即時(shí)散熱量相匹配，可有效減少冷量的損失，將冷氣流直接用于冷卻服務(wù)器，再利用直流變頻技術(shù)、電子膨脹閥和EC風(fēng)機(jī)等綜合控制，理論和試驗(yàn)證明，直流變頻壓縮機(jī)效率比交流變頻壓縮機(jī)高10%～30%，噪音低5～10dB(A)，不僅使空調(diào)器在各種工況下實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)性，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，又大大加快空調(diào)器機(jī)電一體化的進(jìn)程[4-7]。

國(guó)內(nèi)清華大學(xué)的石文星、邵雙全等人對(duì)變頻空調(diào)系統(tǒng)的仿真、控制等作了比較詳細(xì)的研究工作，對(duì)室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)的擾動(dòng)與調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了模擬分析[8]，給出了室內(nèi)外機(jī)的聯(lián)合調(diào)節(jié)特性，進(jìn)而提出了自制協(xié)調(diào)控制思想[9]。本文以開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)冷型R410A直流變頻列間空調(diào)的應(yīng)用及試驗(yàn)，分析其在制冷模式下不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開(kāi)度、EC風(fēng)機(jī)調(diào)速等綜合控制對(duì)制冷量、能效比等的影響，得出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與電子膨脹閥開(kāi)度、EC風(fēng)機(jī)調(diào)速等的控制調(diào)節(jié)規(guī)律，以便優(yōu)化控制邏輯，實(shí)現(xiàn)更佳的節(jié)能環(huán)保的效果。

1 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)機(jī)組為風(fēng)冷式直流變頻列間空調(diào)，制冷運(yùn)行模式，使用的制冷劑為R410A，壓縮機(jī)為Danfoss VZH088，節(jié)流機(jī)構(gòu)為電子膨脹閥Emerson EX5，蒸發(fā)器為親水鋁箔的管翅式換熱器，換熱面積78.6m2，室內(nèi)風(fēng)機(jī)采用EC風(fēng)機(jī)，冷凝器為非親水鋁箔的管翅式換熱器，換熱面積142.2m2，冷卻風(fēng)機(jī)采用軸流風(fēng)機(jī)。

1.2 測(cè)試方法

在焓差測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試條件為：

室內(nèi)工況：干球溫度37℃；濕球溫度21℃

室外工況：干球溫度35℃

試驗(yàn)主要針對(duì)R410A直流變速列間空調(diào)系統(tǒng)首先在以上測(cè)試條件下進(jìn)行制冷模式測(cè)試，系統(tǒng)原理圖如圖1所示，分別設(shè)定壓縮機(jī)在1500-5700rps轉(zhuǎn)速上連續(xù)，同時(shí)從小到大調(diào)節(jié)膨脹閥開(kāi)度、EC風(fēng)機(jī)電壓在4V～10V間不斷變化，采樣蒸發(fā)溫度、吸氣溫度、排氣溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、油槽溫度、膨脹閥進(jìn)液溫度等，根據(jù)調(diào)試情況，在每種狀態(tài)平衡到穩(wěn)定后再連續(xù)運(yùn)行20分鐘左右，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，如制冷量（包括總冷量、顯熱量、潛熱量）、功率、風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、吸氣溫度、排氣溫度、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、能效比（EER）、顯熱比，并計(jì)算出相應(yīng)的過(guò)冷度、吸氣過(guò)熱度等數(shù)據(jù)。其次，在保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥開(kāi)度一定的情況下，再根據(jù)室內(nèi)外負(fù)荷變化，進(jìn)行試驗(yàn)，記錄制冷量、功率、能效比（EER）等數(shù)據(jù)。圖2為依米康實(shí)驗(yàn)室及檢測(cè)設(shè)備，圖3為待測(cè)設(shè)備（室內(nèi)機(jī)內(nèi)部圖示、室外機(jī)）。

MC：壓縮機(jī)；CO：冷凝器；RL：儲(chǔ)液罐；LF：干燥過(guò)濾器；LS：視液鏡；VT：電子膨脹閥；VP：蒸發(fā)器；EV：風(fēng)機(jī)；ST：溫度探頭；SPH：高壓開(kāi)關(guān)；SPL：低壓開(kāi)關(guān)；SP：壓力傳感器

（a）室內(nèi)機(jī)

（b）室外機(jī)

圖3 測(cè)試機(jī)組（內(nèi)機(jī)、外機(jī)）

Fig.3 The tested units (Indoor unit、Outdoor unit）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

理論上，變流量空調(diào)系統(tǒng)的性能不僅與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)、而且與電子膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)外風(fēng)機(jī)風(fēng)量和室內(nèi)外環(huán)境工況等有密切關(guān)系，不僅要保證不同負(fù)荷情況下的制冷量要求，以及較高的能效比，還必須注意空調(diào)系統(tǒng)在壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速等極限運(yùn)行狀態(tài)下回油正常、高低壓報(bào)警等情況，在這些影響因素中，有主次、強(qiáng)弱之分，需通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)出一定規(guī)律，保證機(jī)組運(yùn)行更高效、更可靠。

2.1 EC風(fēng)機(jī)風(fēng)量與其調(diào)節(jié)電壓的關(guān)系

測(cè)試機(jī)組室內(nèi)風(fēng)機(jī)采用的是EC風(fēng)機(jī)，其EC電機(jī)為內(nèi)置智能控制模塊的直流無(wú)刷式免維護(hù)型電機(jī)，0-10V電壓調(diào)節(jié)，該產(chǎn)品具有高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、振動(dòng)小、噪聲低及可連續(xù)不間斷工作等特點(diǎn)。圖4為風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)電壓與風(fēng)量的關(guān)系，隨著控制電壓升高，風(fēng)量增加，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電壓近似線性關(guān)系。

圖4 風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)電壓與風(fēng)量的關(guān)系

2.2 壓縮機(jī)速度變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

對(duì)于所測(cè)試的R410A單冷型直流變頻列間空調(diào)，在上述測(cè)試條件和電子膨脹閥開(kāi)度一定的情況下，測(cè)試結(jié)果如圖5所示（注：為了分析方便，在圖5中將空調(diào)系統(tǒng)的性能和參數(shù)表示在同一圖中，其中風(fēng)機(jī)電壓放大了10倍、顯熱比（顯熱量與總冷量之比）放大了100倍）。

（1）為保證機(jī)房空調(diào)需滿足一定的顯熱比（SHR≥0.95）要求下，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速增大時(shí)，并不斷增大EC風(fēng)機(jī)電壓，當(dāng)電壓達(dá)到10V后，風(fēng)機(jī)電壓不能再增加，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；

（2）當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速增大時(shí)，制冷循環(huán)的冷凝溫度明顯上升，蒸發(fā)溫度有所下降，壓縮比增大，使功耗增大；蒸發(fā)溫度下降，導(dǎo)致吸氣比容增大；

（3）隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，冷凝壓力逐漸上升，從23.27MPa到31.4MPa，蒸發(fā)壓力在10.88-10.58MPa之間，均明顯高于R22制冷劑循環(huán)的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力，相應(yīng)設(shè)備的耐壓要求高于R22的制冷系統(tǒng)；

（4）但由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高對(duì)制冷劑循環(huán)量的影響大于由壓縮比造成的負(fù)面影響，所以空調(diào)系統(tǒng)的制冷量、EC風(fēng)機(jī)電壓、冷凝負(fù)荷和功率都顯著提高，其中功率增加的比率小于制冷量的變化，能效比（EER）將隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高先迅速上升，在轉(zhuǎn)速為1800～2100rps達(dá)到最大值，然后緩慢下降。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增加，過(guò)熱度由大變小，特別當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到3900rps后趨于穩(wěn)定，但EER逐漸降低，所以單一的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增大雖然能滿足負(fù)荷變化要求，但經(jīng)濟(jì)性方面卻不利。

圖5 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

2.3 電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

室外環(huán)境干球溫度為35℃，室內(nèi)環(huán)境干球溫度和濕球溫度分別為37℃、21℃，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定的情況下，圖6和圖7顯示了隨著電子膨脹閥開(kāi)度增大的情況下，制冷系統(tǒng)性能及狀態(tài)參數(shù)的變化趨勢(shì)。在變頻空調(diào)中，壓縮機(jī)在固定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，隨著電子膨脹閥開(kāi)度的增大，制冷量、冷凝負(fù)荷、蒸發(fā)溫度、過(guò)熱度和EER等先增加，然后再減小，呈近似拋物線變化趨勢(shì)；不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最佳膨脹閥開(kāi)度也不同。表明在室內(nèi)外環(huán)境恒定，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，電子膨脹閥有一個(gè)最佳開(kāi)度使制冷量和EER達(dá)到最高。

圖6 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在3900rps時(shí)電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)性能的影響

圖7 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在4500rps時(shí)電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)性能的影響

2.4 室內(nèi)負(fù)荷對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

從圖8可以看出，當(dāng)其它因素固定不變時(shí)。

（1）室內(nèi)環(huán)境的濕球溫度升高使得制冷循環(huán)的冷凝溫度上升緩慢，但蒸發(fā)溫度上升明顯；

（2）一方面，由于其壓縮比和吸氣比容逐漸減小，制冷劑質(zhì)量流量逐漸上升，制冷劑流量增加與單位質(zhì)量壓縮功減小程度基本一致，故空調(diào)系統(tǒng)的耗功量基本不變；

（3）冷凝溫度變化平緩，冷凝負(fù)荷有所增加；

（4）另一方面，蒸發(fā)溫度提高使得單位制冷量增加；

（5）綜合整個(gè)系統(tǒng)變化效果，制冷量和能效比均有一定程度提高。

圖8 室內(nèi)環(huán)境變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

2.5 室外環(huán)境溫度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

在其它條件不變的情況下，如圖9所示，當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)冷凝器工作環(huán)境的溫度逐漸升高時(shí)。

（1）制冷循環(huán)的蒸發(fā)溫度變化不大，略有上升，冷凝溫度上升迅速，冷凝換熱量減少，故壓縮比上升幅度較大，壓縮機(jī)容積效率降低；

（2）蒸發(fā)溫度的微小上升造成吸氣比容有所降低；

（3）其綜合效果使得制冷劑質(zhì)量流量無(wú)較大程度的改變；

（4）由于冷凝溫度上升，單位質(zhì)量流量制冷耗功有較大程度提高，故空調(diào)系統(tǒng)耗功增加；

（5）制冷劑在冷凝出口的焓值增大，單位制冷量減小，使得空調(diào)系統(tǒng)的制冷量降低，能效比（EER）大幅度下降。

圖9 室外環(huán)境變化對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

3 結(jié)論

在變頻空調(diào)系統(tǒng)影響因素中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開(kāi)度、EC風(fēng)機(jī)速度變化、室內(nèi)外熱濕環(huán)境等，都直接影響空調(diào)系統(tǒng)的性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論：

（1）不同制冷劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制參數(shù)設(shè)定宜根據(jù)制冷劑的物性進(jìn)行合理考慮；

（2）變頻空調(diào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)性能受多種因素影響（如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)外環(huán)境變化等），其中，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高使制冷量大幅度增大，但也帶來(lái)一系列如壓比增大、EER下降、輸氣系數(shù)下降，換熱器利用效率降低等一系列問(wèn)題，單一的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增大雖然能滿足負(fù)荷變化要求，但從經(jīng)濟(jì)性方面考慮不利；

（3）變頻空調(diào)在壓縮機(jī)一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)影響較為復(fù)雜，閥開(kāi)度過(guò)大、過(guò)小都使性能下降，需要進(jìn)行最佳匹配；

（4）為了使室溫迅速而平穩(wěn)的接近設(shè)定值、保持穩(wěn)定和提高經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開(kāi)度、室內(nèi)風(fēng)機(jī)調(diào)速等三者合理地控制匹配，這樣才能保證系統(tǒng)與環(huán)境的適應(yīng)性及系統(tǒng)自身各要素之間的適應(yīng)性。

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Performance Analysis and Experimental Study for R410A-refrigerant Flux Adjusting in DC Inverter-aided Air Conditioning System

Wang Bingshuang Zhang Yunjuan Song Junfeng Xiang Wen

( Sichuan Yi Mi Kang Environmental Technology Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

In this paper, the introduction about the non-ozone depletion ternary mixture R410A is chosen as the drop-in alternative to R22 in a DC frequency conversion InRow Direct Expansion Air Conditioner, and system performance is investigated by experiments at different compressor frequency, electronic expansion valve opening, EC fan speed, indoor and outdoor environmental conditions, etc. The results are useful for optimizing the design and controlling logic in order to achieve environmental protection and energy saving effect.

R410A; DC variable frequency air-conditioning system; Electronic expensive valve; EC fan

1671-6612（2017）02-194-05

TB652/TB61+2

A

2015-11-23

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：王冰霜（1977.12-），女，工程師，研究生，E-mail：wangbs@sunrisegroup.com.cn