VRV空調系統(tǒng)原理特點

1. VRV 空調系統(tǒng)的定義及控制原理

VRV空調系統(tǒng)是在電力空調系統(tǒng)中，通過控制壓縮機的制冷劑循環(huán)量和進入室內換熱器的制冷劑流量，適時地滿足室內冷熱負荷要求的高效率冷劑空調系統(tǒng)。VRV空調系統(tǒng)需采用變頻壓縮機、多極壓縮機、卸載壓縮機或多臺壓縮機組合來實現壓縮機容量控制；在制冷系統(tǒng)中需設置電子膨脹閥或其它輔助回路，以調節(jié)進入室內機的制冷劑流量；通過控制室內外換熱器的風扇轉速積，調節(jié)換熱器的能力。在變頻調速和電子膨脹閥技術逐漸成熟之后，VRV空調系統(tǒng)普遍采用變頻壓縮機和電子膨脹閥。

空調系統(tǒng)在環(huán)境溫度、室內負荷不斷變化的條件下工作，而且系統(tǒng)各部件之間、系統(tǒng)環(huán)境與環(huán)境之間相互影響，因此VRV空調系統(tǒng)的狀態(tài)不斷變化，需通過其控制系統(tǒng)適時地調節(jié)空調系統(tǒng)的容量，消除其影響，是一種柔性調節(jié)系統(tǒng)。其工作原理是：由控制系統(tǒng)采集室內舒適性參數、室外環(huán)境參數和表征制冷系統(tǒng)運行狀況的狀態(tài)參數，根據系統(tǒng)運行優(yōu)化準則和人體舒適性準則，通過變頻等手段調節(jié)壓縮機輸氣量，并控制空調系統(tǒng)的風扇、電子膨脹閥等一切可控部件，保證室內環(huán)境的舒適性，并使空調系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最佳工作狀態(tài)。

2. VRV 空調系統(tǒng)的特點

變頻VRV空調系統(tǒng)的相對于定速系統(tǒng)具有明顯的節(jié)能、舒適效果：

(1) VRV空調系統(tǒng)依據室內負荷，在不同轉速下連續(xù)運行，減少了因壓縮機頻繁啟停造成的能量損失；在制冷/制熱工況下，能效比COP隨頻率的降低而升高，由于壓縮機長時間工作在低頻區(qū)域，故系統(tǒng)的季節(jié)能效比SEER相對于傳統(tǒng)空調系統(tǒng)大大提高；采用壓縮機低頻啟動，降低了啟動電流，電氣設備將大大節(jié)能，同時避免了對其它用電設備和電網的沖擊。

(2) VRV空調系統(tǒng)具有能調節(jié)容量的特性，在系統(tǒng)初開機時室溫與設定溫度相差很大，利用壓縮機高頻運行的方式，使室溫快速地到達設定值，縮短室內不舒適的時間；系統(tǒng)調節(jié)容量使室溫波動很小，改善了室內的舒適性；極少出現傳統(tǒng)空調系統(tǒng)在啟停壓縮機時所產生的振動噪聲，且室內機風扇電機普遍采用直流無刷電機驅動，速度切換平滑，降低了室內機的噪聲。由于VRV空調系統(tǒng)比冷水機組的蒸發(fā)溫度高3℃左右，其COP值約提高10%；結構緊湊，體積小，管徑細，不需要設置水系統(tǒng)和水質管理設備，故不需要專門的設備間和管道層，可較大程度地降低建筑物造價，提高建筑面積的利用率；室內機的多元化，可實現各個房間或區(qū)域的的獨立控制；而且熱回收VRV空調系統(tǒng)，能在冬季和過渡季節(jié)，向需要同時供冷和供熱的建筑物提供冷、熱源，將制冷系統(tǒng)的冷凝負荷和蒸發(fā)負荷同時利用，大大提高能源利用效率。因此，多元VRV空調系統(tǒng)將是今后中小型樓宇空調系統(tǒng)的發(fā)展主流之一 。

3. 多元變頻VRV 空調系統(tǒng)的工作原理

在傳統(tǒng)的冷庫、空調系統(tǒng)中，為適應多用戶庫(室)風負荷的變動，減小的啟動電流，常采用卸載壓縮機或多臺壓縮機并聯的制冷系統(tǒng)。當負荷變動時，根據回氣壓力的高低，增減壓縮機的運行臺數。多元VRV空調系統(tǒng)即是吸收了此思想，而發(fā)展起來的變制冷劑流量制冷系統(tǒng)。由于多元VRV空調系統(tǒng)存在有制冷流量分配控制和系統(tǒng)穩(wěn)定性控制問題難以解決，在微電腦、電子膨脹閥、變頻技術以后才開始重視其研究開發(fā)工作。自1985年開始發(fā)展至今，世界上主要是日本三菱、日立、大金、夏普、松下等少數幾家大企業(yè)擁有這項技術。，多元VRV空調系統(tǒng)主要有單冷型、熱泵型和熱回收型三種形式，將這三種型式與蓄熱(冷)系統(tǒng)、變風量系統(tǒng)等結合，又擴大了VRV空調系統(tǒng)的應用范圍。

3.1 單冷或熱泵型多元VRV空調系統(tǒng)

表1示出了各種單冷和熱泵型多元VRV空調系統(tǒng)的原理圖。在典型的單冷(圖1)或熱泵(圖3)型多元VRV空調系統(tǒng)中，壓縮機通常采用一臺變頻壓縮機，在大系統(tǒng)中，由一臺變頻壓縮機或多極壓縮機與多臺定速壓縮機構成壓縮機組；在各室內機和室外機上，設置有供節(jié)流和流量調節(jié)的電子膨脹閥(有些系統(tǒng)在室外機上采用普通膨脹閥 )；在系統(tǒng)的典型部位安放有溫度傳感器和壓力傳感器。在制冷工況下，室外機電子膨脹閥全開，通過室內機電子膨脹閥節(jié)流降壓，控制室內溫度和各室內機熱交換器出口制冷劑的過熱度，由壓縮機頻率調節(jié)吸氣壓力；在制熱工況下，室外機電子膨脹閥，控制室外機熱交換器出口制冷劑的過熱度，室內機電子膨脹閥控制室溫和室內熱交換器出口的制冷劑過冷度，通過改變壓縮機頻率調節(jié)壓縮機排氣壓力。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性和可*性，在一些系統(tǒng)中，增設了輔助回路。

1994年，三菱開發(fā)出帶有內部熱交換回路的變頻單冷型多元VRV空調系統(tǒng)，由圖2可知，通過回熱回路，實現了制冷劑的有效移動，減少了系統(tǒng)的壓力損失，提高了系統(tǒng)的能交比。研究表明，經回熱回路的流量為壓縮機循環(huán)流量的2-22%時，制冷量基本一致，能效比提高10%。同時由于采用了高壓制冷劑的飽和點控制，減少了系統(tǒng)中的制冷劑的充灌量。

面臨電力供應的緊張局面，"移峰填谷"是急待解決的問題，隨著峰谷電價的實施，蓄熱空調系統(tǒng)開始得到發(fā)展，從1995年開始，開始應用于熱泵型VRV空調系統(tǒng)中[4，5]。蓄熱型VRV空調系統(tǒng)如圖4所示，由室外機、蓄熱槽和多個室內機組成。室外機內有變頻壓縮機、制冷劑泵和熱交換器；在蓄熱槽內部裝有盤管換熱器和相變蓄熱材料。系統(tǒng)在制冷和制熱運行時，都各具有3種運轉模式，即蓄冷（熱）運行、蓄冷（熱）利用制冷（熱）運行和壓縮機制冷（熱）運行。在蓄冷（熱）運行和壓縮機制冷（熱）運行模式下，制冷劑泵停止運行，系統(tǒng)的工作方式和普通蓄冷空調系統(tǒng)一致；在蓄冷利用制冷運行模式下，制冷劑泵運轉，將一部分制冷劑壓縮，送入蓄冷槽盤管換熱器，制冷劑將熱量排至蓄冷材料（取冷）而冷凝，與在室外熱交換器內冷凝后的制冷劑液體匯合，經室內機電子膨脹閥節(jié)流，送入室內機進行制冷；同理，在蓄熱利用制熱運行模式下，制冷劑泵運轉，在蓄熱材料中取熱，送入室內機。系統(tǒng)"移峰填谷"的機理是利用降低冷凝溫度或提高蒸發(fā)溫度，減小壓縮比，降低高峰電力的使用量。

3.2 熱回收型多元VRV空調系統(tǒng)

熱回收型VRV空調系統(tǒng)是于90年代初研制出，它不僅具有單冷和熱泵形系統(tǒng)的功能，同時由于冷凝負荷和蒸發(fā)負荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率。對于同時需要供冷與供熱的建筑物增多的今天，具有極大的應用前景，所以也就成為了當前研究的重要課題之一。當今的熱回收型VRV空調系統(tǒng)具有3管式和2管式兩種形式[6-12]，參見表2。

(1) 3管式熱回收型多元VRV空調系統(tǒng)

3管式VRV空調系統(tǒng)如圖5所示，室外機由壓縮機、室外熱交換器和氣液分離器等構成；室內機由熱交換器、電磁三通閥及電子膨脹閥構成。室外機與室內機之間由高壓氣體管、高壓液體管、低壓氣體管3根管道相連，故稱"3管式"系統(tǒng)。

空調系統(tǒng)通過高壓氣體管將高溫高壓蒸氣引入用于供熱的室內機，制冷劑蒸氣在室內機內放熱冷凝，流入高壓液體管；制冷劑從高壓液體管進入制冷運行的室內機中，蒸發(fā)吸熱，通過低壓氣體管返回壓縮機。室外熱交換器用于平衡各室內機的冷熱負荷的緩沖設備，視室內運行模式起著冷凝器或蒸發(fā)器的作用。其功能取決于各室內機的工作模式和負荷大小。

（2）2管式熱回收型多元VRV空調系統(tǒng)

2管式VRV空調系統(tǒng)如圖6所示，系統(tǒng)由室外機、分流控制器和室內機組構成。其中，室外機由壓縮機、熱交換器和氣液分離器等構成；分流控制器由氣液分離器、3個電子膨脹閥、回熱器、高低壓氣體轉換閥組等組件構成，放置在離室內機組較近的部位；室同機由電子膨脹閥和熱交換器構成。室外機與分流控制器之間由高壓氣體管和低壓氣體管兩根管道相連，故稱"2管式"系統(tǒng)。

室外熱交換器用于平衡各室內機的冷熱負荷，起著冷凝器或蒸發(fā)器的作用。在冷暖混合運行模式下，控制室外熱交換器風扇轉速，將部分高溫蒸氣引入分流控制器內，蒸氣和液體在氣液分離器中分離，蒸氣部分進入室內供熱，液體部分和在供熱室內機中冷凝后的液體合流進入供冷室內機中，液態(tài)制冷劑蒸發(fā)吸熱后，經回氣管返回壓縮機。

此外，將VRV空調系統(tǒng)的一個或多個末端機通過送、回風風道與多個房間相連就構成了與VRV結合的多元VRV空調系統(tǒng)。風道的各個室內末端裝置根據室內溫度與設定溫度的差值大小控制其風量，末端機根據送風道內的靜壓控制總送風量的大小，由末端機的過熱度控制相應電子膨脹閥的開度，壓縮機根據所有室內機的負荷大小控制其轉速。這種系統(tǒng)的研究始于80年代中期，現以用于單冷和熱泵型VRV空調系統(tǒng)中。

4. 多元VRV空調系統(tǒng)研究開發(fā)中尚需解決的問題

多元VRV空調系統(tǒng)發(fā)展至今，無論是在制冷系統(tǒng)，還是在控制方法上都取得了很大的進步，但仍存在以下幾方面的問題，尚需進一步深入研究。

（1）舒適性：有待于新的傳感器的開發(fā)和現代控制理論的應用，以推進智能空調系統(tǒng)的發(fā)展。

（2）穩(wěn)定性和節(jié)能性控制問題：研究制冷系統(tǒng)的各調節(jié)部件對系統(tǒng)特性的影響規(guī)律，實現系統(tǒng)的穩(wěn)定調節(jié)和節(jié)能控制。

（3）控制器的可移植性問題：深入研究制冷系統(tǒng)的特性規(guī)律，研制出適合于大小系統(tǒng)兼容，熱泵型和熱回收型系統(tǒng)通用，移植性較強的控制器。

（4）系統(tǒng)綜合性能評價問題：VRV空調系統(tǒng)特別是熱回收型系統(tǒng)，由于各換熱器的功能和溫度條件不盡相同，如何評價系統(tǒng)的綜合性能，尚無合理和實有的方法。

（5）制冷劑替代問題：由于VRV空調系統(tǒng)的管道接頭較多，增加了制冷劑泄漏的可能性，且系統(tǒng)的內容積過大，增大了制冷劑充灌量，在HCFC控制計劃實施后，系統(tǒng)價格會大大上升。所以，減少制冷劑充灌量和減少泄漏是系統(tǒng)開發(fā)過程中應該重視的問題，同時應加強對HCFC22的替代工質在VRV空調系統(tǒng)中的應用研究。