多联式空调%28热泵%29热水机组水流量保护控制研究.pdf

第2 3卷 第9期2023年9月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G9 1-9 6收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 7,修回日期:2 0 2 3-0 3-2 4作者简介:王战术,硕士,高级工程师,主要从事多联机空调(热泵)热水机组系统的设计及研究工作。多联式空调(热泵)热水机组水流量保护控制研究王战术 胡淑珍 耿世超(青岛海信日立空调系统有限公司)摘 要 由于多联式空调(热泵)热水机组在原理上的优势(运转时不会出现水-氟换热器冻结),文章分析了机组采用进出水温度并辅以其他运行参数对水流量过低进行判定的可行性,并在不同工况条件下对该保护控制技术进行了实测,比较了不同水流量及不同故障下机组运行参数的变化情况,提出了多参数协同参与的水流过低异常控制,为此类型多联机的水流过低异常保护控制的研究提供控制思路与试验数据。关键词 多联式空调(热泵)热水机组;水流量;保护控制R e s e a r c ho nw a t e r f l o wp r o t e c t i o nc o n t r o l o fm u l t i-c o n n e c t e da i r-c o n d i t i o n i n g(h e a tp u m p)a n dw a t e rh e a t i n gu n i tW a n gZ h a n s h u H uS h u z h e n G e n gS h i c h a o(Q i n g d a oH i s e n s eH i t a c h iA i r-c o n d i t i o n i n gS y s t e mC o.,L t d.)A B S T R A C T D u et ot h ep r i n c i p l ea d v a n t a g eo fm u l t i-c o n n e c t e da i r-c o n d i t i o n i n g(h e a tp u m p)a n dw a t e rh e a t i n gs y s t e m(t h eh e a te x c h a n g e rw i l ln o t f r e e z ed u r i n go p e r a t i o n),t h i sp a p e r a n a l y z e s t h e f e a s i b i l i t yo f u s i n g i n l e t a n do u t l e tw a t e r t e m p e r a t u r e a n do t h e r o p-e r a t i n gp a r a m e t e r s t od e t e r m i n e t h e l o ww a t e r f l o wo f t h eu n i t,a n dp u t s f o r w a r dt h ea b-n o r m a l c o n t r o l o f l o ww a t e r f l o ww i t hm u l t i-p a r a m e t e rc o l l a b o r a t i v ep a r t i c i p a t i o n,w h i c hp r o v i d e sc o n t r o l i d e a sa n de x p e r i m e n t a ld a t af o rt h er e s e a r c ho fl o w w a t e rf l o wi nt h em u l t i-c o n n e c t e da i r-c o n d i t i o n i n g(h e a tp u m p)a n dw a t e rh e a t i n gu n i t.K E Y WO R D S m u l t i-c o n n e c t e da i r-c o n d i t i o n i n g(h e a tp u m p)a n d w a t e rh e a t i n gu n i t;w a t e r f l o w;p r o t e c t i o nc o n t r o l 随着社会经济的快速发展,国家对于能源消耗和环境污染问题愈发重视,空气源、水源及地源热泵热水机组进行热水制备,具备节能环保、提高建筑有效利用率、设备利用效率高等特性1-3,在我国得到广泛应用。在涉水中央空调领域,由于水-氟换热器会存在环境温度过低或蒸发温度过低导致换热器冻坏4,因此一般会在水路上安装一个水流开关,用于防止水流过低原因导致的换热器结冰冻坏,水泵空转、卡转烧毁或机组频繁启停等问题5-7。采用水流开关不仅对成本有影响,其安装要求对机组尺寸也存在一定的不利影响8-9,且水流开关故障会造成整个机组的可靠性问题1 0。天氟地水多联机中央空调,由于其水-氟换热器安装于压缩机的排气管与液侧截止阀之间(图1),在原理上不会存在制冷运转时换热器冻坏的问题,因此对于此种机型可以考虑取消水流开关,并使用水-氟换热器的进出水温度的变化来判断水流量是否合适。1 理论分析为了研究水流量过低时机组的参数并进行控制,需要了解机组在低水流量下的运行状态并确认合适水流量的进行控制1 1-1 2,水流量保护值过高,会导致机组频繁的进行水流量保护停机,影响用户舒适性及机组可靠性,若水流保护值过低,也会导致由于水温升高导致的压缩机频繁启停,从而影响压缩机的寿命。天氟地水多联机系统中可 9 2 第2 3卷 图1 试验用天氟地水多联机系统连接图用来检测并可参与控制水流量的参数主要如下:1.1 排气压力(Pd)室外机控制系统可以实时监测系统的排气压力,作为系统的重要控制参数,在天氟地水室外机进行地暖制热时,压缩机的排气压力受水流量大小的影响较大,在同室内外工况下,当水流量降低时,会造成冷凝侧的换热效率降低,压缩机排气压力会随之升高,此时压缩机功率也会相应地升高,反之则降低,因此制冷剂的排气压力一定程度上与水流量有相关性,但压缩机排气压力也受到水温及环境温度的影响,因此压缩机排气压力可以作为辅助参数参与水流量保护的控制过程。1.2 进水温度(Tw i)与出水温度(Tw o)水温度传感器位于换热器的进出水口,根据流向的不同,水温与制冷剂温度有不同的表现,图2展示了在水氟顺流及逆流状态下制冷剂及水温的变化情况,其中进出水温度(Tw i、Tw o)及排气温度(Td)均可通过传感器测得,冷凝温度Tc可通过排气压力(Pd)推算获得。在天氟地水的地暖制热过程中,不论顺流或逆流,进出水温度的变化情况与室内外环境温度、温度传感器距离换热器的位置、管路脏堵情况及水流量的大小等因素有关,具体分析如下:1)水路系统中水温不同的影响当水泵开始运转时,由于室内及室外环境温度的差异,会导致水系统中室内部分的水和室外部分的水存在温差,因此水泵开始运转时,若系统中有水流,进水温感器会产生一个较为明显的变化,反之,若水流量为0,进水温感器则在短时间内图2 各温度传感器在系统中的位置不会有变化,需要注意的是当室内外环境温度本身温差较小时,也会导致水泵运转短时间内,没有明显的水温变化。2)温度传感器位置的影响当进水或出水温度传感器距离水-氟换热器较近,且水流量正常时,随着热泵能力的发挥,其会缓慢升高,若水流量较低或水流为0,则传感器容易受到制冷剂温度的影响,由于运转时流经水-氟换热器的制冷剂温度较高,从而造成进水或出水温度传感器短时间内异常升高,若温度传感器距 第9期王战术 等:多联式空调(热泵)热水机组水流量保护控制研究9 3 离换热器较远时,则不会出现异常升高的现象。3)水路脏堵或水泵卡转的影响若出现水路脏堵或水泵卡转问题,根据问题的不同,进出水温度会有不同的现象。若水泵由于生锈或异物出现卡转的问题,此时循环水路是通畅的,随着换热器内水温的升高会导致水由水温低的部分向水温高的方向缓慢流动,此时就会出现一个温度传感器变化不大而另一个异常升高的现象。若水路中出现脏堵导致水路不通畅,此时水流量为0,随着系统的运转,水温的变化情况仅与温感器距离水-氟换热器的远近有关。4)水流过低的影响在地暖运行过程中,若出现水流量过低的问题,则会出现随着水流量的降低导致进出水温差逐渐变大的现象,因此进出水温差的变化一定程度上可以有效的检测水流是否过低。2 试验验证文章以某采用R 4 1 0 A制冷剂的6h p天氟地水室外机为研究对象,通过试验对不同水流量下及不同的故障情况下的各个参数的变化进行对比,确认了最终的水流量保护模式。试验用天氟地水系统如图3所示,水-氟换热器中水与制冷剂逆流方式进行换 热,出 水 温 度 传 感 器 距 离 换 热 器2 5c m,进水温度传感器距离换热器9c m,试验采用地暖运行模式,室内机不进行开启。2.1 水流量对机组压力、能力及进出水温差的影响文章在以上联机方案下,对不同水流量下系统排气压力、能力及进出水温差进行了研究分析,为方便研究,试验时统一将进水温度设定在3 0,即以下试验分析基于Tw i为3 0进行。2.1.1 对机组排气压力(Pd)的影响图3为不同工况下系统排气压力随水流量的变化趋势,从图3中可以看出,在相同的进水温度下,随着水流量的降低,机组运行压力会随着升高,但压力过高时机组会通过降低压缩机频率等措施来控制压力的升高,因此压力在接近系统控制压力后会趋于稳定。水流量升高时,机组运行压力会降低,但由于水-氟传热温差的存在,机组压力一定高于进水温度所对应的制冷剂饱和压力。因此在低温环境下,系统排气压力在降至2.0MP a左右时趋于稳定。2.1.2 对能力及进出水温差的影响在额定工况及额定水流量下,系统稳定运转图3 不同水流量下机组排气压力时的进出水温差一般为5,但在系统的实际运转中,由于工况、水流量的变化,系统在稳定运转时进出口的水温会有不同的变化,图4及图5为在不同工况及水流量下,系统能力及进出水温差变化趋势,可以看出在相同工况下,水流量降至额定水流量的5 0%之前,随着流量的降低,系统能力基本不下降,这是由于水流量降低会导致进出水温图4 不同水流量与额定水流量之比下机组能力比率图5 不同水流量与额定水流量之比下机组进出水温差 9 4 第2 3卷 差升高,甚至会由于系统压力升高导致系统能力略微提升,在5 0%水流量时系统仍然可以保持同工况下额定流量能力的9 0%以上,但流量从5 0%降至3 0%时,能力会降至同工况下额定流量能力的8 0%左右,但如图5所示,过低的水流量会导致温差增大,从而造成压缩机的频繁启停,损害压缩机的使用寿命,因此在考虑到系统可靠性、安装的不统一性及用户体验舒适性的基础上系统可选在3 0%额定水流量作为系统低水流量的保护点。2.2 室内外环境温度对水温变化影响在额定制热工况下(室外7,室内2 0),由于水系统的防冻功能,水温基本保持在1 0 左右,经过长时间停机静置后,在水泵运转1m i n内,在额定水流量下进出水温度传感器随时间的变化如图6所示,由于运转的1m i n内,系统处于预热状态,能力还未发挥,制冷剂温度还未上升,但此时位于室内机部分的水(2 0)已经可以流经进出水温度传感器部位,室内外的温差对进水温度传感器及出水温度传感器的影响较为明显,但这些温差的出现是建立在室内外管路内水温的差异及水流量足够使室内的水循环至传感器部位。因此在以下情况下需要采用别的方法继续进行判断:1)在特殊工况下,如过渡季节室内外温度相差不大、或者地暖温控停机再启动时,此时会导致室内外部分的水温较为接近,即使水流经过也不会出现大的水温变化。2)室外管路较长而水流量在短时间内无法将室内部分水循环至传感器部位也可能导致进出水温度不会出现大的变化。图6 水泵启动后水温变化情况2.3 水泵卡转时,进出水温度的变化由水泵损坏或叶轮卡转导致的水流量为0(或近似为0)时,水温传感器在机组运转后的变化如图7所示,前1m i n内系统进出水温度传感器的变化较小,但随着系统能力的输出,换热器内部水温会快速上升,由于此时系统水管路通畅,高温的水会在换热器内部上升,造成水在水管内缓慢循环,最终热水会流过出口温度传感器附近,从而出现出水温度传感器会快速升高而进水温度传感器由于系统内的冷水循环下一直不会升高的现象,此时进水温度会很快升高1 5以上,因此可以通过出水温度及进出水温差的异常升高来对水泵故障进行判定。图7 水泵卡转时水温变化情况2.4 管路脏堵时(水流量为0)时,进出水温度的变化 由管路脏堵导致的水流量为0时,水温传感器在机组运转后的变化如图8所示,在机组运转的前2 0 0s内,由于水-氟换热器内部的水无法流出,导致没有热水流经温度传感器的位置,进水及出水温度基本没有变化,而2 0 0s以后,此时水-氟换热器内部高温水及高温制冷剂的热量会通过铜管及水传导至水温传感器的位置,由于进水温度传感图8 水流脏堵时水温变化情况 第9期王战术 等:多联式空调(热泵)热水机组水流量保护控制研究9 5 器离水-氟换热器距离更近(图2),会造成进水温度传感器开始快速升高而出水温感器由于离换热器较远而暂时无法升高的现象,此时进水温度会很快升高1 0 以上,因此可以通过进水温度突然升高且高于出水温度传感器的现象对系统的管路脏堵进行判定。通过以上分析,水流量的变化对进水温度及出水温度的影响较大,通过进出水温度的变化及温差的变化并辅以系统制冷剂压力等可检测参数的变化,且在天氟地水多联机系统中,由于水系统仅用于制取热水,空调制冷时,水-氟换热器中制冷剂也处于高压状态,因此完全可以对水流量是否过低做出判定。3 水流量过低的保护控制及试验结果3.1 保护控制流程基于上述不同水流量下的数据分析与对比,可以看出,随着水流量的不断降低,选取的各个参数都会出现不同程度的变化。在确定水流量保护控制参数时,为防止室外机出现误报警,并考虑到市场水系统安装的不统一和用户体验的舒适性,文章选取3 0%时的水流量作为保护的触发条件,流程详见图9。图9 水流过低保护流程图3.2 试验结果以上述联机方案作为试验机组,验证系统在不同的环境工况下,水流量为5 0%、3 0%、1 0%、0%时的机组保护情况,通过试验发现,以上控制在5 0%水流量时,系统均未进入水流过低报警,水流量降至3 0%及以下时,系统开始出现报警停机或频繁停机重启,详细试验结果见表1。表1 低水流量验证试验结果运行状态水流量/%运行工况(室外/室内,)3 0/2 07/2 0-5/2 0-2 0/2 05 01)地暖3 02)1 00注:1)代表正常运转;2)代表机组水流量过低报警。由表1试验结果可以看出,当机组水流量降至额定水流 量的3 0%及以 下时,仅在室 外温度降至-2 0时,由于排气压力未达到设定值,机组没有进行保护报警,当水流量降至1 0%时,才触发报警。从图4中可以得知,在温度越低时,水流量降低对能力的影响约小,在-2 0时,1 0%水流量与3 0%水流量的能力相差5%左右,因此-2 0 时水流量降至1 0%才触发报警是可以接受的,综上,可以认为文章所述的控制方式可以有效的对系统水流量过低时进行报警控制。4 结束语文章通过上述几个方面的分析与验证,可以得到以下结论:1)在水流量过低时,在机组无可靠的硬件保护的时候可以通过其余参数的变化来对水流量过 9 6 第2 3卷 低进行报警保护,防止水泵卡转导致烧毁,起到对机组的保护作用,并可有效的防止低水流量导致的外机频繁启停及舒适性下降导致投诉等情况发生。2)水流量在5 0%时仍然能发挥出机组能力的9 0%以上,考虑到市场上对于水泵选型较小导致的流量过低,同时为防止水流量过低保护的误报警,因此在制定保护参数时,3 0%水流量以下才开始触发保护是较为稳妥的选择。3)该水流量保护方式目前仅在天氟地水及与之原理相近的空调机型上进行了试验验证,其余涉水机型由于水-氟换热器在制冷或除霜时处于制冷剂的低压区,为防止换热器冻坏导致的整个机组进水,因此其对保护的及时性及可靠性有更高的要求,暂时无法使用该控制方式。参 考 文 献1 王喜春,齐家业,胡翀赫.基于物联监测系统的夏热冬冷地区空气源热泵运 行 分 析 J.制 冷 与 空 调,2 0 2 2,2 2(5):1 7-2 1.2 李永,崔军艳,冯月霞,等.利用空气源热泵跨季节补热对单 供 暖 地 埋 管 地 源 热 泵 运 行 特 性 影 响 分 析J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(1 0):8 7-9 0.3 张钦.某培训中心带辅助热源的地埋管地源热泵-太阳能耦合系统设计分析J.制冷与空调,2 0 2 0,2 0(3):6 6-7 1.4 熊建国,张龙爱.空气源热泵型冷热水机组防冻性能试验研究J.制冷与空调,2 0 0 6,6(5):6 1-6 6.5 姬鹏先,郝鸣,张亚东.模块式风冷热泵冷热水机组水流量控制技术研究J.制冷空调电力机械,2 0 0 6,2 7(4):5 6-5 8.6 姬鹏先,张亚东.流量开关在中央空调系统中的应用研究J.流体机械,2 0 0 6,3 4(8):8 4-8 6.7 赵志滨,王培硕,冯熙鹏,等.水环热泵V R V空调系统调试中存在的问题及解决方案J.施工技术,2 0 1 3,4 2:2 9 3-2 9 5.8 黄章星.空调水系统设计问题四则C第1 3届全国暖通 空 调 技 术 信 息 网 技 术 交 流 大 会 文 集.总 第1 7 8期,2 0 0 5-1 0,中国福建厦门:暖通空调 编辑部,2 0 0 5:1 8 0-1 8 2.9 杨丰国,谢峰.水源热泵系统几种故障及解决办法J.制冷与空调,2 0 0 5,5(4):9 9-1 0 1.1 0 吕锦銮,陈瑞武.一种新型水冷机组用水流开关的设计J.家电科技,2 0 1 9(5):1 1 6-1 1 9.1 1 张龙爱,陈忠杰,王传华.空气源热泵冷(热)水机组用干式壳管换热器防冻性能研究J.制冷与空调,2 0 1 2,1 2(5):2 8-3 1+7 2.1 2 苏夺.常用空调水系统的控制方法J.暖通空调,2 0 1 2,4 2(1 1):2 0-2 4.(上接第8 6页)6 结束语文章介绍了大功率变频离心式制冷压缩机异步无速度直接传动控制系统,针对异步直接传动控制系统无速度控制问题,结合负载特性,提出了一种低速虚拟位置给定启动,高速模型参考自适应的无速度控制矢量闭环控制策略,并对相关控制原理进行了阐述,最后,通过试验有效验证了该方案的正确性。文章提出方案为工业领域高速异步直接驱动系统的设计了提供参考,对推动我国工业领域高速异步直接传动系统的发展具有积极的意义。参 考 文 献1 霍小平.中央空调自控系统设计M.北京:中国电力出版社,2 0 0 4:7.2 孙悦,韩明新,任洪波,等.冰蓄冷空调系统优化运行控制策略研究综述J.制冷与空调,2 0 2 0,2 0(1 1):6 9-7 3+7 7.3 邵嵘,谢剑英.冷水机组系统优化控制的设计与实现J.流体机械,2 0 0 4,3 2(8):4 6-4 9.4 冯杏辉,方建安,许红磊,等.基于自适应遗传算法的异步电机矢量控制参数优化与仿真J.机电工程,2 0 1 0,2 7(1 1):1 0 3-1 0 5.5 李永东,李明才.感应电机高性能无速度传感器控制系统 回 顾、现 状 与 展 望 J.电 气 传 动,2 0 0 4,3 4(1):4-1 0.6 喻通,何亚屏,罗冬,等.大功率离心式冷水机组高压高速永磁变频直驱应用研究J.制冷与空调,2 0 2 1,2 1(1):8 1-8 7.7 YAN G G,CHE N T.A d a p t i v e-s p e e di d e n t i f i c a t i o ns c h e m ef o rav e c t o rc o n t r o l l e ds p e e ds e n s o r l e s si n-v e r t e r-i n d u c t i o n m o t o rd r i v eJ.I E E E T r a n s.I n d.A p p l i.,2 0 0 8,2 9(2):8 2 0-8 2 5.8 B I N D E R A.p o t e n t i a l s f o r e n e r g y s a v i n g w i t hm o d e 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