变制冷剂流量系统综述.docx
《变制冷剂流量系统综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《变制冷剂流量系统综述.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
变制冷剂流量系统综述
变制冷剂流量系统：
综述
TolgaN.Aynur
环境能源工程中心，机械工程系，马里兰大学，
3157格伦马丁建筑大厅，学院公园，
MD20742，美国
文章资讯：
文章历史：
2009九月13日收到
2010一月19日收到修订后的表格
2010一月29日接受
关键词：
变制冷剂流量、变制冷剂流量、空调、热泵、三管、冰蓄冷
摘要
本次研究提出了一个变制冷剂流量的室外和室内单元的配置（VRF）系统的详细介绍，
以及它的销售、应用、市场和成本。
此外，也提供了一个与VRF系统相关的实验和数值模
拟研究的详细论述。
这样做的目的是把所有关于VRF系统的分散的信息集中放在一起。
根
据详细的论述，发现压缩机频率和电子膨胀阀开度应同时进行控制，并且可以得出结论，VRF系统不仅比普通的空调系统如变风量系统消耗更少的能量，在风机盘管引入新风量相同的条件下，也提供了更好的室内热舒适性，只要它是在单独控制模式下运转。
研究发现：
虽然VRF系统的主要缺点是初始成本比一般的空气调节系统高，但由于VRF系统的节能潜
力，VRF系统的预计投资回收期相对于风冷冷水机组系统在通用的商业大厦可能是约1.5
年。
1.介绍
住宅和商业建筑的空调是生活的必需品，空调的概念已经逐渐从一个房子的一个单元发
展到同一个房子不同区域的独立单元。
一个多联机式空调系统，具有可变制冷剂流量
（VRV/VRF）技术，所谓的多联机VRF/VRV系统能满足较小空间的几个独立单元的相同
安装需求，因为该系统包括一个室外单元和多个室内单元。
（VRV是一家领先的制造商VRF
的商标，VRF是用于所有的VRF厂家的通用术语。
）基本上，多联机的VRF系统是一种
在变频压缩机和位于各室内机的电子膨胀阀（EEVs）的帮助下改变制冷剂流量的制冷剂系
统，以保证该空间的冷却或加热负荷相匹配，以及保持区域内的空气温室内设定温度。
这个
综述论文的目的是把所有关于多联机VRF系统的分散的信息集中放在一起。
2•总体概述
图1提供了具有四台室内机的典型多联机VRF系统。
如图1所示，室内机（位于每个区域）用制冷剂管道被并行连接至室外机。
通过调节位于室外机的四通阀，制冷剂路径可以颠倒，以使多联机VRF系统可根据季节同时用于空调（制冷模式）和热泵（制热模式）。
在制冷模式下，排出的制冷剂通过四通阀从压缩机进入室外换热器（通常是冷凝器）。
高压、低温的制冷剂，然后被EEV节流为低压并进入室内机的热交换器（通常是蒸发器）。
因此，室内机从室内空气中吸收热量并使之冷却下来。
然后，低压过热制冷剂返回到压缩机，
完成该循环。
在制热模式中，四通阀，如图1，相反的的致冷齐路径。
从压缩机排出的制冷剂进入室内机热交换器（用作冷凝器）。
因此，室内机向室内空气散热并使之加热。
然后，高压、低温的制冷剂被EEV节流成低压状态。
低温、低压的制冷剂进入室外机热交换器（用作蒸发器）。
低压过热制冷剂返回到压缩机，并且完成该循环。
下面的子章节给出的概述关于多联
机VRF系统室外和室内机的配置，操作，应用，销售和成本。
图1.具有四个室内单元的多联机VRF系统的示意图。
室外和室内机的配置
室外机配置
一个多联机的VRF系统的室外机通常包括两个或三个压缩机，其中一个是可变速的。
变频调速压缩机允许对多联机VRF系统高负荷效率的大容量调节。
变频器频率通常从20-30到105-120赫兹变化。
通过改变变频器频率，室外机改变它的效能通过改变排放的制冷剂质
直到2000年，所有的多联机VRV/VRF系统都是空气冷却，
但引入水冷系统能提高应
用潜力。
根据该定义，风冷多联机VRF系统是由环境空气冷却，而水冷
VRF系统是由水冷却。
件［波动。
目前，室外机的功率可高达70千瓦。
量流量来匹配区域所需的总冷或热负荷。
因此，多联机VRF系统可以积极应对空间负荷条
不像通常具有翅片管室外机的热交换器的空冷式的多联机VRF系统，水冷式多联机的VRF
系统有片式热交换器。
类似于空冷多联机VRF系统，水冷多联机VRF系统的一个室外机可以与多个室内机连接。
不同于空冷式多联机VRF系统，水冷式多联机VRF系统的室外机需要被连接到冷却塔，并且能够被放置在室内。
对水冷式多联机VRF系统水管的长度没有限
制，并且板式换热器提供制冷剂回路和水循环回路的连接。
从冷却塔/干式冷却器提供给板
式换热器的水的温度通常是10到45摄氏度。
类似于风冷VRF系统，液体/气体制冷剂管道连接室内机和室外机。
由于水管道不位于空调的空间，所以没有漏水的问题。
室内机配置
一个多联机的VRF系统的室内单元通常包括一个热交换器，一个EEV，一个温度传感
器和一个风扇。
在多联机VRF技术中，多台室内机可以被连接到一台室外机上。
系统的已经从一台单独的室外机和一台单独的室外机工作，发展到上世纪80年代末的4-8台室内机，
到90年代初的16台室内机，到1999年的32台室内机再到2003年的40台室内机。
当前的多联机VRF技术允许多达60台或更多的室内机与一台室外机器共同工作。
室内机可以具有不同的容量和构造。
传统的配置是壁挂式室内机。
此外，天花板安装盒，
内置式吊顶安装，吊顶式风道和落地式室内机，都在应用。
室内机可具有冷却和加热能力为
1.4至17.5千瓦。
位于室内机的空气温度传感器，被用于与实际空气温度的比较和恒温器温度的设定。
根
据该温度差，通过室内机的热交换器的制冷剂的流速是通过调节EEV来调节的。
因此，基
于恒温室内设定的温度与实际室内空气的温度，各室内机可以单独操作，
即其中一些可以被
关闭，而其它的还在工作中［12］。
因此，许多区域都可以个别设定温度。
室外和室内机被制冷剂配管连接。
目前，采用先进的供油电路，反馈和控制，系统总管
道长度增加到1000米［4］。
操作
一般来说，多联机VRF系统有两管或三管结构并且它们的不管有没有蓄冰罐都可运作。
两管（高压气体管，低压液管）多联机VRF系统是通用的，可根据不同的季节用于冷却或加热。
另一方面，三管（高压气体管，低压气体管和低压液管）的VRF系统的工作性
能是最好的，当在同一个季节期间，需要对一些空间进行冷却而另一些空间进行加热。
这通
常发生在冬季的大中型商业建筑的核心部门，如计算机机房［10］。
三管多联机VRF系统使用分支选择框（位于各室内机前），他们可以在五种不同的模式进行操作：
A.冷却模式：
所有室内单元的冷却操作。
B.加热模式：
所有室内单元处于加热操作。
C.冷却为主模式：
冷却是主要模式，加热和冷却同时操作。
D.加热为主模式：
加热是主要模式，加热和冷却同时操作。
E.热回收模式：
室内机之间热平衡，而室外机热交换器关闭。
热回收可以通过室内机冷却和加热之间的传热完成。
一种方法是在制冷模式下使用换热
器来从机器中提取过热，并引导它进入制冷剂进入加热区。
一个制造商首先把制冷剂送到需
要供暖的室内机，使得制冷剂冷凝，在中央点收集它，然后将其发送到室内机热交换器冷却。
大多数的厂家有一个专门的热回收管道设计和特殊的阀门操作安排，换热器，控制器，接收
器，和配电箱［10］。
尽管三管多联机VRF系统被知道可以同时提供加热和冷却以及热回收操作，一个制造商有一个双管系统也可以同时提供加热和冷却以及热回收操作［10］。
有几种
不同的方式来存储的热能，包括冰。
对电力的需求随着时间很少是恒定的，在低需求时期的
过量生产可以被用于高需求期来生产冰以供使用。
多联机VRF系统操作与蓄冰罐连接可以
通过充电（形成）冰减少高峰时间电力需求在非高峰时间（夜间），在高峰时间（白天）放电（使用）它。
冰在充电期间，蓄冰罐作为室内机（实际室内机制冰期间关闭）相比实际冷却方式具有明显较低的蒸发温度，在排冰的时期，室外机换热器出口制冷剂有一个额外的过
冷度。
因此，压缩机的功率消耗能够在高峰时间段被明显减少，以使电费减少。
蓄冰罐也可以在供暖季节使用。
在供热充电模式下，在非高峰时间水箱中的水加热到50摄氏度来存储能量，在排热时，制冷剂流经罐使蒸发温度升高以使压缩机消耗功率减少。
2.3应用
适合于多联机VRF系统的应用包括，任何有优势提供个性化的舒适性空调的地方，如办公楼，学校，酒店和旅馆［6,10］..医院和养老院，也是多联机VRF系统很好的候选地，因为它们需要避免区域之间的空气混合。
银行看重系统的安全性，因为出口路径进入银行要
最小化由于最小直径较小的管道系统。
多联机VRF系统也可以用于豪华的单户住宅，以及
公寓和多户住宅建筑。
此外，历史建筑都得益于需要增加一个联机VRF系统小改变。
改造
的情况下也可以是好的应用，可以为无管系统，因为相比于管道系统，使用多联机VRF系
统，额外的管道系统能够被最小化。
另一方面，水冷多联机VRF系统适用于新的和现有的没有屋顶的高层商业建筑或外部空间没有常规的风冷室外机的情况。
它们也可以被安装到有严格噪音规定的建筑物中。
2.4销售
大约25年前，第一台多联机VRF系统在日本推出，之后，他们已经在许多国家流行，特别是在亚洲和欧洲。
在日本，该多联机VRF系统被用于约50%的中型商业建筑（高达6500平方米）和三分之一的大型商业建筑（6500多平方米）［6］。
然而，它们在美国没有被广为
知晓。
无管产品在80年代初进入美国市场，但市场渗透率很小。
是因为缺少日本制造商的支持，以及不熟悉技术。
此外，臭氧损耗在当时成为人们日益关注的问题，多联机系统的制
冷剂充注量的问题可能是一个强烈的否定［10］。
在2003年年度财政，领先的VRF制造商之一，共在世界各地售出85,500VRF产品：
其中亚洲69%（46.8%在日本，22.2%在中国），欧洲21.9%，大洋洲只有6.3%，世界的其他地区2.8%［19］，这也显示在美国有限的市场。
然而，制冷剂的发展，充电管理的优势，控制，和换热器技术已经改变了这项技术。
因此，亚洲制造商已经单独重新进入美国市场或
在过去几年与美国的制造商建立合作伙伴关系。
此后，多联机VRF系统的技术已经逐步扩
大其在美国的市场。
在2007年，在美国已经卖了不到10000台VRF系统［10］。
2.5成本
多联机VRF系统的成本，是这些系统的主要缺点之一。
尽管安装成本高度依赖于建筑
物上的应用，结构和布局，并且是否安装新型或改型，不熟悉技术，将增加在美国的多联机
VRF系统的成本［6,10］。
此外，该多联机的VRF系统不具有任何通风能力，这就是为什么额外的通风系统是必要的，这也增加了成本。
有几个可用的成本比较：
多联机VRF系统的总成本可能比同等容量的冷却水系统高出约5%至20%。
多联机VRF系统的成本比同等容量单个封装13SEER至14管道系统更高约30%至
50%，而超过两倍包装终端机［10］。
从VRF制造商的数据相比一组意大利14个建筑物安装和运营成本，冷水机/锅炉系统
和多联机VRF系统是在1998年分别安装在七个建筑和另外七个建筑物上。
在亚热带湿润气候条件下，人们发现，在多联机的VRF系统中使用少35%的能量，和研究期间低40%
的维护成本。
尽管，对于多联机VRF系统的设备成本比以冷却器为基础的系统的设备成本
高，但这个被多联机的VRF系统更低的安装成本抵消。
在一个通用的商业大厦200吨的冷却系统，多联机VRF系统可以比基于冷水机组的系统节省高达30-40%的的能源。
然而，一个多联机的VRF系统的安装成本会比水冷制冷机
高约8%，比空冷冷却器高16%。
结合这些能源的使用和安装成本为多联机VRF系统提供
了一个估计约1.5年的投资回收期，对于风冷冷水机组相比于水冷式冷水机组为8个月
［10］。
卡西迪和斯威特比较了四种常见空调系统（变风量与周边加热，四管风机盘
管机组，多联机VRF冷冻天花板和辐射周边被动梁加热）的终身花费，在一个总建筑面积为6500平方米的现代化新建三层高的商业办公楼的25年的经营期限中。
整个
寿命成本分析表明，四管风机盘管的系统比冷冻天花板选择昂贵53%，比可变空气体积系
统昂贵74%，可变空气体积系统为74%较为昂贵，并且比多联机的VRF系统昂贵111%。
对于一个巴西的17楼，约9290平方米办公楼案例研究，多联机VRF系统的安装成本价被认为是相对于冷水机组选择的15-22%。
然而，全年逐时模拟，把538吨的多联机VRF
系统与蜗杆、离心式冷却水机组（2*240吨）的最新设计相比，表明夏天的多联机VRF系
统有30%的能量节省潜力。
3.多联机VRF系统的研究
大约25年前，第一台多联机VRF系统在日本推出。
由于历史悠久，该技术已经被广泛的实验和数值模拟研究。
实验和数值模拟研究在下面的章节按照时间顺序介绍。
3.1实验研究
据研究获得，当每个
得出的结论是，新的
Masuda等人为两台室内机的VRF系统研发了一种多控制方法。
新的控制方法表明，对于室内机安装到一个更高的冷负荷房间制冷剂流量远远大于其它室内机。
房间温度达到设定温度时，压缩机频率降低，而在相反的情况下增加。
VRF系统应用了测试方法
控制方法可以单独控制室内机的制冷剂流量和冷却负荷响应。
该测试是在六个量热
COP）被定义
夏等人对有五个室内机的多联机三管
器中进行的；室外机和室内机分别放置在每个量热器中。
该系统的性能系数
为总热负荷与总耗电量的系统的比值。
所有的测试是在’完全冷却“的模式进行，没有任何潜
在的负载。
发现该系统的COP根据部分负荷率并未发生太多变化。
|这解释了使用双压缩机“'
串联”取得了良好的部分负荷性能。
系统的COP为1.9-2.4，在“完全冷却“模式下。
Choi和Kim［22］研究了具有两个室内机与单独EEVs的多联机VRF系统的性能通过改变室内负载，EEV开口和压缩机速度。
有人认为室内机的冷却必须维持在4摄氏度通过调
节EEVs，因此，压缩机的转速应调整到能够为各室内机提供足够的冷却能力。
胡和杨［23］开发了一种高性价比，高效节能，有五个室内机的多联机VRF系统。
一种
变制冷剂容积的的涡旋式压缩机被用来代替变频辅助器。
容量控制的压缩机进行开启/关闭”
开关的电磁阀改变位置的静涡旋提供变制冷剂流量。
容量控制的压缩机通过一个开启/关闭”
转变的电磁阀运行，该电磁阀改变静涡旋的位置来提供制冷剂流量的改变。
系统从室温和设
定温度之间的差来确定的室内机所需要的负荷，并调节每个EEV开口，以控制制冷剂的流
量和各室内机的蒸发温度。
同时，室外机确定运行周期和压缩机中制冷剂的排放时间，根据
室内机的要求来控制电磁阀“开启、关闭”的循环时间，这就就能控制压缩的制冷剂流量。
人们发现，所开发的系统在输入功率为1.3-4.8kW,时有，17-100%的调节能力。
在另一
方面，在输入功率为2.5-6.1kW时的调节能力范围为48-104%。
海等人，研究了一种额定功率为30KW的多联机三管VRF系统。
该系统中加入制冷剂
R22并且有五个不同的功率的室内机。
该实验在具有不同的冷却和加热的配置的稳态条件下进行，并且发现，该系统的COP在“冷却为主’“和”’加热为主’的'模式下都增加，因为这
冷凝能力和蒸发能力被使用。
海等人。
［18］设计并研制具有储冰槽的多联机VRF系统。
有人提到，有了蓄冰槽，额
外的30摄氏度的过冷度可以实现，便能提高能效比（EER）约25%。
根据上海电力价格的经济评估，有蓄冰槽的多联机VRF系统的投资回收期被认为少于3年。
Aynur等人为了提供系统的实时操作特性，在一个实际的办公套件中使用多联机VRF
系统进行了现场性能测试。
两个不同的控制模式（个体和主体）被应用到该系统。
在个体控
制模式中，所有室内单元被各自位于每个区的温控器控制。
在主控模式下，所有室内单元仅被一个位于办公套件中心的温控器控制。
得出的结论是在该多联机
VRF系统中，个体控制模式相比于主控制模式具有更高的效率，为多个房间提供了更好的热舒适性。
Aynur等人研究了通风对室内温度的控制，热舒适，室外机的能量消耗的影响以及一个多联机VRF系统在不同的室外条件下，对热回收通风系统现场性能测试综合效率的影响。
据观察，通风不影响室内温度的控制；相反，它的增加室内的湿度比导致室内环境不舒适，根据ASHRAE夏季热舒适区规定。
同时还发现，尽管通风增加室外机组的能耗由于通风负荷（通风辅助多联机VRV系统比
不通风的消耗多27.8%以上的能源），它没有对多联机VRV系统的效率有很大的影响。
Aynur等研究了一个多联机的VRF系统的集成与换气单元，一个自发电热泵除湿单元，在一个现场的性能测试中。
人们发现，热泵除湿单元比热回收换气单元能提供更好的室内热舒适由于更好的室内湿度控制。
同时，由于热泵除湿单元考虑
部分冷负荷，多联机VRF系统的室外机连接热泵除湿单元相比于连接热回收通风装置，所消耗的能量会少26.3%。
三种不同的工作模式；不通风、热泵除湿换气辅助和热泵除湿换气-除湿辅助的VRF系统被Aynur等人在研究中进行了调查。
［26］，这是参考文献的扩展研究。
［25］。
结果发现，VRF系统在热泵除湿通风辅助模式下提供的总冷量平均为97.6%。
其余的是在通风时被热泵除湿机组回收的冷量。
另一方面，VRF系统对热泵除湿通风除湿的辅助模式提供平均78.9%的总冷量。
其余的由提供额外的显热和潜冷的热泵除湿机组覆盖。
Aynur等人［5］研究了通风和多联机VRV系统在办公套件中使用加热方式热回收通风系统的综合性能的控制模式的影响。
结果发现，热回收通风系统通过
引入低湿度比的室外空气到室内，从而产生干燥的室内环境降低室内湿度比。
同
时还发现，由于额外的通风负荷；通风辅助的多联机VRV系统比不通风的消耗
多35.2%以上的能源。
Aynur等人［27］研究了一个多联机的VRF系统的集成与热泵除湿单元的用于取暖季节的现场性能测试。
热泵除湿机组只使用室外空气中的水分和返回空气加湿室内的采暖季通风过程中，消除了热回收装置的缺点，如提供室内干燥环境，引入额外的通风负荷［5］。
热泵除湿机组只使用室外空气中的水分和返回加湿室内的空气在取暖季通风过程中，因此消除了热回收装置的缺点，如使室内环境干燥，引入额外的通风负荷［5］。
三种不同的操作模式；不通风，热泵除湿通风辅助系统和热泵除湿通风加湿辅助VRF系统被调查。
其余是通气期间由热泵除湿单元回收的热量。
另一方面，VRF系统在热泵除湿通风加湿辅助模式下提供平均46.8%的总加热量。
其余的是由热泵除湿机组提供的额外显热和潜热。
3.2建模研究
Park等人根据压缩机频率、总冷负荷、和两个区域（定义为第一区的冷负荷与总冷负荷的比值）的冷负荷部分研究了系统性能。
结果发现，压缩机功率随着二阶压缩机频率和COP
减少而增加。
在额定6千瓦总冷负荷的系统中，得出的功率消耗随COP减少各区域之间的
负载差异的增大而增大。
所增加的功率消耗的原因是，由于增加了压缩机的工作频率。
据
观察，当负载比从50%变化到100%，压缩机频率改变的只有30%，但电子膨胀阀开启改变约92%。
得出的结论是主要的控制参数是多VRF系统的电子膨胀阀开启而不
是压缩机运行频率时的负载比的改变。
夏［7］等人研究了多联机三通道VRF系统。
相反，每一个室内机有开/关”操作，传热系数方法的连续响应被应用到保持过热度，在”开”期间。
在这种控制方法中，为了每个室内机能保持恒定的室内温度每个电子膨胀阀单独调整来分配合适的制冷剂质量流量。
石等人［14］开发了一种流体网络模型来模拟具有两个室内机的多联机三管VRF系统的性能。
结果发现，系统的能效比在热回收方式下是高于约2倍能效
比在只冷却”或只加热”方式，由于使用冷却和加热能力。
夏等人。
［28］研究了具有三个室内机的多联机VRF系统运行特性。
结果发现，电子膨胀阀开度越大，通过室内机的流量越大。
得出对于相同的压缩机转速，当一个室内机电子膨胀阀的开口增加而其他两个保持不变，则第一个室内单元的制冷能力增加，而其余的冷却能力下降，由于制冷剂的质量流量分布。
得出的结论是，通过调整压缩机转速，同时保持吸入压力不变，各蒸发器的冷却能力可以改变而没有其它影响。
Shah等人。
［29］开发了一种多联机VRF系统的动态建模的新方法。
膨胀阀被建模为一个等焓节流孔，且压缩机被定义为压缩机速度、压缩机的体积和压力比的函数的。
结果发现，压缩机可用于多联机VRF系统的控制执行机构由于对制冷剂流量的直接影响。
第一蒸发器的电子膨胀阀改变，而第二个保持恒定，发现第二蒸发器中的压力也发生了变化，由于耦合系统动力学。
得出的结论是，控制算法还应考虑电子膨胀阀以保持第二蒸发器的压力满足所需的值。
吴等人。
［30］提出了一种有三个室内机的多联机VRF系统控制方法。
吸气压力和室内空气温度作为控制参数来分别调节压缩机的转速和电子膨胀阀开度。
一种自调整模糊控制算法与修正因子也输入控制器。
参数测试表明，所提出的控制方法与模糊控制算法可以实现对控制参数所需的控制精度。
周等人。
［31］研究了多联机VRF系统的性能与EnergyPlus动态建筑能耗模拟程序。
一种多联机VRF系统模块被开发和导入EnergyPlus。
模块（验证周等人的实验结果［32,33］）可以提供室外室内机的电力和能源的消耗，以及COP
和部分负荷率。
结果发现，该多联机VRF系统的COP增加，当系统在部分负荷条件下工作，由于高的部分负载效率。
此外，该模型被用于在上海的一个10层的办公楼进行了对比研究。
得到结论，相比变风量系统，多联机VRF系统节省20%以上的能源，相比风机盘管加新风系统，节省10%以上。
林和叶研究了三蒸发器空调的反馈控制设计。
对于所提出的控制结构，三个蒸发温度是由电子膨胀阀开口控制以保持室内温度在设定点，无稳态误差控制。
此外，压缩机的转速被用来控制与三个蒸发器相关的三个过热温度。
所提出的控制方法进行了实验验证。
2007在制冷季节，Aynur［2］研究了两个VRF系统的综合性能，用能源部的建筑模拟软件包得到的热回收通风装置的数值，在一个总面积167.3平方米现有的办公套件中。
模拟在四种不同的气候条件下进行。
被选定的地点包括天气状况，温度从冷到热和天气干燥到潮湿，寒冷温和湿润气候（洛杉矶，CA），温
和气候（学院公园，MD），炎热和潮湿气候（休斯顿，德克萨斯州），炎热干燥气候（亚利桑那州凤凰城）。
2007年6月至8月期间，洛杉矶被认为是最凉爽的地方，17.7C（6月），20.5C（7月）和21.2（8C月）的月平均室外温度，而凤凰被发现是最炎热的地方，34.2C（6月），35.4C（7月）和35.5C（8月）的月平均室外温度。
另一方面，休斯敦是最潮湿的地方，0.0171kg/kg的月平均室外湿度比（6月），0.0176kg/kg（7月）和0.0182kg/kg的（月），而凤凰是最干燥的地方，0.0041
升级会员 