多联式空调制冷系统动态仿真研究

摘要：为了研究多联机制冷系统的动态性能,建立了基于简化气液两相流体网络的多联式空调制冷系统动态仿真模型。其中,压缩机和电子膨胀阀采用稳态模型,蒸发器和冷凝器采用移动边界动态仿真模型,气液分离器采用动态模型。采用Matlab和Simulink为仿真工具,对多联机动态仿真模型进行求解,并通过一套具有四台室内蒸发器的多联机系统的实验结果进行验证和改进。结果表明,该动态仿真模型能够准确预测多联机动态过程的变化趋势,并保持很高的计算精度,蒸发温度、冷凝温度和过热度的误差都在1.0℃左右,排气温度误差小于3.0℃,可以用于多联机动态性能分析,并可作为开发和优化多联机控制策略和控制算法的有效工具。
　　多联式空调(热泵)系统(简称： 多联机)由于其采用变容量调节以匹配系统负荷变化的特点，在节能型和室内舒适性上较传统空调系统有比较明显的优势，并且具有室内机独立控制、使用灵活、扩展性好、外形美观、占用安装空间小等突出优点，自20世纪80年初诞生以来取得了高速的发展， 目前已成为各类商用建筑和住宅建筑中最为活跃的中央空调系统形式之一。但是， 多联机的现场测试结果及最新的研究都表明， 目前的多联机实际运行性能尚未达到预想效果：一方面是由于系统实际设计中的连接管路过长、高差过大，系统的性能损失过大;另一方面是在系统运行中系统控制策略和算法不良，使得系统的出力与建筑的负荷不相匹配，从而使得系统能量的损失过大。多联机“作用域”概念的提出，从理论和定量分析上都对系统优化设计，实现系统设计中的节能具有重要的指导意义。而系统运行中的不节能问题，已成为目前学术界的热点问题，但到目前为止， 尚无较好的解决方案。
　　多联机是一类结构复杂、系统庞大、内部参数耦合性强、外部边界条件多样的复杂制冷系统， 传统的以典型工况实验为基础的多联机的设计方法已经不能真实全面的反映系统性能，而且试验周期长、成本大，造成了人力资源和物力资源的巨大浪费。当前机械产品设计发展的趋势是数字化设计，开发多联机的性能仿真软件和基于性能仿真的产品优化设计平台，具有广泛的应用前景。采用基于气液两相流体网络模型的多联式空调系统稳态仿真模型和性能分析软件已经为清华大学在多联机适应性研究与国家能效标准的建立中提供了有效的仿真平台，成功应用与多联机系统的性能分析与优化和控制策略的优化[4]。但是，稳态仿真模型还不能应用于系统的动态性能预测以及为了提高系统运行过程控制算法的优化，因此，开发多联机的动态仿真模型和软件，并以此为工具研究多联机的控制策略和控制算法，解决其运行过程中的可靠性与节能性等一系列问题是多联机研究的当务之急。
　　1系统仿真模型

　　多联机具有联接形式多样， 可扩展性强的特点，与流体网络的特点是完全一直的。采用流体网络的方法在多联机稳态仿真建模中已经取得的成果表明了该方法的可行性，并且具有开放性与可扩展性的特点。对于一套具有四个蒸发器的多联机制冷系统，其流体网络模型可以用图1(a)的方式进行描述，其中具有10个节点和13个支路，关联矩阵的维数过大，对于仿真计算尤其是动态仿真计算的过程是非常不利的，因此，采用如下必要的假设对模型进行简化：
　　1)支路6~9为高压液体管，是不可压缩流体，管外一般具有良好的保温，并且一般情况下其压力损失与支路2-5中电子膨胀阀的节流损失相比可以忽略(管路过长或者局部损失过大时，需要单独考虑)， 因此可以将支路6-9简化为一个具有一定容积的节点(流入和流出制冷剂均为液体， 可称为高压储液器)，如图1(b)节点1所示。
　　2)支路10^一12为低压气体管(蒸发器回液时，含有一定的液态制冷剂)，为可压缩流体， 因此可以在考虑各支路压力变化的基础上简化为一个具有一定容积的节点(可称为气液分离器)，如图1(b)节点2所示。