家用变频多联机房间温降实验研究

陈茂

(邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳，422000)

一般空调用户的热舒适体感主要与空调房间环境温度、开机温度下降速率及上升速率、房间温度场均匀情况、吹风感、湿度等相关。不少学者通过实验或仿真模拟研究了空调热舒适与用户使用习惯等之间的联系。吴丹尼等[1]通过实验研究了柜机空调在制冷运行模式下不同送风风速和不同角度下室内温度下降速率的影响，结果表明，风速和导风板角度对室内温度降低速率有较大影响，在角度为90°时，即冷风沿水平方向送出时室内温度降低最快。胡万玲等[2]对冬季壁挂式空调在不同送风角度下的气流组织进行CFD模拟,认为采用斜向下75°送风时，人员活动区域内没有明显吹风感，相对舒适性较好。王啸娟等[3]以柜机空调零风感功能为研究对象,分析零风感模式下的出风口风速、吹风感指数、房间温度、温度均匀度等的影响。赫连雅馨等[4]以家用轿车为实验研究,基于现场测试和数值模拟,分别研究了开窗降温和空调制冷方式下车内降温对热舒适性的影响。杨妹等[5]对西安地区采用变频多联中央空调系统的某办公楼的办公室进行室内温度场连续测试，当室内设定温度分别为26.00和28.00 ℃时，室内工作区域的温度都在24.00～26.00 ℃满足夏季人体舒适性要求。何振健等[6]针对家用变频空调在制冷运行时的舒适性与节能性进行实验研究，表明频率过低会影响温降速度。

综上所述，室内环境实际温降的效果直接与空调用户的热舒适体感有关。从空调产品本身角度，室内环境降温速率、降温程度、降温稳定性与空调的控制逻辑密切相关[7]。对于变频空调来说，控制逻辑的核心是变频压缩机的频率控制，主要与室内机的能力需求、蒸发温度、冷凝温度、压缩机排气温度、回气温度、排气压力、吸气压力、空调供给电压波动、可承受最大电流等有关。当空调安装后，用户可设置预期温度、室内风机的风速及风向。本文主要从用户设置预期温度的角度，通过优化频率控制逻辑，实验研究多组管家用变频一拖多空调超配情况下的自由温降效果。

1 实验系统

多组管家用一拖多空调器是管路从空调室外机冷凝器出来后再分支成带节流阀的若干支路，即室外机侧面有若干组气阀和液阀(截止阀)，其制冷系统实物图和原理图分别见图1和图2。安装时和家用分体式一拖一空调一样方便，室内机有几台，就使用几组连接管，无需使用分歧管从而减少焊接工作量，因此，安装方便快捷，是国内外不少家庭用户的较佳选择。用户通过遥控、线控等方式将有制冷需求的室内机信息发送给室外机，室内机风机立即运行，用户设置的预期温度反馈到空调器的控制模块里，会与室内风机回风(可认为瞬时房间温度)进行比较，变频压缩机稍后依据控制逻辑启动运行。制冷剂在室内侧换热器中通过风机强制换热，从室内环境吸取热量蒸发气化成饱和或一定过热状态的制冷剂气体，通过各自的气侧连接管路被室外侧压缩机抽吸并压缩成高温高压的制冷剂气体，进入室外侧换热器中冷凝节流，再分成几路回到室内侧换热器。

采用一拖四R410A空调，模拟实验室环境，设有2个房间：大房间为A室，面积为33 m2,放9 K(2 600 W名义制冷量)挂机2台、18 K(5 300 W名义制冷量)挂机1台；小房间为B室，面积为12 m2，放9 K(2 600 W制冷量)的室内挂机1台。很多家用一拖多空调或多联机空调，60%的时间只开了1个室内机，87%的时间开1～2个室内机。所以，本实验中的搭配比较接近用户实际使用情况。一拖多空调的一个优点在于室内机可以依据需求开启，单开1台室内机是考察一拖多空调性能的关键方面之一。因此，本实验中室内机有多种开机方式，单开、全开及不同组合开，重点关注只有9 K室内机小房间的温降，实验结果见图5～10，图中的“小”代表小房间，“大”代表大房间。小房间内空间(不含墙壁等) 从上往下，从左往右设有140个感温点TB001～TB140，如图3所示，每5 min采集1次数据，将每个感温点的温度取平均值记为房间平均温度。

在整机电流可控的情况下，设计了2组基于图4能需控制区间的实验方案Ⅰ和Ⅱ。为了接近用户使用行为，2组实验方案中均为自由跑、高风、自动摆风。方案Ⅱ不同之处在于调整室内机能力需求区间基准值及室外机能级系数等来改变压缩机的频率控制。图4中共有a，b，c，d，e和f等6个区间。如表1所示，每个区间对应1个能力需求区间基准值i，其

图1 家用变频多组管一拖多空调器实物图Fig.1 Photo of a domestic inverter-driven multi-split air conditioner (outdoor unit)

图2 家用变频一拖多空调器制冷系统示意图Fig.2 Diagram of refrigerant system of the domestic inverter-driven multi-split air conditioner

图3 9 K(名义制冷量2 600 W)的室内所在环境室的温度点布置Fig.3 Temperature sensor points in the room equipped with the 9 K indoor unit

中，T1为房间温度，Ts为用户设置温度，T1～Ts为房间温度与用户设置温度的差值。区间f一般设为0区间，当T1～Ts下降到M1以下时，触发达温停机，能需为0，压缩机停机。由区间f往上，区间基准值i逐步提高，处于区间a，其基准值最高。例如，目前处于区间d，当T1～Ts下降至M2以下时，进入区间e，当回升到M8以上时，进入区间c。一般压缩机的初始目标频率序列由能力需求区间基准值i、室内机匹数HP、室外机机型系数Co计算得到(能需序列f=室外机机型系数Co×∑(能需区间基准值i×室内机HP))。当室内机匹数和外机机型系数一定的情况下，能力需求区间基准值越高，压缩机的目标频率序列越高。当然，在运行过程中，如达到限频和保护条件，会触发相应动作。

图4 能力需求区间示意图Fig.4 Zone for adjusting compressor frequency under different capacity needs regarding (T1～Ts)

2 实验结果

图5和图6所示分别是模拟用户设置17.00和24.00 ℃高风，室温从28.00 ℃开始的多种组合开控制方案Ⅰ下的小房间内的自由温降。从图5和图6可以看出：在每种组合开下，由于压缩机按平台启动后，会快速升至目标频率，所以,前20 min内温度下降最快，之后下降速率减缓，100 min左右趋于平缓。以图5为例，在120 min之内，全开9 K+9 K+9 K+18 K(点检频率f=67 Hz,T2=12.00 ℃)下小房间内的温降最低，其后,依次是9 K+18 K(f=49 Hz,T2=12.00 ℃)，9 K+9 K+9 K(f=53 Hz,T2=12.00 ℃)，9 K+9 K(f=43 Hz,T2=11.50 ℃)的组合，分别从初始温度28.00 ℃下降到21.28，20.89，20.48，20.41和19.12 ℃。单开小房间9 K(f=20 Hz,T2=10 ℃)温降下降最多，60 min之内下降了8.50 ℃。从图6中可以看出，用户设置24.00 ℃时，负荷较设置17.00 ℃时要小。由能力需求区间可知，单开小房间9 K，房间内的室温降得最快，在30 min左右温度降到22.00 ℃左右，最先达温停机，压缩机停止运转，室内机继续送风，室温回升到24.00 ℃，压缩机重新启动，处于23.00 ℃波动稳定状态。在其他组合开的情况下，小房间2 h内没有达温停机。另外，9 K+9 K双开时，小房间120 min降到22.48 ℃。

图7是方案Ⅰ，初始室温设为36.00 ℃，模拟用户设置制冷温度为17.00 ℃高风下的温降情况，能需一直处于高区间，压缩机一直在运转，单开9 K，120 min内从36.00 ℃降至27.00 ℃。方案Ⅰ下室温下降速度和120 min温降都有待改进。

表1 能力需求区间基准值Table 1 Coefficient of zone for adjusting compressor frequency under different capacity needs

图5 初始室温28.00 ℃，设制冷17.00 ℃高风， 房间温降-控制方案ⅠFig.5 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ

图6 初始室温28.00 ℃，设制冷24.00 ℃高风， 房间温降-控制方案ⅠFig.6 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 24.00 ℃ in Case Ⅰ

方案Ⅱ中，保证整机电流在可控范围内，能力需求区间系数部分提高；当室内房间温度与设置温度之差在b区间时，压缩机初始目标频率序列和区间a的相同，频率序列处于高位，见表1。另外，区间c和d的基准值也均提高了0.5。图8～10给出了室内机不同组合开启、不同初始室温和用户设定温度下的房间温降情况，可以看出，方案Ⅱ的降温速率比方案Ⅰ的要快，尤其是在前20 min之内，这有利于实现用户快速制冷的目的。因此，方案Ⅱ比方案Ⅰ能更快接近用户设置的温度，如图9所示为组合开9 K+9 K和单开9 K室内机时的温降曲线。另外，在120 min内，没有达温前，方案Ⅱ所能达到的最低温度低于或接近于方案Ⅰ的最低温度。

图7 初始室温36.00 ℃设制冷17.00 ℃高风，房间温降-控制方案ⅠFig.7 Temperature decrease with original T1 of 36.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ

图8 2种方案下初始室温28.00 ℃，设制冷17.00 ℃高风，不同组合开时的房间温降Fig.8 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

图9 2种方案下初始室温28.00 ℃，设制冷24.00 ℃高风，不同组合开时的房间温降Fig.9 Temperature decrease with original T1 of 28.00 ℃ and Ts of 24.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

图10 2种方案下初始室温36.00 ℃，设制冷17.00 ℃高风，不同组合开时的房间温降Fig.10 Temperature decrease with originalT1 of 36.00 ℃ and Ts of 17.00 ℃ in Case Ⅰ&Ⅱ

当室内初始温度高时，在2种方案下，压缩机运行频率均处于频率序列高位，因此，从图10可以看出，2种方案时的室内温度下降起初比较接近，但在中后段有些差距。2种方案均能在1 h内有较大的降温效果，但本实验中的样机初始室温很高，如在36 ℃时，组合开情况下的温降效果还有待改进，不仅要改进压缩机频率控制，还要结合制冷系统匹配、电子膨胀阀的控制等综合优化。从实验结果也可以看出，房间负荷与开机的空调匹数的匹配也是很重要的，否则，由于大房间的空调制冷能力满足不了热负荷的需求，也会影响小房间的正常使用效果。

3 结论

本文主要对家用变频一拖四空调器在不同初始室温下进行了自由温降实验，室外机和室内机为超配，贴近用户安装实际，实验结果表明，优化后的压缩机频率能够改善空调器的实际温降性能，单开9 K室内机的制冷降温效果最好，其次，是双开2台9 K室内机。单开时升频太快，降温太快，更容易达温停机，波动式稳定。其他组合开时的降温效果有待提高，受实验室限制，大房间内的开机空调能力与房间热负荷的匹配在实际使用中需要改进，更重要的是，要从制冷系统匹配、换热器优化、阀件控制、压缩机频率等方面综合考虑改进一拖多空调器的性能。同时，可以增强空调的智能化判断，如果用户由于建筑围护结构的原因引起负荷在达温停机后很快回升，而引起压缩机频繁启动，减少压缩机寿命，那么可以内置智能模块记录分析运行性能，灵活取消达温停机。