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1、暖通空调制冷系统建模与控制现状及发展趋势罗天旭学号：2084160183摘要：随着生活水平的提高，空调系统的应用越来越普及。本文针对制冷系统的建模与优化控制这一影响暖通空调系统运行效率的关键及控制难点问题,通过对制冷系统中制冷机、膨胀阀及整个系统的原理、特点进行分析,总结了制冷系统和关键部件的建模和优化的技术发展情况,分析了基于机理建模和动力学方程建模方法对于制冷机、节流部件等关键部件及系统各种方法的优缺点,并对基于单输入/单输出和多输入/多输出的各种控制策略进行了分析.根据相关技术的发展,指出了制冷系统控制技术的未来发展趋
2、势.关键词：暖通空调制冷系统系统建模发展趋势引言：目前,我国的制冷设备所消耗的电能占到全国总耗电量的6%～7%.在一些大城市,如上海、北京,夏季空调设备的用电量占到30%,而制冷机是制冷设备中耗能最大的部分,在中央空调系统中约占系统能耗的50%.现有的制冷设备,一般都将最佳效率点设定在额定容量输出上.而实际上,由于空调等制冷设备的工作状态经常低于额定容量,这时的热效率远低于额定负荷下的运行效率,大量的能源被浪费掉,因此,降低制冷设备的能耗已经成为缓解我国能源紧张的一个重要途径,同时也是实施我国经济和社会可持续发展战略的一项重
3、要内容.制冷机是空调系统的核心,由于制冷机占整个空调系统的能量消耗比例很大,制冷系统控制方法对整个空调系统运行效率影响非常大,因此,近年来制冷系统的建模与优化控制的研究成为暖通空调和控制领域研究的热点问题之一.从时间顺序上看,制冷系统的建模与控制经历了从单体建模到整体建模,从单输入单输出控制向多输入多输出控制的有机过渡.本文试结合当前国内外该领域的研究成果,对制冷系统的建模与控制做一综述.1蒸汽压缩空调制冷系统数学模型的发展情况1.1单体部件建模概述蒸汽压缩系统可以分解成压缩机、膨胀阀、冷凝器和蒸发器这四个关键环节.压缩机为
4、制冷剂的流动提供动力,同时也是制冷循环能够实现制冷的关键部件.该部件模型的计算决定了制冷剂流量的大小.现有的压缩机有很多种类型,如活塞式压缩机、螺杆式压缩机、回旋式压缩机、离心式压缩机等.建立压缩机模型的目的也就是求出压缩机出口制冷剂的质量流量和压缩机的转速的关系.为了在保证计算精度达到要求的前提下尽量实现对系统的优化,必须对模型做大量的简化.很多模型通常如前面假设中所说的视压缩过程为绝热过程,这样的模型通用性强,但针对不同压缩机的容积效率和电效率是通过大量试验数据回归成经验公式来求得的.节流部件是制冷系统的压力调节机构,是
5、制冷循环高压区和低压区的分界点,它直接决定了系统的蒸发压力和冷凝压力.制冷系统中常用的节流部件有热力膨胀阀、电子膨胀阀和毛细管等.热力膨胀阀在汽车空调中应用广泛.电子膨胀阀由于其自动化程度较高,常用于变频空调.由于电子膨胀阀能使系统所提供的制冷量对负荷的变化做出快速的反应,维持蒸发器出口制冷剂的过热度最佳,保证蒸发器的面积得到充分的利用,具有节能的特性,因而在变频空调系统中得到越来越广泛的使用.蒸发器和冷凝器中制冷剂的贮存量占了整个系统的大部分,是热传递的主体部分,蒸发器和冷凝器所采用的模型的准确性直接影响系统模型的准确性.
6、制冷剂在换热器中以单相和气液两相态存在.针对研究的不同目的和要求达到预期效果,可建立换热器的稳态分布参数模型、动态集中参数模型、动态分布参数模型和稳态集中参数模型.相对集中参数模型来说,分布参数模型的结果精确度更高,但占用的时间更多,收敛速度更慢.但无论哪种模型,本质上都是基于热力学的三个基本方程,即连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程来建模的.1.2单体部件建模的发展经过研究热交换器中有两项流的动态模型.为了简化两项流的表达式,利用换热器两项区的空隙部分的变边界方程建立了数学模型,即使采用集中参数法,整个两项区都可以在足够
7、小的细节上加以讨论,而不必使用动量方程的形式.有的模型是利用动量方程形式建立起来的模型.其所建立的空气———空气热泵系统模型使用了移动边界集中参数方程.在文献中建立了所有的单体元件,包括热交换器风扇和电动机轴的动态数学模型.然而,文献中并没有提及阀的动态特性.利用集中参数法建立了制冷系统多个部件的数学模型,其中包括套管式蒸发器冷凝器、气冷式冷凝器及压缩机等部件的动态模型.其中的密封往复式压缩机的数学模型,所不同的是考虑了制冷剂的融解.利用流动模型建立了换热器的数学模型,模型中把蒸汽区和液态区区分开来,给出了两区之间的质量与能
8、量的交换关系.还有一种简化的由往复压缩机和套管式热交换器构成的液体冷凝系统的动态数学模型.采用的热交换器的离散化方法.国内大量研究者在这方面做出了很多贡献.有的研究者采用步进计算法建立了换热器的稳态分布模型,模型中考虑了毛细管内亚稳态液体区的存在,以及翅片形状、管排等因素对换热的影响.且经
