一種新型直流變頻除濕機(jī)的研制

王術(shù)香 邵桂祥

（威海中天嘉能空調(diào)科技有限公司 山東威海 264209）

1 引言

輻射空調(diào)系統(tǒng)在歐洲國(guó)家很早就被廣泛采用，由于其具有運(yùn)行費(fèi)用低、舒適性高、無(wú)吹風(fēng)感和噪音、節(jié)省建筑空間等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在別墅等小型建筑的應(yīng)用逐漸增多。

輻射空調(diào)系統(tǒng)由毛細(xì)管輻射系統(tǒng)和獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)組成，夏季獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)室內(nèi)全部潛熱負(fù)荷，毛細(xì)管主要承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。目前市場(chǎng)的冷凍新風(fēng)除濕機(jī)多針對(duì)地下洞庫(kù)、大型地下建筑室內(nèi)或國(guó)防地下洞庫(kù)等特殊環(huán)境研制開(kāi)發(fā),它們?cè)跈C(jī)組規(guī)格及送風(fēng)含濕量等方面尚不能完全滿(mǎn)足要求。為了避免毛細(xì)管末端供冷時(shí)結(jié)露，結(jié)合毛細(xì)管系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了配套的新風(fēng)除濕機(jī)，風(fēng)量范圍為400m3/h～2000m3/h。

圖1 新風(fēng)除濕機(jī)工作原理圖（定頻壓縮機(jī)）

圖2 新風(fēng)除濕機(jī)工作原理圖（變頻壓縮機(jī)）

圖3 除濕機(jī)直流變頻系統(tǒng)控制方案簡(jiǎn)圖

2 除濕機(jī)工作原理

⑴ 此類(lèi)型的除濕機(jī)采用一種雙冷源技術(shù)，即：低溫水預(yù)冷新風(fēng)，機(jī)械制冷方式除濕，高溫水再熱送風(fēng)溫度的冷凍除濕機(jī)，稱(chēng)為雙冷源除濕機(jī)。

⑵ 機(jī)組制冷除濕時(shí)，室外高溫高濕的空氣首先進(jìn)入冷卻盤(pán)管初步降溫除濕，再經(jīng)蒸發(fā)器（除濕盤(pán)管）進(jìn)一步除濕，空氣可以達(dá)到要求的含濕量，干燥低溫的空氣由加熱盤(pán)管升溫后由風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)管路送入室內(nèi)。

制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)把制冷劑回氣加壓加溫后，輸送到冷凝器，在冷凝器內(nèi)冷卻水把高溫高壓的制冷劑氣體冷卻，冷凝成液體；冷卻水將冷凝熱吸收。冷卻后的制冷劑液體通過(guò)膨脹閥節(jié)流后，變?yōu)榈蜏氐蛪旱闹评鋭┮后w，而后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)與空氣進(jìn)行熱交換，熱交換后的制冷劑氣體再進(jìn)入壓縮機(jī)，從而形成連續(xù)的工作循環(huán)。除濕工況送風(fēng)機(jī)使用高檔送風(fēng)。

春秋季節(jié)，機(jī)組處于通風(fēng)狀態(tài)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，自然風(fēng)送入室內(nèi)，帶走余熱、余濕；制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)均不啟動(dòng)。

冬季加熱時(shí)，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，高溫水進(jìn)入盤(pán)管，加熱低溫的室外進(jìn)風(fēng)；冬季送風(fēng)機(jī)采用低檔風(fēng)量。

3 機(jī)組的組成

機(jī)組由三大系統(tǒng)組成：制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)、智能電控系統(tǒng)。

⑴ 水系統(tǒng)

機(jī)組的進(jìn)水分為兩路：一路進(jìn)入冷卻盤(pán)管對(duì)室外空氣初步降溫后進(jìn)入加熱盤(pán)管，提高出風(fēng)的溫度；另一路進(jìn)入冷凝器，吸收制冷系統(tǒng)的冷凝熱。

⑵ 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等零部件組成。傳統(tǒng)系統(tǒng)采用制冷劑旁通技術(shù)，保證低負(fù)荷時(shí)機(jī)組的正常運(yùn)行。直流變頻系統(tǒng)采用直流變頻壓縮機(jī)及其對(duì)應(yīng)的控制體系，能根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，高效節(jié)能。

⑶ 電氣系統(tǒng)

機(jī)組采用智能控制系統(tǒng)，自動(dòng)完成機(jī)組的運(yùn)行和保護(hù)功能。

4 機(jī)組控制參數(shù)

在濕空氣中，與1kg干空氣同時(shí)并存的水蒸汽量稱(chēng)為含濕量，單位為g/kg(干空氣)。含濕量是表征濕空氣干燥程度的一個(gè)物理量。新風(fēng)送風(fēng)含濕量設(shè)計(jì)為7.8g/kg。

5 新型雙冷源除濕機(jī)設(shè)計(jì)方案

5.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

在采用定頻壓縮機(jī)的除濕系統(tǒng)中，為了保證送風(fēng)含濕量的設(shè)計(jì)參數(shù)（送風(fēng)含濕量的值），在機(jī)組以除濕模式運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)是持續(xù)工作的。因?yàn)楫?dāng)送風(fēng)含濕量達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，如果壓縮機(jī)此時(shí)停止運(yùn)行，因系統(tǒng)無(wú)蓄冷源，送風(fēng)含濕量的值很快就會(huì)升上去，這樣就會(huì)把潮濕的空氣送到用戶(hù)房間去，是不符合設(shè)計(jì)要求的。在制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)又不允許頻繁啟動(dòng)，也不適合頻繁啟動(dòng)，所以在沒(méi)有特殊的情況下，壓縮機(jī)必須一直運(yùn)行下去。在低溫工況下，如果壓縮機(jī)一直運(yùn)行，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力會(huì)持續(xù)走低，可能導(dǎo)致盤(pán)管結(jié)冰，直至低壓保護(hù)動(dòng)作，報(bào)警啟動(dòng)，壓縮機(jī)退出運(yùn)行，這樣就不能實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。為了避免該此種情況的發(fā)生，在制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加了壓縮機(jī)熱氣旁通閥，壓縮機(jī)熱氣旁通閥是控制壓縮機(jī)制冷量的一種經(jīng)濟(jì)的方法，這種可調(diào)的旁通閥可以把所需要的排出氣體自動(dòng)旁通到低壓一側(cè)，以維持低的蒸發(fā)壓力，以比較經(jīng)濟(jì)的方式保證了系統(tǒng)的容量平衡。壓縮機(jī)配件熱氣旁通閥出廠設(shè)定值為一般為50Psig，可根據(jù)產(chǎn)品需要設(shè)定。如果吸氣壓力低于設(shè)定值，熱氣旁通閥將開(kāi)啟并旁通一部分排氣，排氣可以旁通至蒸發(fā)器。運(yùn)行原理圖見(jiàn)圖1。

5.2 產(chǎn)品性能分析

上述傳統(tǒng)產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)捷，制造成本低。對(duì)于小容量的機(jī)組或者負(fù)荷變化不大的區(qū)域性?xún)r(jià)比還是可行的。但從節(jié)能環(huán)保的方面考慮，尤其是容量比較大的機(jī)組，再采用壓縮機(jī)熱氣旁通系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)容量就不適宜了，不但運(yùn)行效率低，而且機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)無(wú)法精確控制。

5.3 直流變頻技術(shù)的應(yīng)用

5.3.1 制冷系統(tǒng)硬件調(diào)整

鑒于傳統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用中存在的一些缺陷，我們對(duì)上述的制冷系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。制冷系統(tǒng)的核心動(dòng)力部件采用了直流變頻壓縮機(jī)，代替了傳統(tǒng)的定頻壓縮機(jī)，用電子膨脹閥代替了熱力膨脹閥，取消了原有的熱氣旁通閥，送風(fēng)機(jī)還保留原先的定頻風(fēng)機(jī)。因?yàn)樵诘蜏毓r時(shí)，如果減少送風(fēng)量，不利于系統(tǒng)的運(yùn)行。見(jiàn)圖2。

5.3.2 直流變頻技術(shù)方案

直流變頻系統(tǒng)的工作原理是把50Hz工頻交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源，并送至功率模塊主電路，功率模塊受控于微處理器，利用PWM控制技術(shù)，通過(guò)控制PWM信號(hào)的不同占空比，就可以控制施加在壓縮機(jī)電機(jī)繞組的平均電壓，從而改變壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)冷量的目的。

本產(chǎn)品的直流變頻技術(shù)采用的是一種方波變頻技術(shù)，也就是120o變頻技術(shù)。壓縮機(jī)電機(jī)采用的是直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC），電子膨脹閥選用電動(dòng)式膨脹閥，采用直動(dòng)型四相脈沖步進(jìn)電機(jī)。微處理器采用ST公司生產(chǎn)的無(wú)刷直流電機(jī)專(zhuān)用單片機(jī)MCU，該微處理器包含一個(gè)電機(jī)控制模塊，包括PWM發(fā)生器、六相驅(qū)動(dòng)模塊輸出、過(guò)零檢測(cè)等。驅(qū)動(dòng)電路采用時(shí)智能功率模塊IPM，包含了驅(qū)動(dòng)用IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路，并有過(guò)流過(guò)壓、短路和過(guò)熱保護(hù)。本系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的位置傳感器和速度傳感器，采用了無(wú)位置傳感器的控制技術(shù)，利用電機(jī)系統(tǒng)中可以檢測(cè)的電樞電流和電壓信號(hào)，通過(guò)算法估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電機(jī)的啟動(dòng)和控制。

機(jī)組在送風(fēng)口處設(shè)置了帶有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的數(shù)字式溫濕度傳感器，通過(guò)MCU用戶(hù)程序，計(jì)算出送風(fēng)空氣的含濕量。送風(fēng)含濕量的實(shí)際值與設(shè)定值的差值及差值的變化率，在MCU內(nèi)轉(zhuǎn)換為PWM占空比的控制參數(shù)，及時(shí)地調(diào)節(jié)PWM的寬度和頻率，就可以調(diào)節(jié)加在壓縮機(jī)線(xiàn)圈上電壓，平滑地改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，與此同時(shí)電子膨脹閥的流量也作同方向的變化，使機(jī)組制冷系統(tǒng)的冷量能根據(jù)負(fù)荷的變化得到快速的調(diào)節(jié)，保證送風(fēng)含濕量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)圖3。

5.3.3 直流變頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)

除濕機(jī)組在除濕模式運(yùn)行時(shí)，在運(yùn)行之初，一般需要先處理室內(nèi)回風(fēng)，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，關(guān)閉回風(fēng)閥，開(kāi)啟新風(fēng)閥處理新風(fēng)。采用直流變頻壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，處理室內(nèi)回風(fēng)時(shí)變頻壓縮機(jī)以高速運(yùn)行，可以大大縮短處理室內(nèi)回風(fēng)的時(shí)間，盡快打開(kāi)新風(fēng)閥處理新風(fēng)，這樣就會(huì)大大改善用戶(hù)使用區(qū)域的空氣品質(zhì)。

在室外負(fù)荷變動(dòng)范圍較大時(shí)，直流變頻系統(tǒng)充分顯示出了它的調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)。在低負(fù)荷時(shí)，壓縮機(jī)低速運(yùn)行，不僅是節(jié)能，還能保證壓縮機(jī)持續(xù)運(yùn)行，不至于低壓保護(hù)停機(jī)，保證為用戶(hù)持續(xù)提供符合設(shè)計(jì)要求的新風(fēng)。

該產(chǎn)品采用直流變頻新技術(shù)后，節(jié)能效果明顯，平均單位功率除濕量能提高20%～30%左右，尤其在低溫工況下工作時(shí)，節(jié)能效果明顯。

設(shè)計(jì)除濕量相同的兩種機(jī)組，采用定頻制冷系統(tǒng)與直流變頻制冷系統(tǒng)，在相同的工況下的耗能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

6 結(jié)論

該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制作成本較高，控制比較復(fù)雜。但隨著直流變頻新技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，直流變頻壓縮機(jī)及其配套器件的價(jià)格都會(huì)逐步下降。所以這種性能優(yōu)良的除濕機(jī)會(huì)被大眾所接受，并廣泛使用。

表1 定頻和直流變頻新風(fēng)除濕機(jī)性能參數(shù)比較

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