房間空調(diào)器用壓縮機(jī)模型仿真研究

匡細(xì)細(xì)，魏忠梅

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519000）

0 前言

房間空調(diào)器需逐步面向智能化設(shè)計，仿真模擬可對空調(diào)產(chǎn)品進(jìn)行性能預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計，大幅縮短開發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本，尤其對新技術(shù)的創(chuàng)新有著重要意義。當(dāng)前國內(nèi)外現(xiàn)有的制冷仿真軟件還沒有很成熟地應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)上，其中壓縮機(jī)模型不夠準(zhǔn)確是影響模擬精度的主要因素。基于壓縮機(jī)理論關(guān)系式，建立了一種區(qū)別于高校且適用于房間空調(diào)器的壓縮機(jī)關(guān)系式仿真模型，求解擬合模型系數(shù)并代入空調(diào)整機(jī)模型中模擬計算，可將仿真模擬的換熱量和消耗功與實驗測試數(shù)據(jù)對比的誤差控制在±5%以內(nèi)。采用5kW冷量的不同形式的空調(diào)器為研究對象：風(fēng)管式空調(diào)器、天井式空調(diào)器、座吊式空調(diào)器，通過多種方案驗證該壓縮機(jī)關(guān)系式模型在不同機(jī)型中具有通用性。

1 壓縮機(jī)仿真現(xiàn)狀

目前國內(nèi)行業(yè)普遍采用的壓縮機(jī)仿真模型有三種：效率模型，十系數(shù)法模型與二十系數(shù)法模型。

效率模型將壓縮機(jī)的容積效率ηv、等熵效率ηs、機(jī)械效率ηm代入空調(diào)整機(jī)模型中計算換熱量與消耗功率，判定兩項參數(shù)與實驗測試數(shù)據(jù)的誤差是否小于±5%，是則認(rèn)為該模型滿足壓縮機(jī)建模要求，否則調(diào)整效率數(shù)值計算直到誤差在±5%以內(nèi)。

十系數(shù)法模型，該方法主要應(yīng)用于定頻壓縮機(jī)，通用計算公式為：

y可通過調(diào)整c1至c10十系數(shù)進(jìn)行公式擬合得到換熱量、消耗功耗與質(zhì)量流量等性能參數(shù)。該模型采用蒸發(fā)溫度Te與冷凝溫度Tc可計算其他壓縮機(jī)的性能參數(shù)，并需要有足夠多的壓縮機(jī)測試數(shù)據(jù)擬合系數(shù)。

二十系數(shù)法模型主要應(yīng)用于變頻壓縮機(jī)，相比于十系數(shù)法模型引入了一個描述壓縮機(jī)頻率的新變量Fr，F(xiàn)r表示運(yùn)行頻率和最高頻率之比，計算公式為：

該模型方法同樣需要大量的壓縮機(jī)測試數(shù)據(jù)擬合系數(shù)。

2 壓縮機(jī)關(guān)系式模型

本文基于壓縮機(jī)理論關(guān)系式，建立了一種區(qū)別于高校建模方式且適用于房間空調(diào)器的壓縮機(jī)關(guān)系式仿真模型。理論關(guān)系式：

本區(qū)位于渤海灣，區(qū)內(nèi)油氣資源豐富，有天津濱海新區(qū)、曹妃甸循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)等國家級新興經(jīng)濟(jì)區(qū)，濕地景觀豐富多樣。河流水污染問題突出，土壤板結(jié)和鹽堿化，人為水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重。主導(dǎo)基礎(chǔ)功能是生態(tài)維護(hù)，水土保持的重點是保護(hù)自然生態(tài)，遏制人為水土流失，維護(hù)生態(tài)環(huán)境，主要措施包括改造鹽堿地、建設(shè)沿海防護(hù)林、加強(qiáng)區(qū)域水網(wǎng)改造、實施濕地保護(hù)與恢復(fù)等。

式中：

xp—壓縮比；

xn—無量綱因式；

xm—質(zhì)量流量損失，kg／s；xh—焓損失，W；

pdis—排氣壓力，Pa；

psuc—吸氣壓力，Pa；

N—壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，rad／s；

disp—壓縮機(jī)排量，m3；

ρsuc—吸氣密度，kg／m3；

m·—質(zhì)量流量，kg／s；

hdis——排氣比焓；J／kg

hsuc——吸氣比焓，J／kg。

質(zhì)量流量損失關(guān)系式系數(shù)a1，a2，a3，a4計算換熱量，焓損失關(guān)系式系數(shù)a5，a6，a7，a8計算壓縮機(jī)消耗功率。采用5kW天井式空調(diào)器和風(fēng)管式空調(diào)器在合理范圍內(nèi)運(yùn)行的性能參數(shù)如下表1所示，通過計算關(guān)系式 （1）至 （4）中的變量，然后將其代入關(guān)系式 （5）和 （6）擬合得到系數(shù)a1至a8如表2所示。把關(guān)系式模型系數(shù)代入空調(diào)整機(jī)模型中模擬計算，仿真得到的換熱量與消耗功率對比實驗測試數(shù)據(jù)誤差均在±5%以內(nèi)，故該壓縮機(jī)模型系數(shù)擬合滿足空調(diào)整機(jī)仿真建模要求。

該方法的優(yōu)勢有三點：一是基于壓縮機(jī)理論的關(guān)系式模型，從理論方面解析壓縮機(jī)各性能參數(shù)之間的關(guān)系，仿真結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)誤差小精度高。二是求解壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)采用的是房間空調(diào)器實際運(yùn)行的性能參數(shù)而并非壓縮機(jī)單體的測試數(shù)據(jù)，該模型更適用于房間空調(diào)器。三是求解關(guān)系式系數(shù)需要四組空調(diào)器運(yùn)行參數(shù)，測試數(shù)據(jù)量少且系數(shù)擬合簡單。

表1 空調(diào)器性能參數(shù)表

表2 關(guān)系式模型系數(shù)

3 模型驗證

采用空調(diào)器實驗測試數(shù)據(jù)擬合得到的壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)，并將其代入空調(diào)整機(jī)模型當(dāng)中模擬計算，對比仿真模擬的換熱量和消耗功率與實驗測試數(shù)據(jù)誤差是否在±5%以內(nèi)判定該壓縮機(jī)關(guān)系式模型是否滿足空調(diào)仿真精度要求。通過單一機(jī)型擬合得到的系數(shù)是否滿足該機(jī)型的仿真精度要求只能驗證該壓縮機(jī)關(guān)系式模型是否可行，還不能驗證該壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)在相同壓縮機(jī)不同機(jī)型當(dāng)中具有通用性，如果不具有通用性也就失去了仿真模擬對于空調(diào)性能預(yù)測和設(shè)計優(yōu)化的意義，所以還需通過交互驗證的方式將不同機(jī)型壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)代入不同空調(diào)整機(jī)模型中對比模擬仿真的換熱量和消耗功率與實驗測試數(shù)據(jù)誤差是否均在±5%以內(nèi)。

3.1 同一機(jī)型驗證

搭建天井式空調(diào)器和風(fēng)管式空調(diào)器整機(jī)仿真模型，兩個模型除室內(nèi)機(jī)不同外，室外機(jī)及其他連接部件結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。在額定制冷和額定制熱工況下，分別將天井式空調(diào)器和風(fēng)管式空調(diào)器通過壓縮機(jī)關(guān)系式模型擬合得到的系數(shù)代入相應(yīng)的空調(diào)整機(jī)模型中模擬仿真，天井式空調(diào)器仿真結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)對比情況如表3所示，風(fēng)管式空調(diào)器仿真結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)對比情況如表4所示。通過表3和表4的數(shù)據(jù)對比可以看出：兩個機(jī)型在額定制冷和額定制熱的工況下仿真模擬的換熱量及壓縮機(jī)消耗功率與實際測試數(shù)據(jù)對比誤差均在±5%以內(nèi)，驗證該壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)可滿足空調(diào)整機(jī)模型仿真精度要求。

表3 天井式空調(diào)器模擬結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)對比

表4 風(fēng)管式空調(diào)器模擬結(jié)果與實際測試數(shù)據(jù)對比

3.2 機(jī)型交互驗證

上述已經(jīng)驗證了壓縮機(jī)關(guān)系式模型在單一機(jī)型中是可行的，下面采用機(jī)型交互驗證的方式驗證壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)在不同機(jī)型中的通用性。將天井式空調(diào)器壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)代入風(fēng)管式空調(diào)器整機(jī)模型中的仿真模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比情況如表5所示。將風(fēng)管式空調(diào)器壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)代入天井式空調(diào)器整機(jī)模型中的仿真模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比情況如表6所示。從表5和表6中的數(shù)據(jù)可看出：模擬仿真結(jié)果的換熱量及壓縮機(jī)消耗功率與實際測試數(shù)據(jù)的誤差均在±5%以內(nèi)。兩個機(jī)型在相同工況下的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不一致，額定制冷天井式空調(diào)器為65Hz，風(fēng)管式空調(diào)器為63Hz，額定制熱天井式空調(diào)器為69Hz，風(fēng)管式空調(diào)器為74Hz，壓縮機(jī)的容積效率和等熵效率也不一致，但在相同工況下采用相同的壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)代入不同空調(diào)整機(jī)中模擬仿真的結(jié)果仍然能夠滿足仿真精度的要求，可以驗證壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)在不同機(jī)型中具有通用性。

4 結(jié)論

（1）基于壓縮機(jī)理論關(guān)系式建立壓縮機(jī)關(guān)系式模型，并采用空調(diào)器實際運(yùn)行性能參數(shù)求解關(guān)系式模型系數(shù)，可使空調(diào)整機(jī)仿真模擬的換熱量和消耗功率與實驗測試數(shù)據(jù)誤差控制在±5%范圍內(nèi)。

表5 天井式空調(diào)器系數(shù)代入風(fēng)管式空調(diào)器模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

表6 風(fēng)管式空調(diào)器系數(shù)代入天井式空調(diào)器模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

（2）同一壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)在不同機(jī)型中相同工況下具有通用性。

（3）壓縮機(jī)關(guān)系式模型系數(shù)求解簡單，相比其他方法可節(jié)省大量實驗測試和數(shù)據(jù)擬合時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，更適合企業(yè)的仿真需求。

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