全年供冷的风冷螺杆机组控制策略研究

程琦，陈培生，黄凯亮，钟海玲

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

全年供冷的风冷螺杆机组控制策略研究

程琦*，陈培生，黄凯亮，钟海玲

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

全年运行制冷的风冷螺杆机组，在冬季低环境温度下，很小的系统高低压差会导致制冷剂供液不足和压缩机无法可靠运行等问题。本文对于全年运行制冷的风冷螺杆机组进行分析和实验验证，提出了变频风机和定频风机混合控制策略。实验验证结果显示，采用变频风机和定频风机混合控制策略，基于不同环境温度下的变频风机初始步数控制，在全年不同环境温度下，冷凝温度控制稳定，系统波动小，能够实现风冷螺杆机组全年（环境温度大于-25℃）的可靠运行供冷。

风冷冷水机组；变频风机；全年供冷；控制策略

0　引言

在风冷空调机组的应用场合中，有些场合是全年发热的，这就需要全年制冷，如计算机机房、工艺性厂房。这些场合不仅在夏季需要制冷，在冬季同样需要制冷。目前市面上的舒适性风冷空调机组，按照国标设计，满足最低工作环境温度21℃[1]。机组运行在低环境温度（特别是＜10℃）时，容易出现启动困难、低压保护、系统压差保护和压缩机回油不良等现象，无法满足全年（环境温度最低到-25℃）制冷的需求[2-4]。

为了能够实现全年运行制冷，确保低环境温度下可靠运行制冷，目前通用的有以下2种方案。

1）采用油泵辅助供油。在低环境温度工况，压缩机启动过程通过油泵开启供油，系统压差建立后油泵停止供油[5-6]。

2）控制室外冷凝风机风量。在低温工况下，降低室外冷凝风机风量，使机组建立足够的压差来保证压缩机的可靠运行[7-8]。

低环境温度下启动过程中采用油泵辅助供油方案，在相关文献中有较多的阐述[9]；本文对运行过程中的室外冷凝风机风量控制进行详细阐述。在大型风冷空调机组设计中，室外冷凝风机均是采用多台轴流式风机[10]，若采用全部变频风机方案，存在造价成本高、全变频风机控制复杂和易受干扰的问题[11]；若采用全部定频风机，存在风量波动大、系统不稳定、风机频繁开停和可靠性低的问题。为了实现全年运行制冷，究竟采用何种既经济又可靠的控制策略，本文进行了详细的研究分析和实验验证。

1　理论分析

1.1需求分析

由图1可知，程控机房和工艺性厂房的全年冷负荷随季节变化并不明显[12]。

图1　某程控机房全年空调负荷变化

考虑到实际应用环境温度大于20℃时，与普通舒适性空调使用环境一致，本文不再对此点进行阐述，重点针对环境温度(-25～20)℃使用工况进行阐述。

全年运行制冷空调机组，负荷变化不大，分析冷凝风量的变化范围，根据换热公式：

由式(1)和式(2)可以得出式(3)：

式中：

Q——冷凝负荷，kW；

cp——空气的定压比热容，kJ/(kg·K)；

qm——空气的质量流量，kg/s；

V——风量，m3/s；

ρ——空气密度，kg/m3；

ΔT——翅片进出风温差，℃。

可知，当环境温度降低和进出风温差加大时，在同等冷凝负荷下，换热器所需要的风量越来越小。利用CoilLab软件仿真分析翅片冷凝器，在相同的冷凝负荷条件，环境温度与冷凝风量的需求变化曲线如图2所示。

图2　环境温度-冷凝负荷关系图

通过图2可以看出，在相同的冷凝负荷下，随着环境温度的降低，冷凝风量需求降低。在环境温度(-25～20)℃范围内，最高与最低冷凝需求风量相差6.5倍，若考虑低环境温度下负荷减半，最高到最低的冷凝需求风量相差达到13倍。由于环境温度的变化是连续的过程，风量的变化也需要做到连续变化[13]，需要对变工况和变压缩机负荷过程冷凝风量的控制策略进行研究。

1.2方案对比

为了实现风量控制变化调节，提出了以下3种方案，并对以下3种方案进行优劣分析（见表1）。

表1　3种风机方案对比

图3为3种不同方案的风量变化曲线图。

通过图3和以上分析，采用定频风机加变频风机混合控制策略可以实现风量的无级变化过程，是一个经济可行的方案。

图3　风量变化关系图

1.3控制策略

由于用户负荷的变化和用户工况的变化，机组的运行状态是一个动态的变化过程，其冷凝压力和冷凝负荷等状态参数均在连续变化。若风机对风量的调节不到位容易出现系统高压保护、低压保护和压差保护等[14]。对变频风机的调节速率、定频和变频风机切换过程的响应速率等提出了严格的要求。

为了实现风量的无级调节，通过检测与冷凝压力对应的饱和温度和环境温度，对定频风机与变频风机进行控制[15]，混合控制策略如下：

1）初始步幅设定

根据不同的环境温度设定不同的变频风机初始步幅（表2）。

表2　变频风机初始步幅

2）运行过程控制

基本控制思路如表3所示，即变频风机实现微调，定频风机实现粗调。

表3　风机控制思路

①环境温度＞15℃，定频风机和变频风机相互独立控制，变频风机和定频风机按照各自的控制方式进行升降频和开关。

②环境温度≤10℃，定频风机和变频风机实现相互关联控制，定频风机开启必须满足变频风机为满频，定频风机开启前，变频风机降频至一定频率，定频风机关闭必须满足变频风机为最小频率，定频风机关闭后，变频风机升频至一定频率，控制时序图如图4所示。

图4　环境温度小于10℃，风机控制时序图

③10℃＜环境温度≤15℃，记忆之前的风机控制方式，若之前为控制方式①，则按照控制方式①进行控制，若之前为控制方式②，则按照控制方式②进行控制。

2　试验装置及试验方法

2.1试验装置

试验采用格力风冷螺杆机组LSBLGF375MH/ NbA机组进行验证。用于本研究的实验装置能够控制风机开启数量。实验样机外观如图5。

图5　测试样机外观图

整机有六台轴流风机，风机叶轮由四片翅片组成，倒M结构形式，总共有4台定频风机和2台变频风机，风机布置图如图6所示。其中风机1和风机2为变频风机，风机3～风机6为定频风机。

图6　风机布置图

图7　机组系统原理

2.2试验方法

1）试验时控制出水温度不变，通过调节环境温度从20℃下降到-25℃及从-25℃上升到20℃，每1 min记录1组环境温度、冷凝温度、变频风机频率和定频风机开启、关闭情况。

2）试验时控制出水温度不变，将变频风机频率固定为100%（当做定频风机使用），通过调节环境温度从20℃下降到-25℃及从-25℃上升到20℃，每1分钟记录1组环境温度、冷凝温度、变频风机频率和定频风机开启、关闭情况。

3）在环境温度-25℃、8℃、18℃时分别启动机组，每10秒记录1组环境温度、冷凝温度和变频风机频率。

3　试验结果分析

由图8可以看出，随着环境温度的降低，对于冷凝风量的需求降低。在环境温度20℃以下，降低环境温度，机组会进入变频风机关小调节和定频风机关闭调节，冷凝温度基本上能够控制34℃左右。定频风机关闭切换过程中，冷凝温度有个快速上升过程，而后逐渐降低至稳定状态，冷凝温度最大波动范围在30℃～40℃。在这个波动范围内，蒸发温度并无明显的波动，控制效果理想。

图8　降环境温度运行过程

由图9可以看出，随着环境温度的上升，机组对于冷凝风量的需求上升，变频风机频率逐渐上升。在环境温度5℃以下，通过调节变频风机能够满足风机风量需求，机组冷凝温度稳定。当环境温度进一步上升，需要开定频风机。定频风机开启过程中，冷凝温度有轻微的下降，而后逐渐降低至稳定状态，冷凝温度最大波动范围在32℃～38℃。在这个波动范围内，蒸发温度并无明显的波动，控制效果理想。

图9　升环境温度运行过程

由图10可以看出，将变频风机频率固定100%，随着环境温度的降低，机组对于冷凝风量的需求降低。在环境温度20℃以下，降低环境温度，冷凝温度降低，定频风机出现关闭和开启的振荡调节。随着环境温度的降低，定频风机在开和关波动过程中，风机开启时由于高压压力迅速降低，导致整机供液不足，出现低压保护。当变频风机手动100%控制时，在环境温度-25℃时启动，由于启动高压很低，压缩机一启动，立刻出现系统低压保护，压缩机无法正常运行。

图10　变频风机100%控制100负荷降环境温度运行过程

图11表明，当机组在环境温度极低时启动，在环境温度-25℃左右，此时定频风机不开，变频风机从0%步幅运行，压缩机开启60 s左右，系统高低压差建立起来，随着机组负荷增加，冷凝温度升高，变频风机逐渐加载，最终稳定在40%步幅。冷凝温度基本稳定在33℃，系统平稳运行。

图12表明，环境温度较低时，当机组在环境温度8℃左右启动时，变频风机从初始50%步幅运行，压缩机开启50 s，系统高低压差建立起来。随着机组负荷增加，冷凝温度升高，变频风机逐渐加载，最终稳定在100%步幅。冷凝温度基本稳定在35℃，系统平稳运行。

图11　环境温度-25℃工况下的启动运行过程

图12　环境温度8℃工况下的启动运行过程

图13表明，环境温度较低时，当机组在环境温度18℃左右启动时，变频风机从100%步幅运行，压缩机开启20 s系统压差建立起来。随着机组负荷增加，冷凝温度升高，定频风机开启，开了一组定频风机。冷凝温度基本稳定在34℃，系统平稳运行。

图13　环境温度18℃工况下的运行过程

4　结论

1）采用定频风机和变频风机混合控制策略控制冷凝风量，机组在环境温度(-25～20)℃之间变化，可以较稳定地控制冷凝温度，实现机组系统平稳运行。

2）采用全定频风机控制的方案，在低环境温度工况下，冷凝温度波动大，定频风机频繁开停，无法满足控制要求，可靠性差。

3）基于不同环境温度区间，自动设置不同的变频风机初始步数，启动后系统压差和低压能够快速达到目标要求，可以实现机组在不同环境温度可靠启动。

4）采用定频风机和变频风机混合控制策略，能够实现全年最低环境温度-25℃开启压缩机制冷的需求，相比全定频风机控制方案，具有系统波动小、稳定可靠的特点，优势明显。

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Research on Control Strategy of Air-cooled Screw Chiller Operation for Cooling on a Whole Year

CHENG Qi*,CHEN Pei-sheng,HUANG Kai-liang,ZHONG Hai-ling
(Gree Electric Appliances,Inc. of Zhuhai,Zhuhai,Guangdong 519070,China)

For the air-cooled screw chiller which runs all the year round,under low environment temperature condition in winter,small pressure difference between the high and low pressure sides in the system would lead to inadequate refrigerant supply,non-credible operation of the compressor. In the present study,the performance of the air-cooled screw chiller was analyzed and validated experimentally,and a mixed control strategy to the fixed-frequency and variable-frequency fans was proposed. Tests results show that this mixed control strategy can control initial steps of the variable-frequency fan under different environment temperatures,and keep condensing temperature stable under different environment temperatures and finally make the air-cooled screw chiller run stably all the year around (environment temperature above minimum -25℃).

Air cooled chillers； Variable frequency fan； whole year cooling； Control strategy

10.3969/j.issn.2095-4468.2016.05.203

*程琦（1989-），男，学士，研究方向：风冷螺杆式冷水机组设计。联系地址：广东省珠海市前山金鸡西路789号格力电器商技一部，邮编：519070。联系电话：0756-8668527。E-mail：hc362329@126.com。

国家科技重大专项子课题MS02风冷螺杆式冷水机组研制（No. 2014ZX06004004-006）。