全年供冷的風冷螺桿機組控制策略研究

程琦，陳培生，黃凱亮，鐘海玲

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

全年供冷的風冷螺桿機組控制策略研究

程琦*，陳培生，黃凱亮，鐘海玲

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

全年運行制冷的風冷螺桿機組，在冬季低環境溫度下，很小的系統高低壓差會導致制冷劑供液不足和壓縮機無法可靠運行等問題。本文對于全年運行制冷的風冷螺桿機組進行分析和實驗驗證，提出了變頻風機和定頻風機混合控制策略。實驗驗證結果顯示，采用變頻風機和定頻風機混合控制策略，基于不同環境溫度下的變頻風機初始步數控制，在全年不同環境溫度下，冷凝溫度控制穩定，系統波動小，能夠實現風冷螺桿機組全年（環境溫度大于-25℃）的可靠運行供冷。

風冷冷水機組；變頻風機；全年供冷；控制策略

0　引言

在風冷空調機組的應用場合中，有些場合是全年發熱的，這就需要全年制冷，如計算機機房、工藝性廠房。這些場合不僅在夏季需要制冷，在冬季同樣需要制冷。目前市面上的舒適性風冷空調機組，按照國標設計，滿足最低工作環境溫度21℃[1]。機組運行在低環境溫度（特別是＜10℃）時，容易出現啟動困難、低壓保護、系統壓差保護和壓縮機回油不良等現象，無法滿足全年（環境溫度最低到-25℃）制冷的需求[2-4]。

為了能夠實現全年運行制冷，確保低環境溫度下可靠運行制冷，目前通用的有以下2種方案。

1）采用油泵輔助供油。在低環境溫度工況，壓縮機啟動過程通過油泵開啟供油，系統壓差建立后油泵停止供油[5-6]。

2）控制室外冷凝風機風量。在低溫工況下，降低室外冷凝風機風量，使機組建立足夠的壓差來保證壓縮機的可靠運行[7-8]。

低環境溫度下啟動過程中采用油泵輔助供油方案，在相關文獻中有較多的闡述[9]；本文對運行過程中的室外冷凝風機風量控制進行詳細闡述。在大型風冷空調機組設計中，室外冷凝風機均是采用多臺軸流式風機[10]，若采用全部變頻風機方案，存在造價成本高、全變頻風機控制復雜和易受干擾的問題[11]；若采用全部定頻風機，存在風量波動大、系統不穩定、風機頻繁開停和可靠性低的問題。為了實現全年運行制冷，究竟采用何種既經濟又可靠的控制策略，本文進行了詳細的研究分析和實驗驗證。

1　理論分析

1.1需求分析

由圖1可知，程控機房和工藝性廠房的全年冷負荷隨季節變化并不明顯[12]。

圖1　某程控機房全年空調負荷變化

考慮到實際應用環境溫度大于20℃時，與普通舒適性空調使用環境一致，本文不再對此點進行闡述，重點針對環境溫度(-25～20)℃使用工況進行闡述。

全年運行制冷空調機組，負荷變化不大，分析冷凝風量的變化范圍，根據換熱公式：

由式(1)和式(2)可以得出式(3)：

式中：

Q——冷凝負荷，kW；

cp——空氣的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；

qm——空氣的質量流量，kg/s；

V——風量，m3/s；

ρ——空氣密度，kg/m3；

ΔT——翅片進出風溫差，℃。

可知，當環境溫度降低和進出風溫差加大時，在同等冷凝負荷下，換熱器所需要的風量越來越小。利用CoilLab軟件仿真分析翅片冷凝器，在相同的冷凝負荷條件，環境溫度與冷凝風量的需求變化曲線如圖2所示。

圖2　環境溫度-冷凝負荷關系圖

通過圖2可以看出，在相同的冷凝負荷下，隨著環境溫度的降低，冷凝風量需求降低。在環境溫度(-25～20)℃范圍內，最高與最低冷凝需求風量相差6.5倍，若考慮低環境溫度下負荷減半，最高到最低的冷凝需求風量相差達到13倍。由于環境溫度的變化是連續的過程，風量的變化也需要做到連續變化[13]，需要對變工況和變壓縮機負荷過程冷凝風量的控制策略進行研究。

1.2方案對比

為了實現風量控制變化調節，提出了以下3種方案，并對以下3種方案進行優劣分析（見表1）。

表1　3種風機方案對比

圖3為3種不同方案的風量變化曲線圖。

通過圖3和以上分析，采用定頻風機加變頻風機混合控制策略可以實現風量的無級變化過程，是一個經濟可行的方案。

圖3　風量變化關系圖

1.3控制策略

由于用戶負荷的變化和用戶工況的變化，機組的運行狀態是一個動態的變化過程，其冷凝壓力和冷凝負荷等狀態參數均在連續變化。若風機對風量的調節不到位容易出現系統高壓保護、低壓保護和壓差保護等[14]。對變頻風機的調節速率、定頻和變頻風機切換過程的響應速率等提出了嚴格的要求。

為了實現風量的無級調節，通過檢測與冷凝壓力對應的飽和溫度和環境溫度，對定頻風機與變頻風機進行控制[15]，混合控制策略如下：

1）初始步幅設定

根據不同的環境溫度設定不同的變頻風機初始步幅（表2）。

表2　變頻風機初始步幅

2）運行過程控制

基本控制思路如表3所示，即變頻風機實現微調，定頻風機實現粗調。

表3　風機控制思路

①環境溫度＞15℃，定頻風機和變頻風機相互獨立控制，變頻風機和定頻風機按照各自的控制方式進行升降頻和開關。

②環境溫度≤10℃，定頻風機和變頻風機實現相互關聯控制，定頻風機開啟必須滿足變頻風機為滿頻，定頻風機開啟前，變頻風機降頻至一定頻率，定頻風機關閉必須滿足變頻風機為最小頻率，定頻風機關閉后，變頻風機升頻至一定頻率，控制時序圖如圖4所示。

圖4　環境溫度小于10℃，風機控制時序圖

③10℃＜環境溫度≤15℃，記憶之前的風機控制方式，若之前為控制方式①，則按照控制方式①進行控制，若之前為控制方式②，則按照控制方式②進行控制。

2　試驗裝置及試驗方法

2.1試驗裝置

試驗采用格力風冷螺桿機組LSBLGF375MH/ NbA機組進行驗證。用于本研究的實驗裝置能夠控制風機開啟數量。實驗樣機外觀如圖5。

圖5　測試樣機外觀圖

整機有六臺軸流風機，風機葉輪由四片翅片組成，倒M結構形式，總共有4臺定頻風機和2臺變頻風機，風機布置圖如圖6所示。其中風機1和風機2為變頻風機，風機3～風機6為定頻風機。

圖6　風機布置圖

圖7　機組系統原理

2.2試驗方法

1）試驗時控制出水溫度不變，通過調節環境溫度從20℃下降到-25℃及從-25℃上升到20℃，每1 min記錄1組環境溫度、冷凝溫度、變頻風機頻率和定頻風機開啟、關閉情況。

2）試驗時控制出水溫度不變，將變頻風機頻率固定為100%（當做定頻風機使用），通過調節環境溫度從20℃下降到-25℃及從-25℃上升到20℃，每1分鐘記錄1組環境溫度、冷凝溫度、變頻風機頻率和定頻風機開啟、關閉情況。

3）在環境溫度-25℃、8℃、18℃時分別啟動機組，每10秒記錄1組環境溫度、冷凝溫度和變頻風機頻率。

3　試驗結果分析

由圖8可以看出，隨著環境溫度的降低，對于冷凝風量的需求降低。在環境溫度20℃以下，降低環境溫度，機組會進入變頻風機關小調節和定頻風機關閉調節，冷凝溫度基本上能夠控制34℃左右。定頻風機關閉切換過程中，冷凝溫度有個快速上升過程，而后逐漸降低至穩定狀態，冷凝溫度最大波動范圍在30℃～40℃。在這個波動范圍內，蒸發溫度并無明顯的波動，控制效果理想。

圖8　降環境溫度運行過程

由圖9可以看出，隨著環境溫度的上升，機組對于冷凝風量的需求上升，變頻風機頻率逐漸上升。在環境溫度5℃以下，通過調節變頻風機能夠滿足風機風量需求，機組冷凝溫度穩定。當環境溫度進一步上升，需要開定頻風機。定頻風機開啟過程中，冷凝溫度有輕微的下降，而后逐漸降低至穩定狀態，冷凝溫度最大波動范圍在32℃～38℃。在這個波動范圍內，蒸發溫度并無明顯的波動，控制效果理想。

圖9　升環境溫度運行過程

由圖10可以看出，將變頻風機頻率固定100%，隨著環境溫度的降低，機組對于冷凝風量的需求降低。在環境溫度20℃以下，降低環境溫度，冷凝溫度降低，定頻風機出現關閉和開啟的振蕩調節。隨著環境溫度的降低，定頻風機在開和關波動過程中，風機開啟時由于高壓壓力迅速降低，導致整機供液不足，出現低壓保護。當變頻風機手動100%控制時，在環境溫度-25℃時啟動，由于啟動高壓很低，壓縮機一啟動，立刻出現系統低壓保護，壓縮機無法正常運行。

圖10　變頻風機100%控制100負荷降環境溫度運行過程

圖11表明，當機組在環境溫度極低時啟動，在環境溫度-25℃左右，此時定頻風機不開，變頻風機從0%步幅運行，壓縮機開啟60 s左右，系統高低壓差建立起來，隨著機組負荷增加，冷凝溫度升高，變頻風機逐漸加載，最終穩定在40%步幅。冷凝溫度基本穩定在33℃，系統平穩運行。

圖12表明，環境溫度較低時，當機組在環境溫度8℃左右啟動時，變頻風機從初始50%步幅運行，壓縮機開啟50 s，系統高低壓差建立起來。隨著機組負荷增加，冷凝溫度升高，變頻風機逐漸加載，最終穩定在100%步幅。冷凝溫度基本穩定在35℃，系統平穩運行。

圖11　環境溫度-25℃工況下的啟動運行過程

圖12　環境溫度8℃工況下的啟動運行過程

圖13表明，環境溫度較低時，當機組在環境溫度18℃左右啟動時，變頻風機從100%步幅運行，壓縮機開啟20 s系統壓差建立起來。隨著機組負荷增加，冷凝溫度升高，定頻風機開啟，開了一組定頻風機。冷凝溫度基本穩定在34℃，系統平穩運行。

圖13　環境溫度18℃工況下的運行過程

4　結論

1）采用定頻風機和變頻風機混合控制策略控制冷凝風量，機組在環境溫度(-25～20)℃之間變化，可以較穩定地控制冷凝溫度，實現機組系統平穩運行。

2）采用全定頻風機控制的方案，在低環境溫度工況下，冷凝溫度波動大，定頻風機頻繁開停，無法滿足控制要求，可靠性差。

3）基于不同環境溫度區間，自動設置不同的變頻風機初始步數，啟動后系統壓差和低壓能夠快速達到目標要求，可以實現機組在不同環境溫度可靠啟動。

4）采用定頻風機和變頻風機混合控制策略，能夠實現全年最低環境溫度-25℃開啟壓縮機制冷的需求，相比全定頻風機控制方案，具有系統波動小、穩定可靠的特點，優勢明顯。

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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，學士，研究方向：風冷螺桿式冷水機組設計。聯系地址：廣東省珠海市前山金雞西路789號格力電器商技一部，郵編：519070。聯系電話：0756-8668527。E-mail：hc362329@126.com。

國家科技重大專項子課題MS02風冷螺桿式冷水機組研制（No. 2014ZX06004004-006）。