张 宁，沙 陆，郭 皓

(1.中国专利技术开发公司，北京100088;2.丹佛斯制冷空调部亚太区技术培训中心，天津301700;3.国内贸易工程设计研究院，北京100069)

引言

制冷空调系统中的四大部件压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置中，蒸发器和冷凝器两个热交换器反映环境温度和负荷的变化，压缩机和节流装置调节系统的输出量来适应热交换器的需求，最终反映环境的变化。只有通过控制方案，将四大部件协调有效的利用，才能实现系统节能和稳定运行。

在制冷空调系统控制中，节流装置的控制很大程度上决定了系统的节能性和可靠性。

1 控制方案所采集的参数

以采用节流阀的制冷系统为例，为了获得更好的系统系能，制冷系统可采集如下参数进行控制:

(1)低压侧:蒸发压力 (PE)、蒸发器进口压力 (PE－in)、蒸发器进口温度 (TE－in)，蒸发器出口压力 (PE－out)、蒸发器出口温度 (TE－out)，吸气压力 (PS)、吸气温度 (TS)，油池温度 (TOil);

(2)高压侧:冷凝压力 (PC)、冷凝器出口温度 (TC－out)，阀 前 压 力 (PIN－V)、阀 前 温 度(TIN－V)，排气压力 (PD)、排气温度 (TD);

阀门开度增加量

VODC(Valve Opening Degree Change)=F(PE，PE－in， TE－in，PE－out，TE－out，PS，TS，TOil，PC，TC－out，PIN－EXV，TIN－EXV，PD，TD)

在这里，VODC=当前值－前一次值。即，当前阀门的开度是由上一次的开度和计算得到的阀门开度增加量决定的。

下面具体分析每个因素如何影响节流阀门的开度，以及通常情况下和阀门开度的关系。

①蒸发压力 (PE)—阀门的开度越大，蒸发压力越高;

② 蒸发器进、出口压力 (PE－in，PE－out)—可以把蒸发器出口压力作为蒸发压力 (PE)，并最终在控制逻辑中参与计算;但实际上，通过计算蒸发器进出口压力的平均值来代替蒸发压力对阀门开度的影响是一样的，而且进出口压差同时可以验证流量是否合适，阀门开度越大，流量越大，压差就越大，换热能力也越高。

③ 蒸发器进、出口温度 (TE－in，TE－out)—对于直接膨胀式系统，阀门的开度越小，蒸发器进出口温差会越大，过热度也越大。某些较小的制冷系统会采用蒸发器进出口温差来控制阀门的开度。

④吸气压力 (PS)—正常情况下，关阀门时，吸气压力会降低。在超市制冷应用领域，通常阀门的开度控制是基于机组的吸气压力，吸气压力处于合理的范围并最终满足终端的供液量。

⑤吸气温度 (TS)—给定条件下，吸气温度应该控制在一定的范围内，温度高出这个范围，需要增大阀门开度来降低过热度。

⑥油池的温度 (TOil)—油池的温度受很多因素影响。油池温度过高或过低可间接反映过热度过大或没有过热度，因此可根据该参数调节阀门开度，使油温度回到正常值。

⑦冷凝压力(PC)和冷凝器出口温度(TC－out)—控制上常将冷凝压力和冷凝器出口温度当作同一值互相替换，尽管实际上两者之间存在差值——冷凝器出口过冷度。一般冷凝压力随着阀门开度变大而降低。

⑧ 阀前压力 (PIN－V)、阀前温度 (TIN－V)—阀前的参数表示液体节流前实际的过冷度，过冷度大小直接影响阀门的节流效果。对于给定机组，在正常情况下，如果没有足够的过冷度，只能调小阀门的开度。

⑨排气压力 (PD)和排气温度 (TD)—排气侧的冷媒过热度也可用来控制阀门的开度。尤其对于满液系统，排气过热度与阀门的关系类似于吸气过热度，过热度过大，则加大阀门开度。

在设定阀门开度控制参数后，可采取如图1所示方式对数据进行模拟处理。即:每隔1秒采集一次参数，每隔20秒进行一次处理，进行加权平均或者积分计算，结果作为当前的参数值;所有的参数经过计算后，参照设定的目标值，得出当前阀门开度的增量。

图1 数据处理模拟图

2 使用过热度来控制阀门开度［1］

过热度作为反映节流装置控制能力的最重要性能参数之一，过热度越小，节能效果越好;而只有过热度足够，才能保证系统的可靠性;因此只有对过热度进行优化，才能同时满足节能和可靠性的要求。

通常，过热度控制应具有如下功能:

(1)所采集的参数应该能够同时反映由于环境温度变化引起的蒸发器和冷凝器的变化;

(2)当外部条件变化时，所选参数和方案应实现性能优化;

(3)所选方案能使设备稳定可靠运行。

对于直接膨胀系统，阀门开度控制最普通的方法就是基于压缩机的吸气过热度或者蒸发器的出口过热度。吸气过热度波动范围相对排气过热度较小，因此阀门开度控制比较稳定，数据容易处理。但在启动、关机、除霜、除湿阶段，或回油均油循环、负载变化较大等非稳定运行工况下，吸气过热度控制方案需要特殊的处理［2］。

3 基于吸气过热度的控制逻辑

在直接膨胀系统中，采用吸气过热度作为阀门开度控制参数时，可通过采集如下参数计算并得出过热度:(1)蒸发器进出口的温度［3］;(2)蒸发器盘管中间温度和出口温度［4］(或压缩机吸气温度［5］);(3)蒸发器出口温度和该位置压力对应的饱和温度［6］;(4)蒸发器中间温度、冷凝器中间温度［7］。常见的逻辑模块如图2所示。

图2 直接膨胀系统中阀门开度控制方案

各模块可采用如下控制逻辑:

(1)稳定运行阶段的控制逻辑

当机组稳定运行没有负载或外部条件变化时，阀门开度应仅由蒸发器出口的过热度来决定，通过PID计算使阀门的开度变化保证过热度始终受控于目标范围以内，因为单独吸气过热度不足以反映压缩机的过热或过冷，有时压缩机的排气温度或者低压也被作为参数来控制阀门的开度，最终确保压缩机的安全。

(2)机组启动阶段初始化

正常情况下压缩机启动前的一定时间内阀门需要执行初始化程序来复位到0开度。按照环境温度和初始负荷，阀门开到初始开度后，该开度应该保持一定的时间，使系统达到初步稳定的状态，然后阀门再按照稳定运行阶段的控制逻辑进行调节。

(3)负载突变时的阀门调节

对于多个压缩机并联的系统，当需要更多压缩机启动时，阀门也需要相应的提前额外增加开度;如果按照稳定逻辑控制的话，短时间内有可能造成低压保护。同样，卸载时，需要提前关闭一定的开度，或者按照负荷计算重新定义开度，否则容易造成回液。如果不考虑负荷突变，单纯依靠PI参数的设定来满足系统负荷的波动，需要通过试验来验证稳定阶段的PI参数是否可以满足突变状态下的波动。

(4)除霜时的阀门开度控制

当机组反向流来化掉翅片管式风冷热交换器上面的霜时，阀门需要保持一个定开度来保证合适的高温冷媒来融化翅片上的霜，除霜结束后、逻辑重新回到稳定运行阶段。

(5)除湿阶段的阀门控制逻辑

除湿的情况下，过热度的目标值通常会降低1至2℃，这样阀门会比正常运行时开度稍大，同时风扇转速降至最低，最后达到除湿的效果。

(6)处理油时的阀门控制

压缩机部分负荷运行一定的时间后，油需要在每个压缩机重新建立平衡，在每个末端管路中滞留的油也需要被循环回压缩机，这时阀门也要维持一定的开度来保证好的回油效果。

(7)关机时的阀门复位

如果电源没有发生问题，通常关机时阀门完全关闭，以防止冷媒迁移进入蒸发器甚至压缩机，比较常见的措施是在节流阀之前安装电磁阀。某些应用中，如果系统不怕发生冷媒迁移，则阀门在关机时可保持某一开度来使高低压力快速平衡，减少下次启动时需要的压缩机电机扭矩。

4 阀门开度优化整合控制方案

当前，很多大的阀门供应商致力于提供阀门优化整合控制方案，将节流阀门、控制器、压力传感器和温度传感器组合在一起，力图实现系统的优化节能。如图3所示为丹佛斯过热度控制方案，其将ETS节流阀门、EKC控制器、AKS压力传感器组合，传感器感应系统状态，传送参数给控制器，经过一系列计算，控制器输出给电子膨胀阀，阀门执行该命令，增加或者减小开度。

这种整合控制方案通过优化可以实现最小过热度控制 (MSS)，如图4所示，淡色为目标值，深色为实际测量的过热度，过热度的目标值不是恒定的值，而是随着当前实际过热度的变化而变化，在整个机组运行的过程中，保证其过热度的受控波动范围一直最大可能的靠近回液的边缘，保证了在所有工况下的最小过热度即最大节能。

图3 丹佛斯过热度控制方案

图4 最小化过热度控制

控制器可以通过过热度和负荷对阀门开度实现双重控制，如图5所示。控制器控制阀门的开度，阀门的开度变化再反过来影响过热度，保证过热度在合理范围内波动，同时，控制器还可以参考负荷的变化，来控制阀门的开度，使蒸发器的供液量直接体现负荷的需求。

启动阶段，整合控制方案可防止开机时由于过热度变化较慢，导致压缩机短时间内发生低压保护的情况，通过参数设定可以限制阀门的最小开度，保证系统的正常启动，如图6所示。

5 结束语

图5 过热度和负荷双重控制方案

图6 启动控制方案

过热度控制是系统设计最核心部分之一，控制的好坏直接影响系统的节能和可靠性。尤其对于多压缩机并联及负荷变化较大的系统，系统的安全运行和性能优化需要精确的过热度控制。本文对阀门开度控制方案进行了总结，并通过引入丹佛斯的优化控制方案对阀门控制方案中需要解决的问题进行了探讨。随着技术的进步，相信越来越多的控制方案能够对制冷空调系统进行更加精确可靠的控制［8］。

［1]小谷拓也，等.大金工业株式会社.空调装置［P］.200780005343

［2]木下英彦，山田刚.大金工业株式会社.空调装置［P］.201080012905

［3]文重基，等.三星电子株式会社.空调器过热度控制系统和控制方法［P］.01801268

［4]王春刚.一种变容量一拖多控制技术 ［P］.03150543

［5]马赛，王毅.变频过热度控制与过冷度控制方案分析比较［C］.2011年中国家用电器技术大会，2011

［6]牟端.全年工况空调热泵过热度控制系统 ［P］.201110200205

［7]金钟文.三星电子株式会社.空调机的过热度控制系统及其方法 ［P］.200710096327

［8]袁杰，董继国.昆山台佳机电有限公司 一种智能节流阀及其制冷回路系统 ［P］.200910055542