房间空调器用压缩机模型仿真研究

2018-07-10匡细细魏忠梅

制冷 2018年2期

匡细细，魏忠梅

（珠海格力电器股份有限公司，珠海519000）

0 前言

房间空调器需逐步面向智能化设计，仿真模拟可对空调产品进行性能预测与优化设计，大幅缩短开发周期，节约研发成本，尤其对新技术的创新有着重要意义。当前国内外现有的制冷仿真软件还没有很成熟地应用在产品开发上，其中压缩机模型不够准确是影响模拟精度的主要因素。基于压缩机理论关系式，建立了一种区别于高校且适用于房间空调器的压缩机关系式仿真模型，求解拟合模型系数并代入空调整机模型中模拟计算，可将仿真模拟的换热量和消耗功与实验测试数据对比的误差控制在±5%以内。采用5kW冷量的不同形式的空调器为研究对象：风管式空调器、天井式空调器、座吊式空调器，通过多种方案验证该压缩机关系式模型在不同机型中具有通用性。

1 压缩机仿真现状

目前国内行业普遍采用的压缩机仿真模型有三种：效率模型，十系数法模型与二十系数法模型。

效率模型将压缩机的容积效率ηv、等熵效率ηs、机械效率ηm代入空调整机模型中计算换热量与消耗功率，判定两项参数与实验测试数据的误差是否小于±5%，是则认为该模型满足压缩机建模要求，否则调整效率数值计算直到误差在±5%以内。

十系数法模型，该方法主要应用于定频压缩机，通用计算公式为：

y可通过调整c1至c10十系数进行公式拟合得到换热量、消耗功耗与质量流量等性能参数。该模型采用蒸发温度Te与冷凝温度Tc可计算其他压缩机的性能参数，并需要有足够多的压缩机测试数据拟合系数。

二十系数法模型主要应用于变频压缩机，相比于十系数法模型引入了一个描述压缩机频率的新变量Fr，Fr表示运行频率和最高频率之比，计算公式为：

该模型方法同样需要大量的压缩机测试数据拟合系数。

2 压缩机关系式模型

本文基于压缩机理论关系式，建立了一种区别于高校建模方式且适用于房间空调器的压缩机关系式仿真模型。理论关系式：

本区位于渤海湾，区内油气资源丰富，有天津滨海新区、曹妃甸循环经济示范区等国家级新兴经济区，湿地景观丰富多样。河流水污染问题突出，土壤板结和盐碱化，人为水土流失现象严重。主导基础功能是生态维护，水土保持的重点是保护自然生态，遏制人为水土流失，维护生态环境，主要措施包括改造盐碱地、建设沿海防护林、加强区域水网改造、实施湿地保护与恢复等。

式中：

xp—压缩比；

xn—无量纲因式；

xm—质量流量损失，kg／s；xh—焓损失，W；

pdis—排气压力，Pa；

psuc—吸气压力，Pa；

N—压缩机转速，rad／s；

disp—压缩机排量，m3；

ρsuc—吸气密度，kg／m3；

m·—质量流量，kg／s；

hdis——排气比焓；J／kg

hsuc——吸气比焓，J／kg。

质量流量损失关系式系数a1，a2，a3，a4计算换热量，焓损失关系式系数a5，a6，a7，a8计算压缩机消耗功率。采用5kW天井式空调器和风管式空调器在合理范围内运行的性能参数如下表1所示，通过计算关系式（1）至（4）中的变量，然后将其代入关系式（5）和（6）拟合得到系数a1至a8如表2所示。把关系式模型系数代入空调整机模型中模拟计算，仿真得到的换热量与消耗功率对比实验测试数据误差均在±5%以内，故该压缩机模型系数拟合满足空调整机仿真建模要求。

该方法的优势有三点：一是基于压缩机理论的关系式模型，从理论方面解析压缩机各性能参数之间的关系，仿真结果与实验测试数据误差小精度高。二是求解压缩机关系式模型系数采用的是房间空调器实际运行的性能参数而并非压缩机单体的测试数据，该模型更适用于房间空调器。三是求解关系式系数需要四组空调器运行参数，测试数据量少且系数拟合简单。

表1 空调器性能参数表

表2 关系式模型系数

3 模型验证

采用空调器实验测试数据拟合得到的压缩机关系式模型系数，并将其代入空调整机模型当中模拟计算，对比仿真模拟的换热量和消耗功率与实验测试数据误差是否在±5%以内判定该压缩机关系式模型是否满足空调仿真精度要求。通过单一机型拟合得到的系数是否满足该机型的仿真精度要求只能验证该压缩机关系式模型是否可行，还不能验证该压缩机关系式模型系数在相同压缩机不同机型当中具有通用性，如果不具有通用性也就失去了仿真模拟对于空调性能预测和设计优化的意义，所以还需通过交互验证的方式将不同机型压缩机关系式模型系数代入不同空调整机模型中对比模拟仿真的换热量和消耗功率与实验测试数据误差是否均在±5%以内。

3.1 同一机型验证

搭建天井式空调器和风管式空调器整机仿真模型，两个模型除室内机不同外，室外机及其他连接部件结构参数保持一致。在额定制冷和额定制热工况下，分别将天井式空调器和风管式空调器通过压缩机关系式模型拟合得到的系数代入相应的空调整机模型中模拟仿真，天井式空调器仿真结果与实验测试数据对比情况如表3所示，风管式空调器仿真结果与实际测试数据对比情况如表4所示。通过表3和表4的数据对比可以看出：两个机型在额定制冷和额定制热的工况下仿真模拟的换热量及压缩机消耗功率与实际测试数据对比误差均在±5%以内，验证该压缩机关系式模型系数可满足空调整机模型仿真精度要求。

表3 天井式空调器模拟结果与实际测试数据对比

表4 风管式空调器模拟结果与实际测试数据对比

3.2 机型交互验证

上述已经验证了压缩机关系式模型在单一机型中是可行的，下面采用机型交互验证的方式验证压缩机关系式模型系数在不同机型中的通用性。将天井式空调器压缩机关系式模型系数代入风管式空调器整机模型中的仿真模拟结果与实测数据对比情况如表5所示。将风管式空调器压缩机关系式模型系数代入天井式空调器整机模型中的仿真模拟结果与实测数据对比情况如表6所示。从表5和表6中的数据可看出：模拟仿真结果的换热量及压缩机消耗功率与实际测试数据的误差均在±5%以内。两个机型在相同工况下的压缩机运行频率不一致，额定制冷天井式空调器为65Hz，风管式空调器为63Hz，额定制热天井式空调器为69Hz，风管式空调器为74Hz，压缩机的容积效率和等熵效率也不一致，但在相同工况下采用相同的压缩机关系式模型系数代入不同空调整机中模拟仿真的结果仍然能够满足仿真精度的要求，可以验证压缩机关系式模型系数在不同机型中具有通用性。