直膨式双温位/能级制冷系统运行特性与能级匹配协同调控机理研究

In the small-to-medium scaled residential and office buildings, because of the coupling cooling and dehumidifying occurred in the direct expansion evaporator in the traditional direct expansion air conditioning system and the variation of the indoor moisture load caused by the transient change of indoor fresh air demand, the decoupling of indoor air temperature and humidity control is a difficulty. Focus on the small-to-medium scaled building, this study proposed a direct expansion dual-temperature/energy level refrigeration system based on single cooling source, providing a high temperature level evaporator exporting high energy level cooling capacity to control indoor temperature and a low temperature level evaporator exporting low energy level cooling capacity to control indoor humidity, so as to solve the difficulty of decoupling control of indoor temperature and humidity in small-to-medium scaled buildings, establishing the comfort, healthy and energy efficient indoor environment. Being influenced by the indoor cooling and dehumidifying load, the compressor frequency and the openness of dual-temperature level EEVs, the control of proposed system is a multi-variable, multi-input/output and non-linear complicated control problem. Focusing on the stably control and energy efficiently control of the system, we’ll study the dynamic operational characteristics and the complex coherent coupling effects, and the dynamic energy efficiency under different matching of varying temperature/energy levels. Through elaborating following scientific problems, the stably control mechanism under the influence of multi-variable multi-input/output, and the energy efficient lifting mechanism under the dynamic matching of different temperature/energy levels, the study is meant to realize the indoor temperature and humidity decoupling control.

中小型居住办公建筑中，因传统直膨式空调系统蒸发器降温除湿耦合作用及室内新风需求变化引起湿负荷动态变化，导致室内温湿度解耦分控困难。本研究针对中小型建筑建立基于单一冷源的直膨式双温位高低能级制冷系统，利用高温位蒸发器输出高能级冷量控制室内温度，低温位蒸发器输出低能级冷量控制室内湿度，解决中小型建筑室内温湿度解耦分控难题 ，从而实现舒适、健康、节能的室内环境控制。 由于同时受到室内热湿负荷、压缩机频率、双温位EEV开度调控的影响，该系统控制是一个多变量、多输入/输出、非线性复杂控制问题。因此项目针对该直膨式双温位/能级制冷系统的稳定控制与高效控制难题，研究系统动态运行特性及内在复杂耦合关系，以及不同温位蒸发温度匹配、不同能级冷量匹配下的系统动态能效特性，阐明在多变量、多因素动态影响下的系统稳定控制机理以及不同温位/能级动态匹配下系统的能效提升机理的科学问题，实现室内热湿间接解耦的稳定高效控制。

长江中下游地区夏季高温高湿，全年湿度偏高。中小型居住办公建筑室内环境控制一直存在挑战。本项目基于双蒸发温度压缩机构建制冷系统，建立了适用于中小型居住办公建筑的双温位温湿分控系统，为中小型居住办公建筑室内环境控制提出新的解决方案。.研究首先针对上海地区一居住住宅进行了负荷模拟研究，对全年逐时总负荷、显潜热负荷进行分析，得出显热负荷与潜热负荷比值的最大值为1.75，出现在8月，而最小值为1.01，出现在6月。负荷特性为相应温湿分控空调系统设计提供了基本的理论指导。.在负荷特性分析基础上设计并建立了基于双蒸发温度压缩机的双温位温湿分控机组，并针对双蒸发温度压缩机及双温位冷热水机组进行了实验研究。获得了双温位冷量耦合关系以及调节运行特性：室外环境温度从29°C上升到43°C，系统总冷量由6.38kW上升到6.68kW再降低至5.55kW，其中高温侧冷量先增加后减少，并在室外环境温度35°C达到最大；当低温位膨胀阀开度为30%时，低温位冷量达到最大值1.4kW，总冷量达到最大值4.9kW，设备显热比在低温位膨胀阀开度45%时达到最小值0.71，除湿能力达到最大。结果揭示了实验范围内双蒸发温度温湿分控机组高低温位冷量的耦合关系以及在系统可调参数变化下的运行特性。.研究对系统建立集总参数模型，对压缩机能耗、冷量耦合关系进行了详细的模拟。对于压缩机功耗，高温蒸发温度每升高1°C，压缩机功耗降低5.74W，而低温蒸发温度每升高1°C，压缩机耗功率提高3.14W；功耗随压缩机气缸容积比减小而减小且低温位气缸容积变化影响更明显。模拟还得到不同频率及膨胀阀开度下，总冷量以及高温位冷量占比互相限制在不同边界极值的四边形内，表征了温湿调控范围。模拟结果全面揭示了双温位直膨式温湿分控系统可实现的温湿调控范围，为室内温湿分控提供了理论依据。.最后，研究采用强化学习算法，建立了室内温湿分控方法，模拟结果表明借助强化学习算法，在系统开机后，通过有限迭代步数，即可实现对室内干球温度和湿球温度的有效追踪，实现室内温湿分控。