多功能空调实验系统简介
实验系统简介
本多功能空调实验系统安装于浙江大学制冷与低温研究所301实验室，基本原理如图1所示。该系统可用于各种空调系统控制策略开发实验，也可用于测试各种环境参数下空调部件的稳态运行性能，为其他试验提供恒温恒湿气流，测试各种可能的制冷系统新结构，以及作为制冷与暖通专业科研教学基地使用。
图1 多功能空调实验系统原理图
实验系统组成
多功能空调实验系统主要由三部分组成，包括制冷系统，空气分配系统和数据采集与控制系统。数据采集与控制系统包含了一系列传感器、电控设备和上位机程序。上位机程序读取各传感器的数据，根据内置的控制程序计算得到控制信号，通过控制器将信号传递给制冷系统和空气分配系统内的设备，从而实现温湿度的恒定控制。制冷系统内包含了铂电阻温度计、压力传感器和质量流量计三种传感器，分布在系统关键点上，可以读出相应的温度、压力和流量数据；制冷系统的压缩机可以变频运行，结合电子膨胀阀可以在大范围内调节系统的制冷量。空气分配系统可对空气温湿度和风量进行监测，变频送风机可以调节送风风量，多个送风风阀和回风风阀的组合可以实现多种实验目的，如室内温湿度控制、恒温恒湿气流输送等。
制冷系统
制冷系统由冷凝单元和高效翅片式蒸发器组成，其中蒸发器布置在送风管道内，用于对空气的冷却与除湿处理。冷凝单元的主要部件有变频压缩机、电子膨胀阀、热力膨胀阀和风冷冷凝器，如图2所示。变频压缩机通过专用控制器调节转速，调节范围可达1000rpm7200rpm，配合电子膨胀阀可以调节宽范围的系统制冷量，即1.6kW11.3kW。风冷冷凝器配有DC调速风机和加热装置，冷凝温度和风量均可调节。过热度通过并联的电子膨胀阀和热力膨胀阀进行控制。制冷系统还预留多个扩展铜管接口，拓展了可行实验范围。本制冷系统使用的制冷剂为R410A。
空气分配系统
空气分配系统包含送回风风道与相应的风阀，空气过滤器，风量喷嘴、变频送风机和一个大小为3.8m×2.4m×2.6m的空调空间，如图3所示。设计送风量为1300m3/h，该风量下蒸发器处的空气流速为2.27m/s，风机通过变频器进行控制，实验风量可在6001500 m3/h范围内调节。空调空间内放置有热湿负荷发生器，用于模拟室内热负荷和湿负荷，可模拟00.75的显热比范围。除去空调空间的送风管道，分配系统还预留有一个送风管道，可以为其他实验提供稳定的恒温恒湿气流。
数据采集与控制系统
直膨式空调实验系统的主要目的是开发各种空调系统控制策略，以及测试各种环境下空调部件稳态运行性能。控制策略的开发要求压缩机转速、送风风机、冷凝风机的转速和电子膨胀阀开度全部可调，稳态性能的测试要求系统各关键点的参数全部可以测量，同时室内热湿负荷和冷凝温度可以自动控制以塑造不同的室内外气候环境。根据上述要求构建如图4所示的数据采集与控制系统，编写相应的数据采集和控制程序。
需要采集的数据类型分为三部分：温度、压力和流量。在空气侧，通过符合ISO 5151标准的空气取样装置对送蒸发器进出口的空气干湿球温度计进行测量，得到相应空气温湿度，使用的温度计精度可达±0.1℃；送风量和冷凝风量均通过测量喷嘴前后压差进行计算，喷嘴的设计与安装参考标准GB/T7725-2004与ANSI/ASHRAE 41.2；回风温湿度通过安装在回风管道内的温湿度传感器进行测量，在测量范围内精度可达±%RH和±0.4℃；送风温度和冷凝温度通过额外的铂电阻温度计进行测量。在制冷剂侧，制冷剂流量通过KRONE质量流量计进行测量，各点的温度和压力则由分布在制冷机组的8组铂电阻温度计和压力传感器进行测量。此外还通过电功率表测量了压缩机、送风风机、冷凝风机和冷凝温度控制器等设备的功率。实验系统一共采集了34组温度、压力、流量和功率数据，其中空气侧有13组，制冷剂侧17组，设备功率4组。由传感器输出的电流、电压或者电阻信号通过多种类型的高精度隔离器转换为电压信号，再通过安捷伦数据采集仪上传到上位机，在labview程序实现所有数据的监控、处理与记录。
除了数据采集，实验系统的labview程序还能输出各个设备的控制信号，通过横河UT35A控制器对压缩机、风机等设备的开度进行调节。该程序还集成了matlab程序的交互模块，只需把不同的matlab控制程序导入到该模块内，便可针对不同的控制策略进行试验，使开发人员可专注于策略开发而毋需再在设备通讯和数据采集的编程部分花费精力。
通过PLC和触摸屏的联合编程，方便实现设备的快速启停。在控制程序内连锁风机、加热管等设备，加上温度、液位和设备过载等报警信号，确保实验系统的安全运行。
图2 制冷机组原理图
图3 空气分配系统原理图
图4 数据采集与控制系统原理图
