基于有限测点的空调系统性能在线检测方法与流程

本发明涉及的是一种制冷系统领域的技术，具体是一种基于有限测点的空调系统性能在线检测方法。

背景技术：

智能家居概念的日益普及，并逐渐成为未来家居的发展趋势。智能家居需要对空调器的能效等性能参数进行实时的监测，包括制冷剂流量、制冷量、能效等参数，以便于实时向控制器反馈空调器的运行状态。因此空调器实时性能预测需要满足：性能监测需要空调器运行状态下进行实时监测。

技术实现要素：

本发明针对现有技术无法通过压缩机进出口处的温度压力测点测得制冷剂流量等相关性能参数，因此无法准确得到系统的性能参数等缺陷，提出一种基于有限测点的空调系统性能在线检测方法，在空调系统内布置测点，采集实时运行参数，通过运算得到空调系统的能效，无需拆卸空调就可实时监测空调的性能及其他关键参数。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过在运行中的空调系统内布置测点实时记录测点参数，进行压缩机流量拟合计算，得到空调系统的制冷剂流量；结合制冷循环理论进行冷凝器和蒸发器的换热量计算，得到空调系统的实际制冷量、压缩机实际功率和实时EER(能效比)，并基于风机性能曲线和风机阻力-换热器特征方程计算得到室内外机的风量和压降，实现对空调系统性能的在线检测。

所述的布置测点是指：在空调系统的压缩机与冷凝器之间布置压缩机排气温度测点和压缩机排气压力测点，分别得到压缩机的排气温度参数和排气压力参数；在冷凝器与蒸发器之间布置冷凝器液管温度测点，得到液管温度参数；在蒸发器与压缩机之间布置压缩机吸气温度测点和压缩机吸气压力测点，分别得到压缩机的吸气温度参数和吸气压力参数；在蒸发器风机的回风侧布置蒸发器风机回风温度测点，得到回风温度参数。

所述的冷凝器与蒸发器之间设有膨胀阀。

所述的蒸发器和冷凝器内分别设有蒸发器风机功率仪表和冷凝器风机功率仪表，记录蒸发器风机功率和冷凝器风机功率。

所述的压缩机流量拟合计算是指：利用经过压缩机性能参数拟合的压缩机理论计算公式，将任意频率下的压缩机流量用理论模型转化成关于进出口压力等参数的多项式形式，通过压缩机厂商提供的10系数模型或20系数模型得到一系列数据点，从而将多项式中的系数拟合出来，则可用于计算制冷剂流量。

所述的制冷剂流量为：其中：m为制冷剂流量，C₀～C₃为待拟合系数，为气缸容积，v_i为吸气比容，f_x为压缩机频率，p_o为压缩机排气压力，p_i为压缩机吸气压力。

所述的制冷循环理论是指：根据制冷剂流量和蒸发器出入口的焓值计算得到空调系统的冷媒侧换热量(即理论制冷量)，同理计算出冷凝器换热量，但在特殊情况下需考虑热量损失再计算实际制冷量；由于空调系统的能量守恒，可根据实际制冷量、冷凝器换热量和热量损失计算出压缩机的实际功率，得到空调系统的实时EER。

所述的特殊情况包括但不限于：压缩机布置在蒸发器附近时，压缩机会耗散一部分蒸发器空气侧的冷量。

所述的冷媒侧换热量为：Q_eva＝m×(h₁-h₄)，其中：Q_eva为制冷量，h₁为蒸发器出口的焓值，h₄为蒸发器入口的焓值。

所述的蒸发器出口的焓值h₁可由压缩机吸气温度参数和吸气压力参数得到。

所述的实际制冷量为：Q_real＝Q_eva-Q_loss，其中：Q_loss为热量损失。

所述的热量损失为：其中：h为换热系数，Dia为压缩机外径，L为压缩机长度，R为风机开度(％)，R_bass为测试时风机的基准开度，T_o为压缩机排气温度，T_r为蒸发器回风温度。

所述的冷凝器换热量为：Q_cond＝m×(h₂(p₂,T₂)-h₃(p₂,T₃))，其中：Q_cond为冷凝器换热量，h₂为冷凝器出口的焓值，h₃为冷凝器入口的焓值，p₂为冷凝器出口的压力，T₂为冷凝器液管温度，T₃为冷凝器入口的温度。

所述的压缩机实际功率为：W_real＝W_ceff+Q_loss，其中：W_real为压缩机实际功率，W_ceff为压缩机理论功率，W_ceff＝Q_cond-Q_eva。

所述的能效比为：其中：W_e和W_c为蒸发器风机功率和冷凝器风机功率。

所述的基于风机性能曲线和风机阻力-换热器特征方程计算是指：根据风机厂商提供的风机性能曲线关系式(Pq-Power)可以得到在给定功率下的风机的压降与风量的第一个关系式；结合换热器(冷凝器与蒸发器)空气侧阻力特性方程以及风量与风速的关系，可得到换热器空气侧的压降与风量的第二个关系式；两个关系式联立求解，得到给定风机功率下的风量及压降。

所述的风机性能曲线为：ΔP＝f(q,P)，其中：ΔP为压降，q为风量，P为风机功率。

所述的换热器空气侧阻力特性方程为：其中：g为重力加速度，L、d为换热器固有参数且已知，v为风速。

所述风速与风量的关系为：其中：A为换热器迎风侧面积。

所述的给定风机功率下的风量及压降为：其中：k为所有常数项的乘积，对于该款换热器k为定值。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：制冷剂流量拟合计算模块、两器计算模块以及风机计算模块，其中：制冷剂流量拟合模块与系统监测测点相连并采集压缩机运行参数，包括蒸发温度测点、冷凝温度测点、压缩机频率，并传输系统实时制冷剂流量参数至两器计算模块，两器计算模块根据蒸发器、冷凝器进出口焓差的计算算法相连并传输制冷量、压缩机功率、系统EER，风机计算模块与两器风侧阻力特性及风机性能曲线相连并传输风机实时风量与功率信息。

技术效果

与现有技术相比，本发明设计合理，无需拆卸空调器即可在空调系统运行状态下实时监测空调系统的性能及其他关键参数。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为布置测点示意图；

图3为制冷循环理论示意图；

图中：1为压缩机、2为压缩机排气温度测点、3为压缩机排气压力测点、4为冷凝器、5为冷凝器液管温度测点、6为膨胀阀、7为蒸发器风机回风温度测点、8为蒸发器、9为压缩机吸气温度测点、10为压缩机吸气压力测点、W_e为蒸发器风机功率仪表、W_c为冷凝器风机功率仪表。

具体实施方式

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤1、在运行中的空调系统内布置测点，实时记录测点参数。

如图2所示，所述的布置测点是指：在空调系统的压缩机与冷凝器之间布置压缩机排气温度测点和压缩机排气压力测点，分别得到压缩机的排气温度参数T₀和排气压力参数p₀；在冷凝器液管出布置液管温度测点，得到液管温度参数T₂；在蒸发器与压缩机之间布置压缩机吸气温度测点和压缩机吸气压力测点，分别得到压缩机的吸气温度参数T₁和吸气压力参数p₁；在蒸发器风机的回风侧布置蒸发器风机回风温度测点，得到回风温度参数T_r。

所述的冷凝器与蒸发器之间设有膨胀阀。

所述的蒸发器和冷凝器内分别设有蒸发器风机功率仪表和冷凝器风机功率仪表，记录蒸发器风机功率W_e和冷凝器风机功率W_c。

步骤2、根据步骤1得到的参数通过压缩机流量拟合计算模块进行压缩机流量拟合计算，得到空调系统的制冷剂流量。

所所述的压缩机流量拟合计算是指：利用经过压缩机性能参数拟合的压缩机理论计算公式，将任意频率下的压缩机流量用理论模型转化成关于进出口压力等参数的多项式形式，通过压缩机厂商提供的10系数模型得到一系列数据点，从而将多项式中的系数拟合出来，则可用于计算制冷剂流量。

所述的压缩机为变频压缩机。

所述的制冷剂流量m为：其中：C₀～C₃为待拟合系数，为气缸容积，v_i为吸气比容，f_x为压缩机频率，p_i为压缩机吸气压力。

所述的压缩机进口压力p_i、压缩机出口压力p_o、气缸容积吸气比容v_i和频率f_x已知。

根据压缩机的标准测试实验得出的10系数公式可以得到在不同蒸发温度、冷凝温度和频率下的一系列流量数据，按照上式通过最小二乘法进行拟合，即可得到C₀～C₃。

步骤3、结合制冷循环理论，通过两器计算模块计算得到空调系统的制冷量、冷凝器换热量、压缩机功率和EER(能效比)。

所述的制冷循环理论是指：根据制冷剂流量和蒸发器出入口的焓值计算得到空调系统的冷媒侧换热量(即理论制冷量)，同理计算出冷凝器换热量，但在特殊情况下需考虑热量损失再计算实际制冷量；由于空调系统的能量守恒，可根据实际制冷量、冷凝器换热量和热量损失计算出压缩机的实际功率，得到空调系统的实时EER。

本实施例为特殊情况，即压缩机布置在蒸发器附近，压缩机会耗散一部分蒸发器空气侧的冷量。

所述的冷媒侧换热量Q_eva为：Q_eva＝m×(h₁-h₄)，其中：h₁为蒸发器出口的焓值，h₄为蒸发器入口的焓值。

如图3所示，A点为蒸发器出口，B点为冷凝器入口，C点为冷凝器出口，D点为蒸发器入口，对应的焓值分别为h₁、h₂、h₃和h₄。

根据物性计算公式，利用一点的温度和压力即可计算该点的焓值。而A点与B点的压力p₁、p₂和温度T₁、T₂均已知，可得到A点和B点的焓值h₁、h₂；C点的温度T₃已知，C点的压力与B点相同，D点的焓值h₄与C点相同。

由上式得到的冷媒侧换热量为理论制冷量，还需考虑由蒸发器旁的压缩机与周围的空气换热造成的热量损失，因此对理论制冷量进行修正，得到实际制冷量。

所述的实际制冷量为：Q_real＝Q_eva-Q_loss，其中：Q_loss为热量损失(耗散量)。

所述的热量损失Q_loss为：其中：h为换热系数，d为压缩机外径，L为压缩机长度，R为风机开度(％)，R_bass为测试时风机的基准开度，T_r为蒸发器回风温度。

所述的换热系数h通常为50。

所述的风机开度R由风机仪表直接读出。

所述的冷凝器换热量Q_cond为：Q_cond＝m×(h₂(p₂,T₂)-h₃(p₂,T₃))。

所述的压缩机实际功率可由空调系统的能量守恒进行分析计算。

所述的压缩机实际功率为：W_real＝W_ceff+Q_loss，其中：W_real为压缩机实际功率，W_ceff为压缩机理论功率，W_ceff＝Q_cond-Q_eva。

所述的能效比为：

步骤4、基于风机性能曲线和风机阻力-换热器特征方程通过风机计算模块计算得到室内外机的风量，实现对空调系统性能的在线检测。

所述的基于风机性能曲线和风机阻力-换热器特征方程计算是指：根据风机厂商提供的风机性能曲线关系式(Pq-Power)可以得到在给定功率下的风机的压降与风量的第一个关系式；结合换热器(冷凝器与蒸发器)空气侧阻力特性方程以及风量与风速的关系，可得到换热器空气侧的压降与风量的第二个关系式；两个关系式联立求解，得到给定风机功率下的风量及压降。

所述的风机性能曲线为：ΔP＝f(q,P)，其中：ΔP为压降，q为风量，P为风机功率。

所述的第二个关系式的推导过程如下：空调系统的室内外机的空气侧压降与风速存在二次方关系，而风速与风量存在线性关系，即：其中：g为重力加速度，A为换热器迎风侧面积，L、d为换热器固有(已知)参数，将换热器的测试工况点数据以及风速与风量的关系代入，可得：ΔP＝kq²，其中：k为换热器阻力特性系数，即所有常数项的乘积。

所述的给定风机功率下的风量q及压降ΔP为：在已知风机功率P的情况下，联立方程为二元二次方程，可解得压降与风量的唯一实根。

所述的风机功率P与风机开度R存在线性关系，即：P＝aR+b，其中：a和b为待拟合的系数。

所述的风机开度R与压降ΔP的关系为：ΔP＝f(R)。

所述的风机开度R与风量q的关系为：q＝f(R)。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。