空调制冷系统的仿真和优化初探

作者：李根正

来源：《科技视界》 2014年第18期

李根正

（广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）

【摘 要】传统的空调设计方法大多采用样机的试制来进行，为了设计出满足性能要求的空调制冷系统，需要投入大量的人力和物力。而仿真软件的发展使得空调制冷系统的仿真成为可能，设计员通过仿真可以在产品生产之前及时发现问题，及时调整和优化设计，从而降低空调生产的人力、物力等成本。本研究综述了空调制冷方面的内容。

【关键词】空调制冷系统；仿真；优化

随着经济的快速发展，微电子和计算机技术发展迅速，很多微电子和计算机软件被应用到空调制冷系统的模拟和优化中。目前全球的制冷行业面临的共同问题是CFC的替代以及制冷设计方法的更新，这就使得许多国家在制冷系统方面的研究转向系统的仿真模拟、设计的优化等领域。空调是人们生活中使用比较广泛的设备，给人们的生活带来了很多方便，所以说对空调的研究是非常必要的，也是具有重大意义的。

1 国内外的研究进展

空调是人们生活中非常常见的，给人们的生活创造了非常舒适的环境，并且空调在很多国家都得到了比较广泛地应用。特别是在科技发达的今天，空调制作技术已经是一个非常成熟的技术，各个国家的空调技术发展都比较快。而对于空调制冷系统的研究更多，技术工作者通过对制冷系统的研究，并且依据科学的分析数据建立了数学模型，而且运用计算机模拟仿真、最优化技术来进行制冷系统性能测定，逐渐地提高制冷系统的性能。

很多国家都比较重视空调制冷系统的研究，特别是挪威，已经将空调制冷系统的研究作为一个重要的研究课题，而且还有很多国家，比如德国、日本、丹麦、美国等，都加大对制冷系统的研究，可以说空调制冷系统的研究研究进入了新时期。

2 空调制冷系统简介

空调的制冷系统有以下部分组成，它包含了压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等部分，同时还包含了一些辅助制冷系统。每一个部分都发挥着比较关键的作用，比如说压缩机的作用主要是将蒸发器中的制冷剂吸入，然后再排入到冷凝中，起到了制冷剂的输送作用；冷凝器的作用主要是将制冷剂冷凝成液体。而空调制冷的具体原理是各制冷系统中元件的综合作用，这几个制冷部分通过连接形成一个封闭系统，在这个封闭的系统中压缩机将蒸发器所产生的低温低压制冷剂蒸气吸入汽缸内，然后通过一系列的作用将汽缸内的高压制冷制蒸气排到冷凝器中，在冷凝器的作用下，制冷剂变成液态，再通过膨胀阀的作用进入蒸发器，在蒸发器内制冷剂汽化，这整个过程实现了制冷效果[1]。

3 空调制冷系统仿真研究

3.1 空调制冷系统的分析

空调相关技术不断地成熟，这也就决定了空调的广泛应用，空调的用途很广，比如说汽车空调、火车空调，但是并不是所有人都了解空调是如何制冷的，笔者针对汽车空调和火车空调对空调制冷系统作了介绍：首先是汽车空调制冷系统，它由制冷压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、阻力减震元件以及其它辅助设备，还有保温层组成。整个系统中每一个部分都是非常重要的，比如说制冷压缩机的的作用主要是将蒸发器中的制冷剂吸入，然后再排入到冷凝中，起到了制冷剂的输送作用，而且汽车的压缩机的动力来自于汽车的发动机，所以汽车的速度会影响制冷压缩机的工作效率，汽车空调的压缩机采用的是斜盘开启式。另外，系统中的冷凝器的工作情况也是在不断变化的，同样受到汽车速度的影响。总的来说，汽车空调的制冷过程其实是一个复杂的热质交换和传递过程；其次是火车空调制冷系统，列车空调制冷系统包含了压缩机、冷凝器、冷凝风机、气液分离器、干燥过滤器、膨胀阀、风机、蒸发器和空气预热器等部分，这些部分共同组成了制冷系统，列车空调制冷是各制冷系统中元件的综合作用的结果[2]。

3.2 空调制冷系统仿真模型的建立

建立空调制冷系统仿真模型是研究空调制冷系统的重要手段，而空调制冷系统模型建立包含以下方面的内容，即压缩机建模、蒸发器建模、冷凝器建模、热力膨胀阀开度系数的确定、仿真输入参数等。传统的制冷系统仿真研究中，基本不考虑热力参数的变化问题，也不考虑非稳态效应以及参数的分布特点。而现行的制冷系统仿真研究过程中，建立了更能反映系统运行的实际情况的模型，而且所有模型的建立都是考虑了各种因素之后进行的，比如说系统型式、模型复杂度以及模型准确度等，主要采取的是动态仿真，而动态仿真能够更好地了解系统动态分布参数，还可以优化系统匹配。另外，在制冷系统的仿真模型建立过程中，要借助一些比较智能的软件，比如说Flowmaster软件，利用这种软件可以迅速地、有效地建立精细的模型，还可以进行比较完备的分析，这些智能软件的利用使得空调制冷系统的研究更加的顺利。

4 空调制冷系统性能优化的研究

空调制冷系统的研究目标是实现制冷系统性能的最优化，而实现制冷系统最优化就是要依靠一些适宜的方法，来研究空调制冷系统的动态特性，最终要达到制冷系统各部件之间匹配良好以及系统性能热力经济最优化，系统性能最优化是对空调制冷系统研究的最终目标。

4.1 制冷系统设计最优化

要想实现空调制冷系统性能最优化，就要从制冷系统设计方面入手，要做到制冷系统设计最优化，在传统的制冷系统设计中有一些需要遵循的设计原则，但是随着社会和经济地不断发展，材料在不断地更新、系统的结构也在发生着变化，因此传统的一些设计原则已经不能满足当下制冷系统的发展，所以慢慢地衍生出新的设计原则和方法，比如说系统仿真就是一种衍生出的、比较有效的制冷系统设计研究方法。这种方法的优势在于可以减少研究的盲目性。

制冷系统设计优化是整个制冷系统优化的第一阶段，需要建立一个动态的仿真模型，然后从技术和经济角度出发，去预测整个制冷系统的性能，检验系统结构参数和运行参数是否匹配，可以说实现了两个参数的最优匹配就实现了制冷系统的最优设计。而且在制冷系统最优设计过

程中，不仅要注意实现两个参数（结构参数和运行参数）的匹配，还要实现空调的节能节材[3]。

4.2 制冷系统控制最优化

要实现空调制冷系统性能的最优化，不仅要从设计最优化入手，而且要实现制冷系统控制的最优化。而制冷系统控制优化主要涉及的内容有优化变量选取以及约束条件的确定，制冷系统控制很大程度地影响着制冷系统的有效性和实用性。优化变量选取主要说的是压缩机、冷凝器、蒸发器等部分的结构状态参数和一些相关的特性值，而制冷系统的约束条件确定是一个极

为严密的过程，需要通过计算制冷剂侧热力及阻力、空气侧热力及阻力等来确定约束条件。更重要的是约束条件确定必须根据空调制冷系统的实际工作情况进行[3]。

总之，要实现空调制冷系统性能最优化，就要实现制冷系统设计以及制冷系统控制最优化。同时从这两个方面着手，一定可以逐渐地实现空调制冷系统性能最优化。

5 结语

空调是现代人们生活的必须品，特别是在全球变暖的今天，人们的生活环境发生了很大变化，特别是夏季的酷热给人们造成了很大的困扰，而空调的应用，帮助人们度过炎热的夏天。所以说加强对空调制冷系统的研究具有重要的意义，而制冷系统仿真研究和制冷系统最优化设计是空调制冷系统研究中的重要手段，在仿真模型的建立过程中还要依靠一些智能的软件。

【参考文献】

［1］郑贤德．制冷原理与装置[M].北京：机械工业出版社，2011：119-128．

［2］廖云飞.斜板式变排量压缩机及其汽车空调制冷系统特性研究[D].清华大学2011：15-17．

［3］吴集迎.制冷装置优化设计方法讨论[J].集美大学学报：自然科学版， 2010（04）:23-25．

［责任编辑：许丽］