制热工况下燃气发动机驱动的多联机系统中多执行器的交互效应与负荷导向调度

《International Journal of Refrigeration》：Interaction effects and load-oriented scheduling of multiple actuators in a gas engine-driven VRF system under heating condition

　　

## 摘要

本研究调查了燃气发动机驱动变制冷剂流量系统中液喷冷却膨胀阀（LICV）、热气旁通膨胀阀（HGBV）与发动机转速之间的相互作用，旨在提升供暖性能及一次能源效率。在实际供暖应用的低负荷工况下，三个执行器之间协调不足往往会导致系统效率显著下降。本研究采用Box-Behnken响应面法，以LICV开度、HGBV开度和发动机转速为自变量，室内机供暖能力（Qtotal）和一次能源比（PER）为响应变量，建立了相应的模型。结果表明，HGBV开度对Qtotal和PER的影响最为显著，其次是LICV开度，而发动机转速的影响最小。三个变量中任何一个的增量增加均会恶化PER；然而，较高的发动机转速可以缓解旁通操作所带来的效率损失。LICV与HGBV的协同调节会引起PER的协同性下降。基于拟合得到的响应面，开发了一种面向负荷的稳态执行器调度方法。在测试的供暖工况和执行器范围内，该方法在五个验证案例中重现目标室内机供暖能力的相对误差均低于5%。需要注意的是，当前的实验验证仅在特定工况下进行，在实际推广之前，仍需在更广泛的运行工况下进行进一步验证。

## 引言

不断增长的能源需求和环境关切促使人们对低碳供暖技术愈发关注。天然气常被视为一种过渡燃料，因为其产生的碳排放低于煤炭和石油，并可在向可再生能源系统过渡期间提供稳定的能源供应。预测表明，中国天然气产量和消费量预计将在2035年前持续增长（Wang等，2025）。在国际上，天然气在建筑供暖和工业供暖等领域得到广泛应用。在德国，天然气仍在建筑供暖中占据较大比例，表明其在当前供暖领域的重要性持续存在（Altermatt等，2023）。同时，由于可再生能源的并网，全球电力系统面临峰值负荷压力，而燃气发动机驱动热泵机组（GEHPs）能够适应建筑的供暖和制冷需求，且无需额外电力，使其成为电热泵的有效补充（Pawela和Jaszczur，2022）。

在热泵系统运行期间，旁通回路对系统性能有显著影响。液喷冷却技术将膨胀装置上游的低温高压液态制冷剂旁通至压缩机吸气入口，可显著降低排气温度（Zhang等，2016）。此外，该技术也可应用于除霜场景，对室内温度波动的影响较小（Mashhadian等，2022）。关于旁通配置，Min等（Min等，2019）评估了两种方法：向压缩腔喷射制冷剂与旁通至吸气入口，发现前者导致的能效退化更低且可靠性更高。此外，Min（Min等，2018）通过数值模拟验证了该技术在VRF多联系统中降低排气温度和提高可靠性的有效性。因此，该旁通配置兼具排气温度调节和辅助除霜的双重功能，从而确保系统稳定运行。此外，热气旁通技术将制冷剂从压缩机排出口引至吸气口。该旁通回路可有效加快升温速率（Zhang等，2025），尽管以牺牲供暖能力为代价（Wang等，2012）。随着旁通比的增加，压比和排气温度均下降，使系统能够在较低的蒸发温度下可靠运行（Li和Yu，2019）。然而，旁通管路也会引入一定的负面影响。此外，Shah等（Liu等，2023）发现润滑油滞留显著受制冷剂质量流量、管路几何形状和润滑油黏度的影响。在除霜应用方面，一项研究对整个除霜周期内的旁通除霜和供暖性能进行了全面评估（Bi等，2021）。然而，尽管上述研究将液喷冷却技术视为独立的保护措施，并阐明了热气旁通技术在容量调节和可靠性保护方面的作用，但两者之间的相互作用仍未得到充分探索。

对于GEHP系统，发动机转速的变化对系统性能影响显著。可采用PID控制实现快速稳定的转速调节（Dong等，2016）。研究表明，发动机转速对系统性能的影响大于环境温度，是决定能效的关键变量。因此，在满足负荷需求的前提下，应尽可能以较低的转速运行发动机，以获得更高的PER（Liu等，2018；Liu等，2017；Wang等，2018）。Pawela（Pawela和Jaszczur，2025）进一步指出，发动机长期低负荷运行会导致能效大幅下降，需要使用分段控制策略来避免此问题。Zhang Wei（Zhang等，2019）系统揭示了发动机转速、负荷、水温和环境温度对GEHP性能的影响，强调提高转速并不总能获得最优性能。值得注意的是，在低负荷工况下也存在最优能效模式：Wang Lijun（Wang等，2022）基于室外温度和部分负荷率建立了二次COP拟合模型，发现GEHP在45%~60%的部分负荷范围内可实现最优能效。总之，发动机转速是负荷调节的关键变量；然而，其与热泵系统中旁通技术的相互作用尚未得到明确阐明。

VRF系统的性能优化和能耗特性受到了广泛关注。在办公楼中，VRF系统的冷却能耗显著低于变风量系统（Yu等，2016）。然而，传统VRF系统在进行冷却运行时除湿效率较低，温湿度控制精度较差。为解决这一问题，Liu Shurong（Liu等，2024）提出了一种新型双蒸发温度热回收VRF系统，实现了高效冷却与深度除湿的协同。在能耗预测方面，Zhou Xiaojie（Zhou等，2024）基于现场测量数据建立了多元线性回归模型，表明VRF能耗主要由室外温度和室内机运行时间决定。更重要的是，虚拟传感器技术和大数据分析揭示，住宅VRF系统普遍存在选型过大和长期低负荷运行问题，这是其能效低下的核心原因（Mom等，2025；Liu等，2022）。针对这一问题，Radchenko（Radchenko等，2023）提出了一种基于负荷分段的变频压缩机容量匹配设计理论，为合理的容量确定提供了设计方法。VRF系统既可由电动压缩机驱动，也可由燃气发动机驱动的开口式压缩机驱动。两者之间的根本区别在于动力来源。Togashi（Togashi，2017）开发了一种燃气发动机驱动的VRF系统模型，能够准确模拟结霜动态过程，并对商用多联机燃气热泵系统进行能耗评估。Pawela引入了可连接多达20台室内机的能力及相关控制策略（Pawela和Jaszczur，2022）。Cao Hongfang（Cao等，2022）通过工程案例，对燃气发动机驱动的VRF系统实施了集中控制改造，实现了能耗的显著降低。然而，对于电动驱动和燃气发动机驱动的VRF系统，关于室外机运行性能和运行过程的研究均较为有限。

在性能预测和多目标优化方法方面，响应面法已被广泛应用于热泵系统的研究。Wu Zhaofan（Wu等，2025）采用中心复合设计获得了分级热泵干燥过程的Pareto最优解集。Cao Xiaoya（Cao等，2023）使用响应面法分析了环境温度、壁温与相对湿度对霜层厚度的影响。Meshginnezhad（Meshginnezhad等，2025）将响应面法与各种进化算法相结合，对不可逆电热热泵进行了?分析和热经济学优化。Dezhdar（Dezhdar等，2024）在太阳能丰富的地区对住宅混合可再生能源系统进行了TRNSYS动态模拟和响应面分析，实现了年发电量的最大化和生命周期成本的最小化。这些研究为热泵系统中参数相互作用效应的分析和多目标优化提供了成熟的方法论，也可推广至旁通技术的参数匹配和性能评估。

现有大量研究将热泵系统中的各个执行器孤立地进行了研究，包括发动机转速控制、HGBV开度和LICV开度。例如，Pawela（Pawela和Jaszczur，2025）指出发动机长期低负荷运行会导致能效显著下降，但未研究低负荷条件下旁通的影响。Min等（Min等，2019）对比了旁通与喷射循环，但未进一步探讨两种旁通回路的组合效应。尽管液喷冷却和热气旁通技术各有优势，但在实际应用中热泵系统经常处于低负荷工况。在这种情况下，不仅需要较低的发动机转速，还必须同时调节LICV和HGBV，以确保系统稳定运行。目前，对LICV、HGBV和发动机转速之间相互作用的理解尚不深入，特别是在低负荷工况下，缺乏定量调节依据，基于此类相互作用的协调运行策略则更为罕见，从而限制了PER的提升。为解决这一问题，本文引入了响应面法。基于实验数据，建立了液喷冷却、热气旁通和发动机转速对Qtotal和PER的双重响应面模型，揭示了三个因素的主效应和交互效应。此外，还阐明了液喷与旁通、液喷与转速以及旁通与转速之间相互作用影响PER和Qtotal的机制，从而支持了面向负荷的协同参数调度方法的开发。

## 实验装置

实验装置包括两个主要子系统：热泵循环和集成控制架构。热泵循环包括压缩热泵系统和燃气发动机系统。实验系统的室外机和室内机分别如图1（a）和（b）所示。

图2展示了系统原理图。压缩机由燃气发动机驱动。在供暖运行过程中，制冷剂被压缩，在室内机中冷凝，经电子膨胀阀节流……

## 典型运行点的初步比较

首先，在典型运行条件下考察了发动机转速、HGBV开度和LICV开度对PER和室内供暖负荷的单独影响。每个数据点代表在20分钟内连续测量获得的稳态运行数据，条件为其中一个自变量变化而另外两个保持恒定。

**（1）发动机转速的影响**

在LICV开度固定为30%、HGBV开度为35%的条件下，发动机……

## 结论

本研究定量分析了LICV开度、HGBV开度和发动机转速对Qtotal和PER的影响及其在供暖条件下的相互作用，并提出了一种与负荷前馈机制相结合的运行策略。

单变量分析表明，提高发动机转速可增加Qtotal，但略微降低PER。相反，增加HGBV和LICV的开度会同时降低Qtotal和PER。利用BBD进行交互分析，……

## CRediT作者贡献声明

Fengguo Liu：写作——审阅与编辑。Xinjie Li：写作——原稿撰写。Mengchuang Jin：项目管理。Guofang Wang：资源。Shiyang Wang：监督指导。Zhenwei Zhang：资源。

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