鄭波 梁祥飛 莊嶸

（珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院 廣東珠海 519070）

1 引言

目前，對提高家用空調(diào)器性能系數(shù)的研究主要集中在部件性能的改進和變頻技術(shù)的應(yīng)用上，而關(guān)于充灌量對空調(diào)器性能影響的節(jié)能研究還比較薄弱。理論分析和實驗證明，充灌量對空調(diào)器性能的影響很大，不同工況都存在著與之對應(yīng)的一個充灌量使系統(tǒng)的制冷量、能效比最佳，稱這一充灌量為最佳充灌量。通常，系統(tǒng)的充灌量是以設(shè)計工況來確定的，而實際的運行工況又往往偏離設(shè)計工況，這樣，即使以設(shè)計工況確定的最佳充灌量對系統(tǒng)進行充灌的空調(diào)器，也不可避免地存在因工況變化產(chǎn)生的充灌量相對增加或減少的問題，從而影響實際運行的能效比及季節(jié)能效比。因此，精確計量在實際工況變化范圍內(nèi)最佳充灌量的變化和性能指標的變化，則是定量分析空調(diào)器性能因工況變化產(chǎn)生的充灌量相對增加或減少而引起下降的必要條件。對于空調(diào)實際工況變化范圍內(nèi)最佳充灌量的變化有多大和這種變化對性能影響的程度如何的研究至今還鮮有報道，因此有必要進行這方面課題的研究。

2 變工況試驗

試驗所選樣機為5kW熱泵型家用空調(diào)器，制冷劑為R22，充灌量為1600g。試驗主要包括額定工況及變工況下的性能測試及充灌量匹配，測試工況如表1所示。其中，工況3為額定工況，另外四個工況為變工況。

表1 測試工況

圖1 制冷變工況下制冷量隨充灌量變化曲線

圖2 制冷變工況下EER隨充灌量變化曲線

圖3 制冷變工況下功率隨充灌量變化曲線

試驗中，首先進行了額定工況及變工況下的性能測試，然后對變工況下的性能進行充灌量匹配，最后再次進行額定工況及變工況下的性能測試。試驗過程中，毛細管長度始終保持不變。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 制冷

圖1和圖2是在變工況下匹配充灌量時的制冷量和EER變化曲線?？梢钥吹剑诿毠荛L度保持不變的情況下，有以下結(jié)論：

(1)室內(nèi)/外工況一定時，隨著充灌量的增加，制冷量和EER都是先增加，后降低，在某一充灌量下出現(xiàn)極大值，且最大制冷量對應(yīng)的充灌量大于最大EER對應(yīng)的充灌量。

這是因為室內(nèi)/外工況一定時，隨著充灌量的增加，蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑與室內(nèi)空氣之間的傳熱溫差減小，使制冷量有減小的趨勢；另一方面，隨著充灌量的增加，吸氣溫度降低，吸氣壓力增加，導(dǎo)致壓縮機吸氣比容減小，制冷劑循環(huán)流量增加，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)增加，總傳熱系數(shù)增加，使制冷量有增加的趨勢；同時，隨著制冷劑充灌量的增加，蒸發(fā)器過熱度降低，總的有效換熱面積是增加的。充灌量較小時，換熱系數(shù)和有效換熱面積的影響占主導(dǎo)地位，隨著充灌量的增加，制冷量增加；而充灌量較大時，制冷劑與空氣之間的傳熱溫差占主導(dǎo)地位，隨著充灌量的增加，傳熱溫差降低，所以制冷量降低。因此，隨著充灌量的增加，制冷量先增加后降低。

從圖3可以看出，隨著充灌量的增加，壓縮機耗功一直是增加的，但增加的速度越來越慢。在低充灌量下，隨著充灌量的增加制冷量增加的速度要快于壓縮機耗功增加的速度，所以能效比是增加的；但是在較高充灌量下，隨著充灌量的增加制冷量緩慢增加，到達某一極值后，制冷量降低，而壓縮機耗功隨著充灌量的增加一直增加，所以能效比降低。從以上分析也可以看出，在制冷量達到最大值之前，EER已經(jīng)達到最大值。

(2)充灌量和室內(nèi)環(huán)境溫度一定時，隨著室外環(huán)境溫度的升高，制冷量和EER都是降低的，最大制冷量和最大EER對應(yīng)的充灌量也都是降低的。

充灌量和室內(nèi)環(huán)境溫度一定時，室外環(huán)境溫度升高，冷凝溫度快速升高，而蒸發(fā)溫度只是略微升高，使得蒸發(fā)器進口制冷劑干度升高，所以蒸發(fā)器進出口比焓差降低。另外，雖然蒸發(fā)溫度略微升高，吸氣比容降低，制冷劑循環(huán)流量增加，但畢竟不占主導(dǎo)地位，所以隨著室外環(huán)境溫度的升高，樣機的制冷量是降低的。由于冷凝溫度升高較多而蒸發(fā)溫度升高較少，所以壓比增加，壓縮機比功增加，而且制冷劑流量也是增加的，所以壓縮機耗功增加，因此EER是降低的。

假定在某一充灌量下，工況1時制冷量達到最佳值，其他條件不變，只有室外環(huán)境溫度升高，此時系統(tǒng)的冷凝溫度迅速升高，制冷量和EER降低，此時要使系統(tǒng)的制冷量和EER向增加的趨勢發(fā)展，一個必要條件是降低冷凝溫度，而系統(tǒng)充灌量降低會使冷凝溫度降低，所以，室外環(huán)境溫度升高時，系統(tǒng)的最大制冷量和最大EER對應(yīng)的充灌量也都是降低的。

(3)充灌量和室外環(huán)境溫度一定時，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，制冷量和EER都是增加的，最大制冷量和最大EER對應(yīng)的充灌量也是增加的。

充灌量和室外環(huán)境溫度一定時，室內(nèi)環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)溫度快速升高，而冷凝溫度只是略微升高，壓比降低，壓縮機比功降低。因為蒸發(fā)溫度升高，吸氣比容降低，所以壓縮機循環(huán)流量增加，流量的增加占主導(dǎo)地位，樣機制冷量增加。壓縮機比功降低，制冷劑流量增加，使得壓縮機耗功基本不變，所以EER增加。

其他條件不變，只有室內(nèi)環(huán)境溫度變化時，蒸發(fā)溫度的變化最大，蒸發(fā)溫度升高時，制冷量和EER都是增加的。所以，當充灌量為室內(nèi)環(huán)境溫度較低時最大制冷量和EER最大值對應(yīng)的充灌量時，室內(nèi)環(huán)境溫度升高時蒸發(fā)溫度升高，制冷量和EER都增加，因此要使系統(tǒng)的制冷量和EER向增加的趨勢發(fā)展，一個必要條件是升高蒸發(fā)溫度，而充灌量增加系統(tǒng)蒸發(fā)溫度會升高，所以室內(nèi)環(huán)境溫度升高時，最大制冷量和最大EER對應(yīng)的充灌量也是增加的。

圖4和圖5是充灌量優(yōu)化之前的額定工況及變工況下制冷量和EER與充灌量優(yōu)化匹配之后的變工況下制冷量和EER的對比情況。需要說明的是，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)是通過對EER變化曲線進行數(shù)據(jù)擬合計算得到的最佳EER值所對應(yīng)的充灌量以及在該充灌量下的制冷量擬合數(shù)據(jù)?？梢钥吹剑涔嗔績?yōu)化匹配之后，其制冷量和EER都有不同程度的提高。

圖4 充灌量優(yōu)化前后制冷量對比情況

圖5 充灌量優(yōu)化前后EER對比情況

圖6 制熱變工況下制熱量隨充灌量變化曲線

3.2 制熱

圖6是在變工況下匹配充灌量時的制熱量的變化曲線。從圖6可以看到，在毛細管長度保持不變的情況下，有以下結(jié)論：

(1)室內(nèi)/外工況保持不變的情況下，隨著充灌量的增加，樣機的制熱量先增大，后減小，在某一充灌量下出現(xiàn)制熱量的極大值。

在工況保持不變時，各參數(shù)隨著充灌量的增加的變化規(guī)律與制冷一樣，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度都是升高的，制冷劑循環(huán)流量也是增加的。在低充灌量下，制冷劑循環(huán)流量的作用占主導(dǎo)地位，在高充灌量下室內(nèi)換熱器制冷劑和空氣之間的傳熱溫差占主導(dǎo)地位，所以隨著充灌量的增加，室內(nèi)機的熱負荷即制熱量隨著充灌量的增加是先增加后降低的。

(2)在室內(nèi)環(huán)境溫度和充灌量保持不變的情況下，隨著室外環(huán)境溫度的升高，樣機達到最大制熱量所需的充灌量逐漸增多，樣機所能達到的最大制熱量逐漸增大。

圖7 制熱變工況下制熱功率隨充灌量變化曲線

制熱工況下，室外環(huán)境溫度升高，蒸發(fā)溫度升高的幅度最大，壓縮機吸氣壓力升高較大，吸氣比容降低，制冷劑循環(huán)流量有較大程度地增加，樣機的制熱量增加。同樣充灌量增加也能使蒸發(fā)溫度升高，所以室外環(huán)境溫度高時樣機制熱量最大對應(yīng)的充灌量也要大一些。

(3)在室外環(huán)境溫度和充灌量保持不變的情況下，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的升高，樣機達到最大制熱量所需的充灌量逐漸減少，樣機所能達到的最大制熱量逐漸減小。

制熱工況下，室內(nèi)環(huán)境溫度升高，冷凝溫度升高的幅度最大，進出口比焓差會越小，而此時由于蒸發(fā)溫度變化不大，吸氣壓力增加較小，吸氣比容變化也較小，制冷劑循環(huán)流量變化較小，所以樣機制熱量會降低。降低系統(tǒng)充灌量能使冷凝溫度降低，所以當室內(nèi)環(huán)境溫度升高時樣機制熱量對應(yīng)的充灌量會小一些。

圖8是充灌量優(yōu)化之前的額定工況及變工況下制熱量與充灌量優(yōu)化匹配之后的變工況下制熱量的對比情況。需要說明的是，優(yōu)化后的數(shù)據(jù)是通過對制熱量變化曲線進行數(shù)據(jù)擬合計算得到的最佳制熱量及對應(yīng)的充灌量?？梢钥吹?，充灌量優(yōu)化匹配之后，其制熱量在各工況下都有不同程度的提高。

圖8 充灌量優(yōu)化前后制熱量對比情況

4 結(jié)論

從前述試驗分析可以得到以下結(jié)論：

(1)無論是制冷還是制熱，變工況下的最佳制冷劑充灌量都隨著工況的改變而改變。優(yōu)化充灌量之后，系統(tǒng)的制冷量/EER以及制熱量都有不同程度的提高。

(2)制冷時，隨著室外溫度的升高，制冷量和EER都降低，對應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也減少；隨著室內(nèi)溫度的升高，制冷量和EER都升高，對應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也增加。

(3)制熱時，隨著室外溫度的升高，制熱量升高，對應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也增加；隨著室內(nèi)溫度的升高，制熱量降低，對應(yīng)的系統(tǒng)最佳制冷劑充灌量也減少。

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