梁尤軒 沈 軍 趙 桓 譚 鋒

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519060）

引言

常規(guī)空氣源熱泵機(jī)組在嚴(yán)寒地區(qū)存在運(yùn)行效率（COP）低和可靠性等問題，限制了熱泵技術(shù)在北方推廣[1，2]。為解決空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的適用性問題[3～5]，研究人員已提出雙級(jí)壓縮增焓等技術(shù)方案，包括一級(jí)節(jié)流和二級(jí)節(jié)流。雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)對(duì)控制提出更高的要求，特別是對(duì)于使用單體雙級(jí)增焓壓縮機(jī)的不完全冷卻系統(tǒng)，中間補(bǔ)氣與一級(jí)壓縮的排氣在壓縮機(jī)內(nèi)部完成混合，由于缺少壓縮機(jī)內(nèi)部溫度檢測(cè)，無法確認(rèn)混合后的過熱度，以致無法判斷補(bǔ)氣是否帶液。

本文以采用二級(jí)節(jié)流帶閃發(fā)器的熱泵多聯(lián)機(jī)作為研究對(duì)象，運(yùn)用低溫啟動(dòng)控制邏輯來解決低溫啟動(dòng)難題，同時(shí)分析了二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)補(bǔ)氣控制的關(guān)鍵技術(shù)，以防止系統(tǒng)出現(xiàn)補(bǔ)氣倒流和帶液?jiǎn)栴}，進(jìn)一步提高低溫?zé)岜枚嗦?lián)機(jī)組可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)原理介紹

本文5匹多聯(lián)機(jī)樣機(jī)采用二級(jí)節(jié)流不完全冷卻雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，如圖1所示：其中外機(jī)采用側(cè)出風(fēng)方式，壓縮機(jī)采用三缸雙級(jí)壓縮變?nèi)莘e比滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)[6]，該雙級(jí)壓縮機(jī)有三缸工作模式和兩缸工作模式，三缸工作模式運(yùn)行時(shí)高壓級(jí)氣缸與低壓級(jí)氣缸的容積比為0.6，兩缸工作模式運(yùn)行時(shí)容積比為1.0；室內(nèi)機(jī)則采用5臺(tái)靜壓風(fēng)管機(jī)（名義制熱量17.5 kW：3臺(tái)2.5 kW和2臺(tái)5.0 kW）。制冷劑采用R410A。

圖1 多聯(lián)機(jī)雙級(jí)增焓系統(tǒng)原理圖

1.1 低溫啟動(dòng)控制邏輯

在室外-25 ℃以下時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)初期（約90 s）壓縮機(jī)吸氣壓力值臨近低壓保護(hù)停機(jī)值，通常采用屏蔽低壓保護(hù)的措施，并且保證低壓在進(jìn)入正常運(yùn)行前高于保護(hù)值，而各部件控制合理與否對(duì)系統(tǒng)低壓側(cè)壓力值產(chǎn)生很大影響。若系統(tǒng)啟動(dòng)控制不合理，啟動(dòng)完成后進(jìn)入正?？刂?，此時(shí)低壓過低會(huì)引發(fā)機(jī)組執(zhí)行低壓降頻，嚴(yán)重時(shí)直接報(bào)低壓保護(hù)停機(jī)故障，導(dǎo)致機(jī)組低溫制熱啟動(dòng)失敗。

低溫制熱啟動(dòng)時(shí)低壓控制涉及多個(gè)部件，如回油閥開啟以及回油毛細(xì)管長(zhǎng)度，室內(nèi)外機(jī)初始電子膨脹閥的開度。在壓縮機(jī)啟動(dòng)達(dá)到初始給定值后，系統(tǒng)建立起一定壓差再打開4-Way。對(duì)于噴氣增焓EXV2控制，在低溫下機(jī)組停機(jī)長(zhǎng)時(shí)間放置后，外機(jī)制冷劑室外側(cè)溫度較低，由于制冷劑遷移閃發(fā)器中存有較多液態(tài)制冷劑。為避免壓縮機(jī)啟動(dòng)后高壓級(jí)吸入液態(tài)制冷劑，常關(guān)閉中壓噴氣管路，待壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后再開啟噴氣管路。

因此，在綜合考慮多方面因素，啟動(dòng)期間屏蔽低壓保護(hù)，機(jī)組的制熱啟動(dòng)控制時(shí)序圖制定如圖2所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案：在室外環(huán)境溫度-35 ℃，室內(nèi)溫度20 ℃進(jìn)行啟動(dòng)驗(yàn)證。

圖2 制熱啟動(dòng)控制時(shí)序圖

1.2 壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣率對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)影響

對(duì)于雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑經(jīng)過一級(jí)節(jié)流后處于氣液混合態(tài)，進(jìn)入閃發(fā)器分離出飽和液態(tài)和飽和氣態(tài)的制冷劑。假設(shè)一級(jí)節(jié)流后的兩相制冷劑在閃發(fā)器中氣液完全分離，在壓縮機(jī)高低壓級(jí)氣缸容積比、低壓級(jí)吸氣狀態(tài)、冷出狀態(tài)一定，當(dāng)系統(tǒng)中間壓力通過一級(jí)節(jié)流電子膨脹閥控制從高向低調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)將經(jīng)歷補(bǔ)氣帶液、正常補(bǔ)氣和倒流三種情況。為便于分析，假設(shè)第一級(jí)節(jié)流后干度為x，并引于壓縮機(jī)中間補(bǔ)氣率ω定義。

式中：

Mg—第一級(jí)節(jié)流后閃發(fā)的飽和氣體質(zhì)量流量，單位為kg/s；

MH—冷凝器制冷劑的質(zhì)量流量，單位為kg/s；

Mb—補(bǔ)氣質(zhì)量流量，單位為kg/s；

ηv,L，ηv,H— 一級(jí)和雙級(jí)壓縮容積效率；

ρs,L，ρs,H—— 一級(jí)和雙級(jí)壓縮吸氣的密度，單位為kg/cm3。

采用一體式雙級(jí)壓縮機(jī)則有：

式中：

λ—高壓與低壓級(jí)容積比。

假定一級(jí)和雙級(jí)壓縮容積效率相等則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為（后面以簡(jiǎn)化式計(jì)算）：

1.3 低壓級(jí)壓縮比與補(bǔ)氣率關(guān)系

假定條件：冷凝溫度40 ℃，低壓0.5 MPa，等熵效率1.0，吸氣過熱度3 ℃，容積比0.4～1.0，計(jì)算不同低壓級(jí)壓縮比的補(bǔ)氣率。

由上述計(jì)算可得到低壓級(jí)壓縮比與補(bǔ)氣率關(guān)系，如圖3所示。相同壓比下，容積比值越高，補(bǔ)氣量相應(yīng)增加；一定的容積比下，隨著壓縮比升高補(bǔ)氣率相應(yīng)升高。通過擬合計(jì)算可得出不同容積比下低壓級(jí)壓縮比與補(bǔ)氣率的關(guān)聯(lián)式如下。按此關(guān)聯(lián)式可以實(shí)現(xiàn)通過低壓級(jí)壓縮比來控制補(bǔ)氣率。

圖3 低壓級(jí)壓縮比與補(bǔ)氣率關(guān)系圖

式中a，b和c系數(shù)與容積比關(guān)系如表1。

表1 a，b和c系數(shù)與容積比關(guān)系表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)控制邏輯驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證低溫下機(jī)組啟動(dòng)可靠性，在室外環(huán)境溫度-35 ℃，室內(nèi)環(huán)境溫度20 ℃的條件下，全開內(nèi)機(jī)設(shè)定30 ℃制熱運(yùn)行。圖4是機(jī)組啟動(dòng)后120 s內(nèi)高壓、中壓和低壓變化曲線圖。在start1階段，即軟啟動(dòng)階段，壓縮機(jī)頻率平緩上升，高低壓建立壓差后四通閥正常換向，低壓由室外環(huán)境所對(duì)應(yīng)的飽和壓力逐漸下降到0.2 MPa，耗時(shí)30 s；進(jìn)入start2階段，即加速升頻階段，壓縮機(jī)升頻速率加快，高壓出現(xiàn)明顯升高，低壓緩慢下降到0.19 MPa，整個(gè)階段基本維持在0.19 MPa。在切入正常運(yùn)行后，低壓雖下降到0.18 MPa，但沒有低于停機(jī)保護(hù)值，且沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖4 室外-35 ℃機(jī)組啟動(dòng)后120 s機(jī)組壓力變化曲線圖

圖5是機(jī)組啟動(dòng)后15 min機(jī)組壓力和壓縮機(jī)功率曲線圖。在壓縮機(jī)頻率達(dá)到較高值時(shí)，為避免過快升頻導(dǎo)致低壓過低而停機(jī)保護(hù)，采取減慢升頻的策略，在第4 min后壓縮機(jī)功率增加明顯減緩。當(dāng)滿足噴氣增焓的條件時(shí)，機(jī)組在第6 min逐步打開補(bǔ)氣閥，中壓開始逐漸下降，并在第10 min后趨于平穩(wěn)；與此同時(shí)，壓縮機(jī)功率平緩升高，低壓僅下降0.01 MPa，沒有出現(xiàn)異常的波動(dòng)。在噴氣增焓控制完成后，機(jī)組進(jìn)入平穩(wěn)控制階段，功率和壓力均沒有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

圖5 室外-35 ℃機(jī)組啟動(dòng)后壓力和壓縮機(jī)功率曲線圖

從實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果來分析，本文提出的低溫啟動(dòng)控制邏輯合理和可靠，有效避免了機(jī)組在低溫啟動(dòng)過程中出現(xiàn)低壓保護(hù)，整個(gè)運(yùn)行過程功率沒有出現(xiàn)較大波動(dòng)，且僅用10 min實(shí)現(xiàn)機(jī)組進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，提高了用戶低溫制熱舒適性。

2.2 補(bǔ)氣倒流和帶液驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證容積比0.6時(shí)所對(duì)應(yīng)的倒流臨界點(diǎn)，室內(nèi)27/19 ℃，全開室內(nèi)機(jī)，外機(jī)分別在室外43 ℃和35 ℃運(yùn)行，壓縮機(jī)以相同頻率三缸模式運(yùn)行（即容積比0.6的狀態(tài)），目標(biāo)吸氣過熱度為3 ℃，由二級(jí)節(jié)流電子膨脹閥控制。補(bǔ)氣倒流控制通過一級(jí)節(jié)流電子膨脹閥，倒流判斷條件：△Tm=補(bǔ)氣溫度-中壓飽和溫度>5。測(cè)試結(jié)果如表2，隨著EXV1開度增大，補(bǔ)氣由倒流轉(zhuǎn)變成正常補(bǔ)氣狀態(tài)，補(bǔ)氣溫度出現(xiàn)明顯下降，且與中間壓力飽和溫度相接近。一級(jí)節(jié)流電子膨脹閥開度與低壓級(jí)壓縮比k關(guān)系如圖6所示，隨著EXV1開度變大，低壓級(jí)壓縮比k逐漸升高；當(dāng)k值大于臨界點(diǎn)kcr后，補(bǔ)氣由倒流過渡到正常補(bǔ)氣狀態(tài)。由此表明，容積比0.6時(shí)，低壓級(jí)臨界壓縮比與容積比的倒數(shù)相近。

表2 一級(jí)電子膨脹閥開度與系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 一級(jí)節(jié)流電子膨脹閥開度與k關(guān)系

圖7表示過冷度與排氣過熱度和閃發(fā)器液位關(guān)系。表明隨著過冷度的增加排氣過熱度逐漸升高，閃發(fā)器液位則呈相反趨勢(shì)逐漸下降。由于液位的升高，部分液態(tài)制冷劑隨氣態(tài)制冷劑進(jìn)入高壓腔壓縮，導(dǎo)致排氣過熱度下降。因此，可以通過排氣過熱度來判斷機(jī)組吸氣是否帶液。

3 結(jié)論

針對(duì)低溫雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流不完全冷卻系統(tǒng)的熱泵多聯(lián)機(jī)啟動(dòng)及運(yùn)行可行性問題，結(jié)合仿真，理論推導(dǎo)以及對(duì)多聯(lián)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）提出一套完整的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)低溫下啟動(dòng)控制邏輯，結(jié)合內(nèi)外機(jī)電子膨脹閥，回油閥和壓縮機(jī)升頻速度等控制，解決了低溫-35 ℃機(jī)組啟動(dòng)后出現(xiàn)低壓保護(hù)難題。

2）針對(duì)雙級(jí)二級(jí)節(jié)流不完全冷卻系統(tǒng)特有的補(bǔ)氣倒流和噴液現(xiàn)象，利用補(bǔ)氣率來對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)氣狀態(tài)分析并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)生倒流時(shí)的低壓級(jí)臨界壓縮比與容積比的倒數(shù)接近。

3）從雙級(jí)壓縮系統(tǒng)可靠性角度，補(bǔ)氣帶液可分為兩種情況，即存在高壓級(jí)吸入飽和氣體的邊界線。為保證補(bǔ)氣不帶液，高壓級(jí)排氣過熱度應(yīng)超過10 ℃。