楊玉生 沈 軍 胡 強(qiáng)

（1.珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院 珠海 519000；2.珠海格力國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心 珠海 519000）

引言

近年，由于冬季呈現(xiàn)越來越冷的趨勢，最低氣溫記錄不斷刷新，冬季供暖問題帶來嚴(yán)峻的考驗(yàn)。當(dāng)前全球在低溫寒冷地區(qū)供暖方式主要還是以化石燃料為主，現(xiàn)各地區(qū)都有類似的能源清潔計(jì)劃、能效升級等類似政策，老式的采暖設(shè)備勢必被逐步替代，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源行業(yè)的增長，空氣源低溫?zé)岜玫氖袌鰸摿艽?，因此國?nèi)外各大空調(diào)品牌都相繼推出超低溫?zé)嵯盗卸嗦?lián)機(jī)，如格力多聯(lián)機(jī)制熱下限已達(dá)到-35 ℃，再次改寫空氣源熱泵空調(diào)的生命禁區(qū)。眾所周知，由于低溫環(huán)境下，常規(guī)空調(diào)已經(jīng)無法開機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，只有采用低溫選型設(shè)計(jì)的多聯(lián)機(jī)才能正常開機(jī)使用，而低溫下，由于空氣中熱量隨著氣溫降低，蒸發(fā)溫度降低，冷媒密度減少，冷媒循環(huán)量降低，制熱量逐漸下降，能效逐漸變差。除了能效問題，低溫多聯(lián)機(jī)還存在啟動可靠性問題。

而商業(yè)場所使用的多聯(lián)機(jī)一般都是一個大容量的多聯(lián)機(jī)及或者多個小容量機(jī)組的并聯(lián)組合使用，安裝比家用空調(diào)更加復(fù)雜，可靠性要求更加高。而低溫環(huán)境下，多聯(lián)機(jī)在低溫環(huán)境中長時間靜置后或者化霜結(jié)束后等制熱啟動則會出現(xiàn)制熱失效的問題，即開機(jī)后長時間沒有制熱效果，更嚴(yán)重者會在一直吹冷風(fēng)，這種現(xiàn)象會隨著環(huán)境溫度的下降會顯得更加突出。

是什么原因?qū)е鲁霈F(xiàn)制熱失效的現(xiàn)象呢？有什么思路去解決改善這一問題？本文通過從理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證找出這根本原因和影響因素，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果提供改善思路。

1 失效分析

1.1 機(jī)組內(nèi)部冷媒遷移分析

冬天由于多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各處的溫度和壓力不同，尤其寒冷冬季室外機(jī)的溫度與室內(nèi)機(jī)的溫差可達(dá)（30～50）℃，停機(jī)狀態(tài)，由于存在壓力差，內(nèi)機(jī)側(cè)的冷媒逐漸遷移至室外側(cè)系統(tǒng)。發(fā)生遷移的制冷劑質(zhì)量取決于壓力和溫度，當(dāng)壓差增加，制冷劑遷移量增加；通過設(shè)置壓縮機(jī)油溫電加熱器可以有效防止冷媒遷移，但需要耗費(fèi)一定的電能，且系統(tǒng)其他容器類部件也會大量積存液態(tài)冷媒，無法完全避免冷媒遷移。

如圖1所示，在外環(huán)-30 ℃，內(nèi)環(huán)20 ℃的條件下經(jīng)過長時間靜置，室內(nèi)機(jī)冷媒基本處于過熱氣態(tài)，而外側(cè)冷媒則處于液態(tài)過冷狀態(tài)，壓縮機(jī)、冷凝器、汽液分離器、連接管等由于存在大量的空間，因此是冷媒遷移的主要場所。由于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)管路較長，主管基本能達(dá)到100 m以上，冷媒量也隨著管長加長而增加，因此外機(jī)冷凝器和汽液分離器可能存在滿液狀態(tài)。

圖1 靜置后冷媒在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中分布

1.2 R410A系統(tǒng)低溫循環(huán)理論分析

目前多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)普遍采用R410A冷媒，一個外機(jī)通過分歧管同時連接多臺室內(nèi)機(jī)，各臺室內(nèi)機(jī)相互之間并聯(lián)，系統(tǒng)通過與環(huán)境形成溫度差發(fā)生相變過程到熱量交換的目的。制熱過程：低溫低壓液態(tài)冷媒在蒸發(fā)器中吸收空氣中的熱量形成低溫低壓氣體，經(jīng)過汽液分離器回到壓縮機(jī)，再經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，再經(jīng)長連接管到達(dá)室內(nèi)機(jī)進(jìn)行放熱冷凝成高溫高壓液態(tài)，再經(jīng)管路回流至外機(jī)主制熱節(jié)流閥，節(jié)流成低溫低壓液態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換，形成完整的制熱循環(huán)。

取冷凝溫度比內(nèi)環(huán)高5 ℃，蒸發(fā)溫度比外環(huán)低5 ℃，過冷度為5 ℃，吸氣過熱度為1 ℃的運(yùn)行條件下，制定相同內(nèi)環(huán)30 ℃，外環(huán)在5 ℃、-10 ℃、-30 ℃的冷媒循環(huán)的壓焓圖，如圖2所示。

圖2 R410冷媒在不同蒸發(fā)溫度的循環(huán)壓焓圖

如表1所示，根據(jù)冷媒特性，而隨著環(huán)境溫度的下降，蒸發(fā)側(cè)單位質(zhì)量流量的焓差越小，且蒸發(fā)器出口的比容越大，吸氣密度越小，低溫下相同吸氣容積下，相同壓縮機(jī)頻率下，蒸發(fā)器吸熱量衰減嚴(yán)重，其中-35 ℃的蒸發(fā)吸熱量為0 ℃蒸發(fā)溫度下吸熱量的1/3，因此機(jī)組在低溫環(huán)境中的衰減越發(fā)嚴(yán)重，如果需要增加制熱量，則需要通過提高壓縮機(jī)頻率，增加壓縮機(jī)氣缸容積等方式提高質(zhì)量流量，從而減少低溫制熱量的衰減。

表1 -35 ℃冷凝溫度下不同蒸發(fā)溫度下參數(shù)

由于低溫機(jī)組在超低溫環(huán)境下長時間靜置，冷媒已遷移至氣分和冷凝器中，為防止壓縮機(jī)的回液造成液擊和保證回油的可靠性，都需要進(jìn)行短時間預(yù)熱，此時系統(tǒng)頻率將會受到限制，這無疑給制熱啟動帶來更加困難。而積存的大量液態(tài)冷媒通過自然閃蒸則需要長時間消耗，從而系統(tǒng)高低壓無法快速建立，機(jī)組啟動后長時間無熱量吹出，甚至出現(xiàn)吹冷風(fēng)的現(xiàn)象。因此，冷媒的低溫特性也決定制熱啟動失效過程的重要原因之一。

1.3 多聯(lián)機(jī)低溫靜置制熱啟動過程分析

如圖3、圖4所示采用一臺28 kw容量的機(jī)組搭配6臺風(fēng)管內(nèi)機(jī)測試外環(huán)-28 ℃，內(nèi)環(huán)20 ℃下經(jīng)過長時間低溫靜置后的啟動，對各階段制熱啟動過程進(jìn)行分析。以高出內(nèi)環(huán)5 ℃出風(fēng)溫度為標(biāo)準(zhǔn)，記錄開機(jī)后出風(fēng)溫度達(dá)到25 ℃所耗時長。分別測試單開和全開（外環(huán)-28 ℃，內(nèi)環(huán)20 ℃）靜置24 h啟動的數(shù)據(jù)。

圖3 低環(huán)溫?zé)岜枚嗦?lián)機(jī)樣機(jī)管路連接圖

圖4 啟動運(yùn)行曲線

從以上測試情況可見，無論單開或者全開機(jī)組都會頻繁出現(xiàn)升降頻，單開一臺內(nèi)機(jī)時運(yùn)行50 min高壓無法建立，此時高壓飽和溫度4.5 ℃，而全開滿負(fù)荷時則49 min則高壓達(dá)到25 ℃。相同的運(yùn)行參數(shù)下，通過對比啟動曲線可見，機(jī)組全開時，機(jī)組系統(tǒng)低壓會不斷提升，即使出現(xiàn)限降頻，頻率都是上升趨勢，反觀單開內(nèi)機(jī)運(yùn)行，機(jī)組低壓無法提升，機(jī)組頻率長時間維持低頻階段，因此相同時間內(nèi)，全開平均運(yùn)行頻率比單開運(yùn)行頻率高，吸氣量大，因此高低壓建立比單開快，可以加速系統(tǒng)冷媒循環(huán)。

選擇其中一組靜置啟動的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找機(jī)組低壓過低出現(xiàn)頻繁升降頻的原因。從圖5數(shù)據(jù)上分析，此次制熱啟動過程明顯存在3個過程（啟動（0～10）min，（10～38）min，38 min以后）。

圖5 單開內(nèi)機(jī)靜置啟動各階段參數(shù)采集表

啟動前：從上圖H區(qū)和系統(tǒng)高低壓判斷內(nèi)機(jī)冷媒狀態(tài)為過熱氣體，不存在液態(tài)冷媒，內(nèi)機(jī)側(cè)的液態(tài)冷媒量可忽略不計(jì)；因此機(jī)組冷媒存在液管、氣管、氣分、冷凝器中。

第一階段（10 min內(nèi)）：從上圖C、F、H、L區(qū)分析，由氣分進(jìn)出管、液管進(jìn)管溫度、冷出溫度都基本接近，可判斷此時冷媒是可流動的，因此系統(tǒng)能通過環(huán)境溫度換熱，系統(tǒng)低壓較高，未出現(xiàn)限降頻。由J區(qū)判斷，因氣管存在大量的液態(tài)冷媒，高壓高溫氣態(tài)冷媒直接在氣管冷凝，氣管的冷媒量不斷增加；而此時內(nèi)機(jī)側(cè)無液態(tài)冷媒存在，隨著冷凝器、液管中的液態(tài)冷媒量不斷蒸發(fā)，低壓側(cè)的冷媒量不斷減少，低壓降低，開始頻繁出現(xiàn)限降頻。因此此時，第一階段系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量主要消耗的是液管和冷凝器中的液態(tài)冷媒。

第二階段（（10～38）min）：在上一階段，冷凝器和液管液態(tài)冷媒慢慢被抽空，從I區(qū)數(shù)據(jù)分析，內(nèi)機(jī)側(cè)冷媒開始與低壓導(dǎo)通，高壓長聯(lián)管氣管處的冷媒開始往內(nèi)側(cè)移動，此時因高壓較低，而內(nèi)側(cè)環(huán)境溫度高，高壓氣管的液態(tài)冷媒沿途蒸發(fā)吸熱成過熱氣體，過熱的氣體經(jīng)液管在室外放熱，在液管冷凝。此過程的冷媒來源主要是高壓氣管中和氣分中液態(tài)冷媒的蒸發(fā)，因蒸發(fā)量少，因此系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量小，因此此階段機(jī)組會頻繁限降頻；此階段熱量主要消耗在高壓氣管中液態(tài)冷媒的蒸發(fā)。隨著高壓氣管液態(tài)冷媒的減少，壓機(jī)高壓出來的氣體開始往內(nèi)側(cè)移動，內(nèi)機(jī)過熱度逐漸建立。

第三階段（38 min以后）：從內(nèi)機(jī)氣管過熱度和內(nèi)機(jī)過冷度同時判斷，長聯(lián)氣管中已無液態(tài)冷媒，高壓高溫氣體在內(nèi)機(jī)處冷凝放熱成液體，系統(tǒng)循環(huán)量開始變大，從E區(qū)可判斷液態(tài)冷媒經(jīng)外機(jī)冷凝器不斷與環(huán)境換熱（外環(huán)是主要熱源）系統(tǒng)循環(huán)加劇，出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時高壓上升較快，出風(fēng)溫度上升明顯，從20 ℃升至25 ℃只需3 min。

從啟動數(shù)據(jù)看，在內(nèi)環(huán)溫度高，外環(huán)溫度低的條件下長時間靜置，冷媒都會在外側(cè)堆積，由于系統(tǒng)部件是相通的，冷媒會隨機(jī)進(jìn)行遷移。而氣管的總體積相對于其他部件而言，可容納的冷

媒量更多，因此更容易積液，造成冷媒大量堆積，制熱啟動后必然需要經(jīng)歷消耗氣管液態(tài)冷媒的過程。

2 實(shí)驗(yàn)對比分析

通過實(shí)驗(yàn)對比測試，以啟動后高壓達(dá)到25 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，確定靜置啟動后恢復(fù)制熱效果所需時間T的影響因素。

式中：

T—靜置啟動后恢復(fù)制熱效果所需時間；

W—室外環(huán)境溫度；

L—連管長度；

P—內(nèi)機(jī)開啟臺數(shù)；

G—冷媒灌注量。

2.1 啟動時長與外環(huán)、內(nèi)機(jī)、連管長度的關(guān)系

內(nèi)環(huán)保持一致，通過調(diào)整外環(huán)溫度（-28～ -15）℃，靜置時間和啟動運(yùn)行參數(shù)相同，對比不同外環(huán)下，高壓達(dá)到25 ℃所需要的時間，結(jié)果如圖6。

圖6 機(jī)組在不同條件下啟動過程所需時間

從圖6數(shù)據(jù)曲線上看，可得出以下結(jié)論：

1）內(nèi)機(jī)容量、連管長度相同的條件下，外環(huán)溫度越高，所需時間越短。外環(huán)溫度越高，機(jī)組運(yùn)行時系統(tǒng)蒸發(fā)側(cè)低壓越高，吸氣比容越小，吸氣量越大，機(jī)組冷媒循環(huán)量大，機(jī)組升降頻次數(shù)減少，機(jī)組運(yùn)行頻率較高，有利于提高機(jī)組制熱啟動效率。相反，外環(huán)溫度越低，機(jī)組運(yùn)行時系統(tǒng)蒸發(fā)側(cè)低壓越低，吸氣比容越大，吸氣量越小，機(jī)組冷媒循環(huán)量少，機(jī)組升降頻次數(shù)增加，機(jī)組運(yùn)行頻率較低，降低了機(jī)組制熱啟動效率。

2）內(nèi)機(jī)開啟臺數(shù)、外環(huán)溫度相同的條件下，連管長度越長，所需時間越長。內(nèi)外機(jī)連接管長度越長，氣管和液管的體積越大。尤其氣管管徑較大，氣管的體積比冷凝器和液管、氣分的體積更大，冷媒更容易堆積在氣管中。啟動時，氣管的液態(tài)冷媒越多，損耗的熱量越大，高低壓越難以建立，制熱啟動所需要的時間越長。

3）連管長度、外環(huán)溫度相同的條件下，內(nèi)機(jī)臺數(shù)越多，所需時間越短。開啟內(nèi)機(jī)容量越大或者內(nèi)機(jī)臺數(shù)越多，冷媒流動的通道越多，阻力越少，氣管的液態(tài)冷媒更容易向內(nèi)側(cè)流動；且內(nèi)機(jī)臺數(shù)多，目標(biāo)頻率也越大，機(jī)組冷媒循環(huán)量越大，消耗氣管液態(tài)冷媒所需時間越短，因此制熱啟動所需要的時間越長。

根據(jù)以上測試結(jié)果可確定啟動時間T與外環(huán)溫度W、內(nèi)機(jī)臺數(shù)P、連管長度L的關(guān)系如下：

2.2 啟動時長與冷媒量的關(guān)系

保持連管長度不變，系統(tǒng)原冷媒量19.3 kg、分別按2 kg、4 kg、6 kg冷媒量追加，對比不同冷媒量下，啟動時間與冷媒量的關(guān)系，結(jié)果如圖7。

圖7 機(jī)組在不同冷媒量條件下啟動過程所需時間

由上圖數(shù)據(jù)可知，追加冷媒后，制熱效果得到明顯提升，追加6 kg時，較未追加前時間縮短18 min。因?yàn)闄C(jī)組冷媒量增加，系統(tǒng)低壓會相應(yīng)提高，機(jī)組的升降頻次數(shù)減少，啟動運(yùn)行的平均頻率比較高，冷媒循環(huán)量增大，系統(tǒng)高低壓更易建立。

根據(jù)以上測試結(jié)果可確定啟動時間T與冷媒量G的關(guān)系如下：

3 結(jié)論

本文主要冷空氣源熱泵多聯(lián)機(jī)在超低溫環(huán)境下長時間待機(jī)后再次制熱啟動過程出現(xiàn)制熱失效問題進(jìn)行分析，從理論和實(shí)驗(yàn)過程研究方面進(jìn)行闡述失效的原因，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如何改善啟動失效問題，通過對比驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

1）冷媒遷移是造成機(jī)組啟動失效的根本原因，而啟動過程壓縮機(jī)頻繁降頻則引起制熱功能長時間失效；

2）可以通過調(diào)整冷媒灌注量、液管管徑、連接管等減少制熱失效時間，達(dá)到快速制熱的目的；

3）壓縮機(jī)底部和汽液分離器等部件底部可考慮電加熱帶等方式減少冷媒在此部件堆積；

4）啟動階段可通過制冷排液的方式將冷凝器中冷媒排出系統(tǒng)，加速冷凝器中冷媒消耗。