多聯(lián)式空調(diào)器超低溫制熱可靠性研究

舒宏，張威，周月飛

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

空調(diào)器低溫制熱啟動時間長是影響壓縮機(jī)可靠性的重要因素，根據(jù)一般轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)規(guī)格書要求，壓縮機(jī)運(yùn)行期間缺油時間不能超過3 min，啟動期間壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑油被稀釋潤滑效果差，需控制啟動低溫下啟動時間[1]，王夢偉[2]等研究了板房冬夏兩季室內(nèi)的溫變特性和開機(jī)階段室內(nèi)的溫變規(guī)律，但并未分析壓縮機(jī)中制冷劑對可靠性的影響；李茹[3]對冬季空調(diào)房間空調(diào)開關(guān)機(jī)過程研究得到了空調(diào)啟停時間的較好組合方式；MyoSun Kim[4]等對教室斷續(xù)供暖的研究證明按預(yù)設(shè)時間運(yùn)行能實(shí)現(xiàn)較好PMV 值；李彥儒[5]等研究空調(diào)器啟動期間室內(nèi)溫度的變化規(guī)律，結(jié)果顯示接近指數(shù)關(guān)系；席戰(zhàn)利[6]等分析了采用啟動出風(fēng)溫度變化速度等指標(biāo)對空調(diào)器制冷及制熱速度進(jìn)行評價；Kim[7]等對開停機(jī)期間空調(diào)器的參數(shù)動態(tài)變化特性進(jìn)行了分析研究，找到了其規(guī)律；Tanka[8]等開展了開機(jī)制熱過程的制冷劑的分布測試。

以上參考文獻(xiàn)主要針對空調(diào)器開機(jī)啟動前后制冷劑在系統(tǒng)不同部件中的質(zhì)量分布進(jìn)行的研究，但其形成機(jī)理并未深入研討，而李元旦[9]等分析了土壤源熱泵系統(tǒng)啟動所需時間與工況的關(guān)系，但缺乏具體的原因分析和可靠性的研究。所以，低溫特別是超低溫下，對空調(diào)器啟動制熱緩慢的可靠性影響及其原因機(jī)理的分析上不足。因此本文針對低溫下R410A制冷劑機(jī)組長時間停機(jī)后重新啟動制熱時間長機(jī)理進(jìn)行研究，同時提出降低其對可靠性的影響方法。

1 理論分析

冬季室內(nèi)的蒸發(fā)器和室外的冷凝器溫差可達(dá)40 ℃以上，如室內(nèi)溫度在20 ℃室外溫度在-20 ℃時，溫差則為40 ℃，此時熱泵空調(diào)器由于溫度導(dǎo)致的制冷劑遷移將使大部分制冷劑以液態(tài)形式存于室外機(jī)側(cè)，而室內(nèi)側(cè)則由于溫度較高以過熱氣態(tài)形式存在，其制冷劑量較少。當(dāng)機(jī)組長時間放置后重新啟動時制冷劑將重新進(jìn)行分布，從啟動到穩(wěn)定的動態(tài)運(yùn)行期間不產(chǎn)生制熱能力，壓縮機(jī)內(nèi)部潤滑油被稀釋產(chǎn)品可靠性差，其持續(xù)的時間取決于室內(nèi)側(cè)空調(diào)器內(nèi)制冷劑是否產(chǎn)生了冷凝相變，壓縮機(jī)吸氣量若偏小則需要的時間更長。

根據(jù)GB/T 18837-2015[10]中的能力曲線和負(fù)荷曲線的規(guī)律，熱泵型房間空調(diào)器在制熱狀態(tài)下，以外環(huán)境溫度5 ℃左右為分界點(diǎn)，高于5 ℃環(huán)境溫度時存在空調(diào)器開停斷續(xù)運(yùn)行。但實(shí)際上，北方地區(qū)，超低溫下，由于建筑室內(nèi)環(huán)境保溫效果較好和人員的開停原因，機(jī)組也存在斷續(xù)運(yùn)行現(xiàn)象，壓縮機(jī)受到的斷續(xù)開?？煽啃燥L(fēng)險大。

2 試驗(yàn)樣品和方法

采用一套R410a制冷劑定頻多聯(lián)式房間空調(diào)器，裝配示意圖見圖1，室外機(jī)標(biāo)稱制冷量為28 kW，室內(nèi)機(jī)為5*5.6 kW，其制冷劑系統(tǒng)充注量按照其出廠默認(rèn)進(jìn)行充注10.5 kg，配管長度按照分別按照5 m、45 m、85 m、125 m四種長度進(jìn)行對比研究，5根分歧管到室內(nèi)機(jī)的配管長度均為5 m，四種配管長度下按照廠家推薦共追加制冷劑0.82 kg、2.98 kg、5.14 kg和7.3 kg，總制冷劑質(zhì)量分別為11.32 kg、13.48 kg、15.64 kg和17.8 kg。安裝時將分歧管保溫后置于墻體中，其與墻體換熱可忽略不記，分歧管到室內(nèi)機(jī)部分處于室內(nèi)側(cè)環(huán)境，分歧管到室外機(jī)部分處于室外側(cè)環(huán)境，表1為樣品基本參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法采用GB/T 17758-2010[11]附錄A進(jìn)行。測試工況按照室內(nèi)側(cè)20 ℃，室外側(cè)-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃三種工況進(jìn)行測試對比，機(jī)組特性參數(shù)如表1，采用同一樣品進(jìn)行驗(yàn)證，測試項(xiàng)目如表2。實(shí)驗(yàn)時：壓力傳感器采用瑞士科勒PAA-23SY（允許誤差±0.5 %）；溫度傳感器采用T型銅—康銅熱電偶（允許誤差±0.5 ℃）；功率采用橫河WT230（允許誤差為±0.5 %）。

試驗(yàn)步驟如下：

1）將空調(diào)器在表2的5 m配管長度和對應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況下安裝后開啟全部室內(nèi)機(jī)最高風(fēng)擋運(yùn)行，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)后關(guān)機(jī)放置12 h，期間不斷電。

2）放置完成后將機(jī)組開啟室內(nèi)機(jī)全開最高風(fēng)擋運(yùn)行，直至穩(wěn)定后停止。每5 s記錄一組高壓壓力、低壓壓力、空調(diào)室內(nèi)出風(fēng)溫度和冷凝器中部溫度等參數(shù)。

3）按照表2重復(fù)以上試驗(yàn)步驟。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 啟動特性的分析

圖1 5 m配管長度示意圖

表1 樣品基本特性參數(shù)

表2 測試項(xiàng)目表

圖2 室外環(huán)境溫度-15 ℃下啟動時參數(shù)

圖2為配管長度為5 m、室外-15 ℃、室內(nèi)20 ℃的工況機(jī)組關(guān)機(jī)放置后開啟制熱時機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)的變化規(guī)律。圖中可見，壓縮機(jī)運(yùn)行至13 min時機(jī)組低壓壓力和吸氣過熱度即進(jìn)入穩(wěn)定階段，此時壓縮機(jī)吸氣過熱度為0 ℃，同時高壓壓力對應(yīng)的飽和溫度為30.4 ℃，蒸發(fā)器中制冷劑已能夠冷凝釋放熱量并在室內(nèi)側(cè)產(chǎn)生制熱效果，因此定義從壓縮機(jī)開啟到吸氣過熱度達(dá)到0 ℃的時間為空調(diào)系統(tǒng)的預(yù)熱時間。

當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)高壓壓力高于室內(nèi)環(huán)境溫度時其制冷劑可通過相變換熱釋放熱量產(chǎn)生制熱能力，對應(yīng)到圖2中，在第8 min時高壓壓力對應(yīng)的飽和溫度21.9 ℃超過了室內(nèi)環(huán)境溫度20 ℃，根據(jù)預(yù)熱時間定義，機(jī)組啟動至壓縮機(jī)吸氣過熱度達(dá)到0 ℃時為預(yù)熱時間，共計(jì)13 min。在這13 min當(dāng)中，前8 min為啟動時制冷劑從低壓的冷凝器迅速氣化沸騰，呈兩相狀態(tài)進(jìn)入氣液分離器和壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)中被低溫的壓縮機(jī)殼體和潤滑油冷凝下來存于壓縮機(jī)腔體中，因此高壓腔體壓縮機(jī)中潤滑油被液態(tài)制冷劑稀釋，壓縮機(jī)中潤滑油和制冷劑混合液的液位快速上升，直至達(dá)到排氣口。8～13 min期間，由于高壓側(cè)的室內(nèi)蒸發(fā)器能夠冷凝，壓縮機(jī)中制冷劑不再冷凝而在蒸發(fā)，因此液位下降直至穩(wěn)定，此期間壓縮機(jī)潤滑油被稀釋，壓縮機(jī)在此被稀釋的潤滑油中運(yùn)轉(zhuǎn)，可靠性受到了影響。

另一方面，冷凝器的低壓側(cè)，由于在低溫放置后啟動1 min左右冷凝器中迅速氣化沸騰，經(jīng)過1 min后氣化完全，且無室內(nèi)的液態(tài)制冷劑補(bǔ)充（啟動前室內(nèi)機(jī)因制冷劑遷移無液態(tài)制冷劑），因此從圖2中可見，冷凝器中低壓壓力迅速降低到對應(yīng)飽和溫度-39 ℃以下，氣分表面及其附件管路表面迅速結(jié)霜，視液鏡結(jié)霜之前和之后對比如圖3。

圖3 -15 ℃時放置啟動前后氣液分離器外置視液管外表面結(jié)霜對比圖

以啟動第4 min時的數(shù)據(jù)分析，放置后因制冷劑遷移制冷劑大部分以液態(tài)形式處于室外側(cè)，室內(nèi)側(cè)氣態(tài)制冷劑較少。機(jī)組重新開啟時制冷劑將重新分配，但由于低壓壓力過低吸氣比容過大導(dǎo)致相同轉(zhuǎn)速下壓縮吸氣量有限，加熱速率有限，預(yù)熱時間較長，可靠性差。4 min時制冷劑的循環(huán)狀態(tài)為圖4，其中1-2為制冷劑的壓縮和冷凝；2-3為排氣經(jīng)過配管氣管到達(dá)室內(nèi)蒸發(fā)器的冷凝；3-4為制冷劑在室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器中的蒸發(fā)及過熱；4-5為氣態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥和液管的節(jié)流；5-1為氣態(tài)制冷劑在室外冷凝器中加熱。該過程為動態(tài)過程，降低該過程能夠提高壓縮機(jī)可靠性，直至循環(huán)狀態(tài)為完整的逆卡諾循環(huán)。

3.2 啟動時長與室外溫度的關(guān)系

按照以上兩點(diǎn)的分析，本文同步驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)室外機(jī)配管（5 m）時在室外環(huán)境溫度0 ℃和-30 ℃時的工況下的特性并形成如圖5的曲線。

從圖5中可知，環(huán)境溫度越低預(yù)熱時間越長。主要原因在于室外環(huán)境溫度越低，此時除壓縮機(jī)本體和管路需要進(jìn)行預(yù)加熱外，系統(tǒng)中的制冷劑預(yù)熱時間加長，預(yù)熱的熱量來源于壓縮電機(jī)線圈的發(fā)熱和由蒸發(fā)側(cè)來的少量過熱氣體，高過熱的低壓制冷劑比容較大，壓縮排氣出來的高溫高壓氣體較少，不足以加熱系統(tǒng)高壓側(cè)的大量液態(tài)制冷劑，導(dǎo)致環(huán)境溫度越低其所需的預(yù)熱時間則越長。對于定頻機(jī)組，由于轉(zhuǎn)速固定，低環(huán)境溫度下壓比受限，壓縮機(jī)吸氣比容大制冷劑循環(huán)量不足，此時機(jī)組高壓無法達(dá)到室內(nèi)側(cè)冷凝溫度20 ℃產(chǎn)生制熱能力，因此其啟動時存在一個機(jī)無法達(dá)到制熱效果的室外環(huán)境溫度，需要降低室外機(jī)管路、機(jī)組配管和壓縮機(jī)散熱才能夠盡量降低該溫度點(diǎn)，避免極端可靠性風(fēng)險。

3.3 啟動時長和配管長度的關(guān)系

多聯(lián)式空調(diào)器室外機(jī)配管根據(jù)安裝地點(diǎn)條件需要進(jìn)行配管長度的選擇，因此研究在相同的室內(nèi)機(jī)配管長度下，室外機(jī)配管長度與機(jī)組啟動特性的關(guān)系如圖6，顯示了在相同的室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)工況狀態(tài)下啟動時長與其配管長度的關(guān)系。

圖4 啟動第4 min的空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)圖

圖5 啟動預(yù)熱時間與室外環(huán)境溫度的關(guān)系

圖6 在相同的室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)工況下啟動時長特性與配管長度的關(guān)系

圖6顯示，在相同的室內(nèi)外側(cè)工況下，隨著配管長度的增加，機(jī)組預(yù)熱所需時間顯著增加，原因有三點(diǎn)：①隨著配管長度增加樣品推薦的制冷劑追加量增加，預(yù)熱過程中需要對這部分的制冷劑進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間增加；②追加制冷劑后配管長度增加，而制熱狀態(tài)下高壓側(cè)管路為氣管，其管路溫度較低也導(dǎo)致了需要更多的時間進(jìn)行預(yù)熱；③管長增加后，機(jī)組管路壓力損失較大，該損失主要在于液管，氣體在經(jīng)管徑較小的液管回到冷凝器時產(chǎn)生了較大的節(jié)流效果，進(jìn)一步降低了壓縮機(jī)吸氣量和制冷劑循環(huán)量。在本次試驗(yàn)中室外環(huán)境溫度-15 ℃室外配管長度為125 m時，該配管液管入口與出口之間的壓降為0.109 MPa，因此吸氣比容大幅增加，制冷劑循環(huán)量更少，預(yù)熱時間更長。本次測試中，在室外側(cè)工況-30 ℃狀態(tài)下，按照室外機(jī)最長配管長度125 m安裝時機(jī)組的預(yù)熱時間達(dá)3 h以上，低溫、長配管共同作用導(dǎo)致了該問題，壓縮機(jī)在稀釋的潤滑油中運(yùn)行長達(dá)3 h，壓縮機(jī)可靠性無法得到保障。

4 優(yōu)化建議

除環(huán)境溫度無法更改外，其余條件可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和安裝上進(jìn)行優(yōu)化，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度上說，在產(chǎn)品管路中增加更大的閥以避免制冷劑遷移和采用變頻變?nèi)輭嚎s機(jī)是可行的措施，另外，針對低溫下配管液管中因氣態(tài)氣體的流動導(dǎo)致系統(tǒng)流量少而增加預(yù)熱期間電子膨脹閥開度來加快預(yù)熱也是一個方法。從安裝角度說，室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)之間的配管越短越好，因此，有效地改變安裝條件是一個措施，同時為避免管路壓力損失過大，管路過長時采用內(nèi)徑更大的液管配管也能有效解決該問題，提升可靠性。

5 結(jié)論

1）室內(nèi)外環(huán)境溫度的差異導(dǎo)致了制冷劑遷移，進(jìn)而制熱啟動時間長可靠性差。根本原因則是預(yù)熱期間室內(nèi)蒸發(fā)器中制冷劑未得到有效冷凝導(dǎo)致系統(tǒng)節(jié)流前后制冷劑均為氣態(tài)而非液態(tài)，氣態(tài)制冷劑節(jié)流導(dǎo)致系統(tǒng)制冷劑環(huán)量大幅減少，預(yù)熱時間過長，壓縮機(jī)中潤滑油長時間被稀釋，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部無法建立有效潤滑，直接影響壓縮機(jī)壽命，可靠性差。

2）室外環(huán)境溫度越低則啟動預(yù)熱時間越長，主要原因?yàn)樵降偷沫h(huán)境下啟動低壓越低，導(dǎo)致吸氣比容越大，預(yù)熱時間越長，可靠性越差。預(yù)熱時間與機(jī)組配管長度呈正相關(guān)關(guān)系，配管越長所需的預(yù)熱時間越長，可靠性越差。

3）改變機(jī)組設(shè)計(jì)來避免制冷劑遷移以及提高壓縮機(jī)單位時間的吸氣量是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的方法，從安裝上減少室內(nèi)外之間配管的長度和更改配管中液管大小的方式能有效的降低預(yù)熱時間，提高可靠性。