多聯式空調器超低溫制熱可靠性研究

舒宏，張威，周月飛

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

空調器低溫制熱啟動時間長是影響壓縮機可靠性的重要因素，根據一般轉子壓縮機規格書要求，壓縮機運行期間缺油時間不能超過3 min，啟動期間壓縮機內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的溫變特性和開機階段室內的溫變規律，但并未分析壓縮機中制冷劑對可靠性的影響；李茹[3]對冬季空調房間空調開關機過程研究得到了空調啟停時間的較好組合方式；MyoSun Kim[4]等對教室斷續供暖的研究證明按預設時間運行能實現較好PMV 值；李彥儒[5]等研究空調器啟動期間室內溫度的變化規律，結果顯示接近指數關系；席戰利[6]等分析了采用啟動出風溫度變化速度等指標對空調器制冷及制熱速度進行評價；Kim[7]等對開停機期間空調器的參數動態變化特性進行了分析研究，找到了其規律；Tanka[8]等開展了開機制熱過程的制冷劑的分布測試。

以上參考文獻主要針對空調器開機啟動前后制冷劑在系統不同部件中的質量分布進行的研究，但其形成機理并未深入研討，而李元旦[9]等分析了土壤源熱泵系統啟動所需時間與工況的關系，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，對空調器啟動制熱緩慢的可靠性影響及其原因機理的分析上不足。因此本文針對低溫下R410A制冷劑機組長時間停機后重新啟動制熱時間長機理進行研究，同時提出降低其對可靠性的影響方法。

1 理論分析

冬季室內的蒸發器和室外的冷凝器溫差可達40 ℃以上，如室內溫度在20 ℃室外溫度在-20 ℃時，溫差則為40 ℃，此時熱泵空調器由于溫度導致的制冷劑遷移將使大部分制冷劑以液態形式存于室外機側，而室內側則由于溫度較高以過熱氣態形式存在，其制冷劑量較少。當機組長時間放置后重新啟動時制冷劑將重新進行分布，從啟動到穩定的動態運行期間不產生制熱能力，壓縮機內部潤滑油被稀釋產品可靠性差，其持續的時間取決于室內側空調器內制冷劑是否產生了冷凝相變，壓縮機吸氣量若偏小則需要的時間更長。

根據GB/T 18837-2015[10]中的能力曲線和負荷曲線的規律，熱泵型房間空調器在制熱狀態下，以外環境溫度5 ℃左右為分界點，高于5 ℃環境溫度時存在空調器開停斷續運行。但實際上，北方地區，超低溫下，由于建筑室內環境保溫效果較好和人員的開停原因，機組也存在斷續運行現象，壓縮機受到的斷續開停可靠性風險大。

2 試驗樣品和方法

采用一套R410a制冷劑定頻多聯式房間空調器，裝配示意圖見圖1，室外機標稱制冷量為28 kW，室內機為5*5.6 kW，其制冷劑系統充注量按照其出廠默認進行充注10.5 kg，配管長度按照分別按照5 m、45 m、85 m、125 m四種長度進行對比研究，5根分歧管到室內機的配管長度均為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，分歧管到室內機部分處于室內側環境，分歧管到室外機部分處于室外側環境，表1為樣品基本參數。

實驗設備和實驗方法采用GB/T 17758-2010[11]附錄A進行。測試工況按照室內側20 ℃，室外側-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃三種工況進行測試對比，機組特性參數如表1，采用同一樣品進行驗證，測試項目如表2。實驗時：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 %）。

試驗步驟如下：

1）將空調器在表2的5 m配管長度和對應實驗工況下安裝后開啟全部室內機最高風擋運行，待機組運行穩后關機放置12 h，期間不斷電。

2）放置完成后將機組開啟室內機全開最高風擋運行，直至穩定后停止。每5 s記錄一組高壓壓力、低壓壓力、空調室內出風溫度和冷凝器中部溫度等參數。

3）按照表2重復以上試驗步驟。

3 試驗結果及分析

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

表2 測試項目表

圖2 室外環境溫度-15 ℃下啟動時參數

圖2為配管長度為5 m、室外-15 ℃、室內20 ℃的工況機組關機放置后開啟制熱時機組系統參數的變化規律。圖中可見，壓縮機運行至13 min時機組低壓壓力和吸氣過熱度即進入穩定階段，此時壓縮機吸氣過熱度為0 ℃，同時高壓壓力對應的飽和溫度為30.4 ℃，蒸發器中制冷劑已能夠冷凝釋放熱量并在室內側產生制熱效果，因此定義從壓縮機開啟到吸氣過熱度達到0 ℃的時間為空調系統的預熱時間。

當空調系統高壓壓力高于室內環境溫度時其制冷劑可通過相變換熱釋放熱量產生制熱能力，對應到圖2中，在第8 min時高壓壓力對應的飽和溫度21.9 ℃超過了室內環境溫度20 ℃，根據預熱時間定義，機組啟動至壓縮機吸氣過熱度達到0 ℃時為預熱時間，共計13 min。在這13 min當中，前8 min為啟動時制冷劑從低壓的冷凝器迅速氣化沸騰，呈兩相狀態進入氣液分離器和壓縮機，在壓縮機中被低溫的壓縮機殼體和潤滑油冷凝下來存于壓縮機腔體中，因此高壓腔體壓縮機中潤滑油被液態制冷劑稀釋，壓縮機中潤滑油和制冷劑混合液的液位快速上升，直至達到排氣口。8～13 min期間，由于高壓側的室內蒸發器能夠冷凝，壓縮機中制冷劑不再冷凝而在蒸發，因此液位下降直至穩定，此期間壓縮機潤滑油被稀釋，壓縮機在此被稀釋的潤滑油中運轉，可靠性受到了影響。

另一方面，冷凝器的低壓側，由于在低溫放置后啟動1 min左右冷凝器中迅速氣化沸騰，經過1 min后氣化完全，且無室內的液態制冷劑補充（啟動前室內機因制冷劑遷移無液態制冷劑），因此從圖2中可見，冷凝器中低壓壓力迅速降低到對應飽和溫度-39 ℃以下，氣分表面及其附件管路表面迅速結霜，視液鏡結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霜對比圖

以啟動第4 min時的數據分析，放置后因制冷劑遷移制冷劑大部分以液態形式處于室外側，室內側氣態制冷劑較少。機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致相同轉速下壓縮吸氣量有限，加熱速率有限，預熱時間較長，可靠性差。4 min時制冷劑的循環狀態為圖4，其中1-2為制冷劑的壓縮和冷凝；2-3為排氣經過配管氣管到達室內蒸發器的冷凝；3-4為制冷劑在室內機蒸發器中的蒸發及過熱；4-5為氣態制冷劑經膨脹閥和液管的節流；5-1為氣態制冷劑在室外冷凝器中加熱。該過程為動態過程，降低該過程能夠提高壓縮機可靠性，直至循環狀態為完整的逆卡諾循環。

3.2 啟動時長與室外溫度的關系

按照以上兩點的分析，本文同步驗證了標準室外機配管（5 m）時在室外環境溫度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，環境溫度越低預熱時間越長。主要原因在于室外環境溫度越低，此時除壓縮機本體和管路需要進行預加熱外，系統中的制冷劑預熱時間加長，預熱的熱量來源于壓縮電機線圈的發熱和由蒸發側來的少量過熱氣體，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，不足以加熱系統高壓側的大量液態制冷劑，導致環境溫度越低其所需的預熱時間則越長。對于定頻機組，由于轉速固定，低環境溫度下壓比受限，壓縮機吸氣比容大制冷劑循環量不足，此時機組高壓無法達到室內側冷凝溫度20 ℃產生制熱能力，因此其啟動時存在一個機無法達到制熱效果的室外環境溫度，需要降低室外機管路、機組配管和壓縮機散熱才能夠盡量降低該溫度點，避免極端可靠性風險。

3.3 啟動時長和配管長度的關系

多聯式空調器室外機配管根據安裝地點條件需要進行配管長度的選擇，因此研究在相同的室內機配管長度下，室外機配管長度與機組啟動特性的關系如圖6，顯示了在相同的室外側和室內側工況狀態下啟動時長與其配管長度的關系。

圖4 啟動第4 min的空調系統循環圖

圖5 啟動預熱時間與室外環境溫度的關系

圖6 在相同的室外側和室內側工況下啟動時長特性與配管長度的關系

圖6顯示，在相同的室內外側工況下，隨著配管長度的增加，機組預熱所需時間顯著增加，原因有三點：①隨著配管長度增加樣品推薦的制冷劑追加量增加，預熱過程中需要對這部分的制冷劑進行預熱，預熱時間增加；②追加制冷劑后配管長度增加，而制熱狀態下高壓側管路為氣管，其管路溫度較低也導致了需要更多的時間進行預熱；③管長增加后，機組管路壓力損失較大，該損失主要在于液管，氣體在經管徑較小的液管回到冷凝器時產生了較大的節流效果，進一步降低了壓縮機吸氣量和制冷劑循環量。在本次試驗中室外環境溫度-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，制冷劑循環量更少，預熱時間更長。本次測試中，在室外側工況-30 ℃狀態下，按照室外機最長配管長度125 m安裝時機組的預熱時間達3 h以上，低溫、長配管共同作用導致了該問題，壓縮機在稀釋的潤滑油中運行長達3 h，壓縮機可靠性無法得到保障。

4 優化建議

除環境溫度無法更改外，其余條件可以在產品設計和安裝上進行優化，從產品設計角度上說，在產品管路中增加更大的閥以避免制冷劑遷移和采用變頻變容壓縮機是可行的措施，另外，針對低溫下配管液管中因氣態氣體的流動導致系統流量少而增加預熱期間電子膨脹閥開度來加快預熱也是一個方法。從安裝角度說，室外機與室內機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，管路過長時采用內徑更大的液管配管也能有效解決該問題，提升可靠性。

5 結論

1）室內外環境溫度的差異導致了制冷劑遷移，進而制熱啟動時間長可靠性差。根本原因則是預熱期間室內蒸發器中制冷劑未得到有效冷凝導致系統節流前后制冷劑均為氣態而非液態，氣態制冷劑節流導致系統制冷劑環量大幅減少，預熱時間過長，壓縮機中潤滑油長時間被稀釋，導致壓縮機內部無法建立有效潤滑，直接影響壓縮機壽命，可靠性差。

2）室外環境溫度越低則啟動預熱時間越長，主要原因為越低的環境下啟動低壓越低，導致吸氣比容越大，預熱時間越長，可靠性越差。預熱時間與機組配管長度呈正相關關系，配管越長所需的預熱時間越長，可靠性越差。

3）改變機組設計來避免制冷劑遷移以及提高壓縮機單位時間的吸氣量是從產品設計上的方法，從安裝上減少室內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熱時間，提高可靠性。