空調(diào)制熱量的優(yōu)化策略探析

趙亮，鄭婉君

（1.珠海格力電器股份有限公司；2.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090）

空調(diào)的制熱量是評價空調(diào)性能的重要指標(biāo)，空調(diào)在低溫工況下制熱，系統(tǒng)工作壓力降低，制熱量會出現(xiàn)一定程度的衰減，尤其是在濕度較大、室外機(jī)結(jié)霜的情況下，制熱量的衰減更為嚴(yán)重。制熱量的衰減會嚴(yán)重影響空調(diào)使用的舒適性，在寒冷地區(qū)，制熱量不足是空調(diào)采暖的重要影響因素。噴焓技術(shù)、雙級壓縮技術(shù)是應(yīng)用于空調(diào)的新技術(shù)，目的都是用于提高低溫制熱量。本文從空調(diào)設(shè)計(jì)的各影響因素進(jìn)行分析，提出一些提高空調(diào)制熱量的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

1 風(fēng)量對空調(diào)制熱量的影響

空調(diào)的風(fēng)機(jī)包含室內(nèi)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)機(jī)和室外機(jī)風(fēng)機(jī)。對室內(nèi)風(fēng)機(jī)而言，無論是制冷還是制熱，室內(nèi)機(jī)風(fēng)量越大，換熱量越大。在制冷模式下，室內(nèi)風(fēng)量越大，制冷量越高，但是出風(fēng)溫度和室內(nèi)機(jī)噪音也會相應(yīng)升高，影響空調(diào)使用的舒適性。在制熱模式下，室內(nèi)風(fēng)量越大，制熱量越高，但是，制熱量的提高也不是線性的，當(dāng)風(fēng)量提高到一定程度后，隨著風(fēng)量的提高，制熱量的增長會變得非常緩慢，這時也會伴隨著出風(fēng)溫度的降低和噪音變大等一系列問題。所以，室內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量并非越大越好。在制熱量滿足的情況下，制熱模式下可以降低室內(nèi)的送風(fēng)量，因?yàn)榻档退惋L(fēng)量后，系統(tǒng)高壓變高，在節(jié)流相同的情況下，會有更多的液態(tài)冷媒被高壓差帶入低壓側(cè)，從而提高蒸發(fā)壓力和低壓側(cè)的冷媒量。這樣就能避免壓縮機(jī)吸氣量不足造成的制熱量過低。適當(dāng)降低室內(nèi)送風(fēng)量是提高制熱工作壓力、提高系統(tǒng)制熱運(yùn)行穩(wěn)定性的一種方法。

對室外風(fēng)機(jī)而言，同樣的無論是制冷還是制熱，室內(nèi)機(jī)風(fēng)量越大，換熱量越大。在制冷模式下，室外風(fēng)量越大，對冷凝器散熱越有利，冷媒的過冷度越大，這樣不僅可以有效提高機(jī)組的制冷量，而且可以有效地優(yōu)化液流噪音，提高舒適性。對制熱而言，室外機(jī)風(fēng)量的提高，可以使冷凝器中的低壓液態(tài)冷媒更快更完全地蒸發(fā)，保證壓縮機(jī)的吸氣量，同時提高低壓側(cè)壓力，有效避免冷凝器結(jié)霜，有效地提高系統(tǒng)的制熱量。同時，增大冷凝器表面的風(fēng)速，水分不易在冷凝器表面停留和凝結(jié)，不利于霜層的形成，可以有效地避免室外機(jī)結(jié)霜。不結(jié)霜就可以避免機(jī)組制熱量的衰減。

2 低壓控制對空調(diào)制熱量的影響

對于空調(diào)制熱而言，系統(tǒng)工作的高壓是制熱量大小的直接影響因素。系統(tǒng)工作高壓越高，意味著室內(nèi)側(cè)管溫和環(huán)溫的溫差越大，在同樣風(fēng)量的情況下，制熱量也越大。系統(tǒng)的低壓也是制熱量影響的非常重要的因素。適當(dāng)?shù)靥岣呦到y(tǒng)工作低壓對提高機(jī)組的制熱量也是有好處的。在名義制熱工況下，由于系統(tǒng)壓力過低，有些機(jī)組會出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)輕微的結(jié)霜，會極大地降低室外換熱器的性能，一方面，風(fēng)阻變大；另一方面，換熱受到影響，霜層會越積越厚直至堵死換熱器，此時，室外側(cè)基本無換熱，大量的液態(tài)冷媒在換熱器中無法蒸發(fā)，堆積在汽分中，減小了系統(tǒng)的冷媒循環(huán)量。結(jié)霜對于機(jī)組制熱性能來說是致命性的，結(jié)霜后機(jī)組的制熱性能會有極大的衰減，一般衰減量會達(dá)到20%以上。適當(dāng)提高系統(tǒng)的低壓，使系統(tǒng)低壓側(cè)冷媒飽和溫度維持在-2℃以上，可以有效地避免室外機(jī)結(jié)霜，從而維持機(jī)組的制熱量不衰減。

提高機(jī)組低壓的方法有很多，包含壓縮機(jī)的控制、節(jié)流元件的控制、旁通的控制等。首先，是壓縮機(jī)的控制，壓縮機(jī)排量大，頻率高一方面是有益的，因?yàn)榭梢灾苯犹岣呖照{(diào)的制熱量，但是，過高的排量。過高的頻率會造成吸氣量供應(yīng)不足，造成低壓的下降。低壓的下降就意味著結(jié)霜風(fēng)險的提高，所以需要控制壓縮機(jī)排量及頻率在合適的范圍內(nèi)，不能過低，這樣會造成制熱量不足，也不能過高，這樣會造成低壓過低結(jié)霜，壓縮機(jī)的頻率要根據(jù)各種工況進(jìn)行匹配，并在必要的時候進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。其次，是節(jié)流元件的控制，節(jié)流元件用于控制系統(tǒng)冷媒流量。節(jié)流孔徑越小，冷媒流通量也越小，高低壓差越大，雖然初期制熱量高，但是，由于低壓偏低增加了結(jié)霜風(fēng)險，所以隨著時間的推移，后期制熱量可能會減小。節(jié)流孔徑越大，雖然能夠提高低壓壓力，并增加壓縮機(jī)的吸氣量，但是，由于高壓無法達(dá)到理想值，制熱量也不會很高，所以節(jié)流元器件的控制就至關(guān)重要，既要保證高壓從而保證制熱量，又要控制低壓不能過低出現(xiàn)結(jié)霜影響制熱量，采用電子膨脹閥的機(jī)組一般會根據(jù)需求自動調(diào)節(jié)。最后，是旁通的調(diào)節(jié)，空調(diào)的旁通一般分為氣旁通和液旁通。氣旁通一般是從壓縮機(jī)的排氣側(cè)直接將高溫高壓的冷媒旁通到低壓側(cè)，用于提高系統(tǒng)低壓，一方面，可以提高壓縮機(jī)吸氣量；另一方面，提高系統(tǒng)低壓，降低結(jié)霜風(fēng)險。液旁通一般是從冷凝側(cè)出管旁通一部分高壓液態(tài)冷媒到低壓側(cè)，作用也相同。低溫噴焓技術(shù)其實(shí)也是一種旁通技術(shù)，目的都是為了提高低溫制熱量。

3 化霜周期的影響

在高濕度工況下，如果空調(diào)因不可避免的工況結(jié)霜，那么，化霜周期也是影響制熱量的重要因素。在極端惡劣的除霜工況下，機(jī)組的制熱能力一般呈現(xiàn)拋物線式的增長，開機(jī)階段，因高壓未達(dá)到目標(biāo)值，制熱量不足，待20min運(yùn)行穩(wěn)定后，一般會達(dá)到一個最高點(diǎn)，然后隨著時間的推移，霜層厚度慢慢增加，機(jī)組的制熱量會出現(xiàn)下降趨勢，50min后，制熱量會衰減至最高點(diǎn)的80%左右，隨著時間的推移，因?yàn)槔涿窖h(huán)量不足，制熱量還會進(jìn)一步的下降。所以，選取合適的化霜周期就顯得尤為重要，化霜周期決定了機(jī)組的平均制熱量。化霜周期的選取需要使平均制熱量最大化。過短或過長都不利于制熱的效果。化霜時間也不宜過長，化霜時間一般不超過10min，化霜時內(nèi)機(jī)是沒有制熱量的，化霜時間過長會拉低制熱量平均值。可以采用提高壓縮機(jī)頻率的方法加快化霜速度。

4 冷凝器設(shè)計(jì)的影響

冷凝器的設(shè)計(jì)也是空調(diào)制熱量的重要影響因素。冷凝器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在兩個方面，一是冷凝器的換熱面積，二是冷凝器的分路。

首先，冷凝器的換熱面積，冷凝器的換熱面積會影響蒸發(fā)效果，冷凝器設(shè)計(jì)過小，會造成冷媒蒸發(fā)不完全，多余的液態(tài)冷媒就會存在氣液分離器中，減少冷媒循環(huán)量，壓縮機(jī)吸氣量不足，也會造成高壓下降。冷凝器也不宜設(shè)計(jì)過大，會增加空調(diào)器的生產(chǎn)成本，所以冷凝器的面積需要在滿足換熱及能效的情況下，結(jié)合生產(chǎn)使用成本來綜合考量。其次，冷凝器的分路設(shè)計(jì)，冷凝器的分路設(shè)計(jì)會影響各路冷媒的分配，分液設(shè)計(jì)要使得各路冷媒分配均勻，每路冷媒都能得到充分的蒸發(fā)。如果分路不均，也會造成回液，從而影響制熱量。另外，分液不均還會造成易結(jié)霜，所以冷凝器的分液均勻性對制熱量的影響也是非常大的。冷凝器的分液一方面可以通過冷凝器的走管方式解決，另一方面，可以通過匹配分液毛細(xì)管來解決，這些可以使用仿真方法，并結(jié)合一定的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及系統(tǒng)匹配測試來設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

綜上，影響空調(diào)制熱量的因素是多方面的，在空調(diào)設(shè)計(jì)時，需要綜合風(fēng)量、冷凝器設(shè)計(jì)、壓力控制、化霜控制等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這樣才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的空調(diào)機(jī)。