低環溫空氣源熱泵機組低溫靜置后啟動制熱失效分析

2022-12-27 06:07:28楊玉生

日用電器 2022年11期

楊玉生沈軍胡強

（1.珠海格力電器股份有限公司制冷技術研究院珠海 519000；2.珠海格力國家節能環保制冷設備工程技術研究中心珠海 519000）

引言

近年，由于冬季呈現越來越冷的趨勢，最低氣溫記錄不斷刷新，冬季供暖問題帶來嚴峻的考驗。當前全球在低溫寒冷地區供暖方式主要還是以化石燃料為主，現各地區都有類似的能源清潔計劃、能效升級等類似政策，老式的采暖設備勢必被逐步替代，進一步促進可再生能源行業的增長，空氣源低溫熱泵的市場潛力很大，因此國內外各大空調品牌都相繼推出超低溫熱系列多聯機，如格力多聯機制熱下限已達到-35 ℃，再次改寫空氣源熱泵空調的生命禁區。眾所周知，由于低溫環境下，常規空調已經無法開機處于待機狀態，只有采用低溫選型設計的多聯機才能正常開機使用，而低溫下，由于空氣中熱量隨著氣溫降低，蒸發溫度降低，冷媒密度減少，冷媒循環量降低，制熱量逐漸下降，能效逐漸變差。除了能效問題，低溫多聯機還存在啟動可靠性問題。

而商業場所使用的多聯機一般都是一個大容量的多聯機及或者多個小容量機組的并聯組合使用，安裝比家用空調更加復雜，可靠性要求更加高。而低溫環境下，多聯機在低溫環境中長時間靜置后或者化霜結束后等制熱啟動則會出現制熱失效的問題，即開機后長時間沒有制熱效果，更嚴重者會在一直吹冷風，這種現象會隨著環境溫度的下降會顯得更加突出。

是什么原因導致出現制熱失效的現象呢？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驗驗證找出這根本原因和影響因素，并根據實驗驗證結果提供改善思路。

1 失效分析

1.1 機組內部冷媒遷移分析

冬天由于多聯機空調系統內各處的溫度和壓力不同，尤其寒冷冬季室外機的溫度與室內機的溫差可達（30～50）℃，停機狀態，由于存在壓力差，內機側的冷媒逐漸遷移至室外側系統。發生遷移的制冷劑質量取決于壓力和溫度，當壓差增加，制冷劑遷移量增加；通過設置壓縮機油溫電加熱器可以有效防止冷媒遷移，但需要耗費一定的電能，且系統其他容器類部件也會大量積存液態冷媒，無法完全避免冷媒遷移。

如圖1所示，在外環-30 ℃，內環20 ℃的條件下經過長時間靜置，室內機冷媒基本處于過熱氣態，而外側冷媒則處于液態過冷狀態，壓縮機、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。由于多聯機系統管路較長，主管基本能達到100 m以上，冷媒量也隨著管長加長而增加，因此外機冷凝器和汽液分離器可能存在滿液狀態。

圖1 靜置后冷媒在多聯機系統中分布

1.2 R410A系統低溫循環理論分析

目前多聯機系統普遍采用R410A冷媒，一個外機通過分歧管同時連接多臺室內機，各臺室內機相互之間并聯，系統通過與環境形成溫度差發生相變過程到熱量交換的目的。制熱過程：低溫低壓液態冷媒在蒸發器中吸收空氣中的熱量形成低溫低壓氣體，經過汽液分離器回到壓縮機，再經過壓縮機壓縮成高溫高壓氣體，再經長連接管到達室內機進行放熱冷凝成高溫高壓液態，再經管路回流至外機主制熱節流閥，節流成低溫低壓液態進入蒸發器進行熱交換，形成完整的制熱循環。

取冷凝溫度比內環高5 ℃，蒸發溫度比外環低5 ℃，過冷度為5 ℃，吸氣過熱度為1 ℃的運行條件下，制定相同內環30 ℃，外環在5 ℃、-10 ℃、-30 ℃的冷媒循環的壓焓圖，如圖2所示。

圖2 R410冷媒在不同蒸發溫度的循環壓焓圖

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

表1 -35 ℃冷凝溫度下不同蒸發溫度下參數

由于低溫機組在超低溫環境下長時間靜置，冷媒已遷移至氣分和冷凝器中，為防止壓縮機的回液造成液擊和保證回油的可靠性，都需要進行短時間預熱，此時系統頻率將會受到限制，這無疑給制熱啟動帶來更加困難。而積存的大量液態冷媒通過自然閃蒸則需要長時間消耗，從而系統高低壓無法快速建立，機組啟動后長時間無熱量吹出，甚至出現吹冷風的現象。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 多聯機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容量的機組搭配6臺風管內機測試外環-28 ℃，內環20 ℃下經過長時間低溫靜置后的啟動，對各階段制熱啟動過程進行分析。以高出內環5 ℃出風溫度為標準，記錄開機后出風溫度達到25 ℃所耗時長。分別測試單開和全開（外環-28 ℃，內環20 ℃）靜置24 h啟動的數據。

圖3 低環溫熱泵多聯機樣機管路連接圖

圖4 啟動運行曲線

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

選擇其中一組靜置啟動的數據進行分析，查找機組低壓過低出現頻繁升降頻的原因。從圖5數據上分析，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 單開內機靜置啟動各階段參數采集表

啟動前：從上圖H區和系統高低壓判斷內機冷媒狀態為過熱氣體，不存在液態冷媒，內機側的液態冷媒量可忽略不計；因此機組冷媒存在液管、氣管、氣分、冷凝器中。

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

第二階段（（10～38）min）：在上一階段，冷凝器和液管液態冷媒慢慢被抽空，從I區數據分析，內機側冷媒開始與低壓導通，高壓長聯管氣管處的冷媒開始往內側移動，此時因高壓較低，而內側環境溫度高，高壓氣管的液態冷媒沿途蒸發吸熱成過熱氣體，過熱的氣體經液管在室外放熱，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冷媒的蒸發，因蒸發量少，因此系統的冷媒循環量小，因此此階段機組會頻繁限降頻；此階段熱量主要消耗在高壓氣管中液態冷媒的蒸發。隨著高壓氣管液態冷媒的減少，壓機高壓出來的氣體開始往內側移動，內機過熱度逐漸建立。

第三階段（38 min以后）：從內機氣管過熱度和內機過冷度同時判斷，長聯氣管中已無液態冷媒，高壓高溫氣體在內機處冷凝放熱成液體，系統循環量開始變大，從E區可判斷液態冷媒經外機冷凝器不斷與環境換熱（外環是主要熱源）系統循環加劇，出現明顯的轉折點，此時高壓上升較快，出風溫度上升明顯，從20 ℃升至25 ℃只需3 min。

從啟動數據看，在內環溫度高，外環溫度低的條件下長時間靜置，冷媒都會在外側堆積，由于系統部件是相通的，冷媒會隨機進行遷移。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歷消耗氣管液態冷媒的過程。

2 實驗對比分析

通過實驗對比測試，以啟動后高壓達到25 ℃為標準，確定靜置啟動后恢復制熱效果所需時間T的影響因素。

式中：

T—靜置啟動后恢復制熱效果所需時間；

W—室外環境溫度；

L—連管長度；

P—內機開啟臺數；

G—冷媒灌注量。

2.1 啟動時長與外環、內機、連管長度的關系

內環保持一致，通過調整外環溫度（-28～ -15）℃，靜置時間和啟動運行參數相同，對比不同外環下，高壓達到25 ℃所需要的時間，結果如圖6。

圖6 機組在不同條件下啟動過程所需時間

從圖6數據曲線上看，可得出以下結論：

1）內機容量、連管長度相同的條件下，外環溫度越高，所需時間越短。外環溫度越高，機組運行時系統蒸發側低壓越高，吸氣比容越小，吸氣量越大，機組冷媒循環量大，機組升降頻次數減少，機組運行頻率較高，有利于提高機組制熱啟動效率。相反，外環溫度越低，機組運行時系統蒸發側低壓越低，吸氣比容越大，吸氣量越小，機組冷媒循環量少，機組升降頻次數增加，機組運行頻率較低，降低了機組制熱啟動效率。

2）內機開啟臺數、外環溫度相同的條件下，連管長度越長，所需時間越長。內外機連接管長度越長，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、外環溫度相同的條件下，內機臺數越多，所需時間越短。開啟內機容量越大或者內機臺數越多，冷媒流動的通道越多，阻力越少，氣管的液態冷媒更容易向內側流動；且內機臺數多，目標頻率也越大，機組冷媒循環量越大，消耗氣管液態冷媒所需時間越短，因此制熱啟動所需要的時間越長。

根據以上測試結果可確定啟動時間T與外環溫度W、內機臺數P、連管長度L的關系如下：