低環(huán)溫空氣源熱泵機(jī)組低溫靜置后啟動(dòng)制熱失效分析

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(guó)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(lái)越冷的趨勢(shì)，最低氣溫記錄不斷刷新，冬季供暖問(wèn)題帶來(lái)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(jí)等類似政策，老式的采暖設(shè)備勢(shì)必被逐步替代，進(jìn)一步促進(jìn)可再生能源行業(yè)的增長(zhǎng)，空氣源低溫?zé)岜玫氖袌?chǎng)潛力很大，因此國(guó)內(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(wú)法開(kāi)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(kāi)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(wèn)題，低溫多聯(lián)機(jī)還存在啟動(dòng)可靠性問(wèn)題。

而商業(yè)場(chǎng)所使用的多聯(lián)機(jī)一般都是一個(gè)大容量的多聯(lián)機(jī)及或者多個(gè)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(zhǎng)時(shí)間靜置后或者化霜結(jié)束后等制熱啟動(dòng)則會(huì)出現(xiàn)制熱失效的問(wèn)題，即開(kāi)機(jī)后長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有制熱效果，更嚴(yán)重者會(huì)在一直吹冷風(fēng)，這種現(xiàn)象會(huì)隨著環(huán)境溫度的下降會(huì)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(wèn)題？本文通過(guò)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(guò)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(huì)大量積存液態(tài)冷媒，無(wú)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置，室內(nèi)機(jī)冷媒基本處于過(guò)熱氣態(tài)，而外側(cè)冷媒則處于液態(tài)過(guò)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(chǎng)所。由于多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)管路較長(zhǎng)，主管基本能達(dá)到100 m以上，冷媒量也隨著管長(zhǎng)加長(zhǎng)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(gè)外機(jī)通過(guò)分歧管同時(shí)連接多臺(tái)室內(nèi)機(jī)，各臺(tái)室內(nèi)機(jī)相互之間并聯(lián)，系統(tǒng)通過(guò)與環(huán)境形成溫度差發(fā)生相變過(guò)程到熱量交換的目的。制熱過(guò)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(guò)汽液分離器回到壓縮機(jī)，再經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓氣體，再經(jīng)長(zhǎng)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(guò)冷度為5 ℃，吸氣過(guò)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(guò)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(zhǎng)時(shí)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(shí)間預(yù)熱，此時(shí)系統(tǒng)頻率將會(huì)受到限制，這無(wú)疑給制熱啟動(dòng)帶來(lái)更加困難。而積存的大量液態(tài)冷媒通過(guò)自然閃蒸則需要長(zhǎng)時(shí)間消耗，從而系統(tǒng)高低壓無(wú)法快速建立，機(jī)組啟動(dòng)后長(zhǎng)時(shí)間無(wú)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(dòng)失效過(guò)程的重要原因之一。

1.3 多聯(lián)機(jī)低溫靜置制熱啟動(dòng)過(guò)程分析

如圖3、圖4所示采用一臺(tái)28 kw容量的機(jī)組搭配6臺(tái)風(fēng)管內(nèi)機(jī)測(cè)試外環(huán)-28 ℃，內(nèi)環(huán)20 ℃下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間低溫靜置后的啟動(dòng)，對(duì)各階段制熱啟動(dòng)過(guò)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(kāi)機(jī)后出風(fēng)溫度達(dá)到25 ℃所耗時(shí)長(zhǎng)。分別測(cè)試單開(kāi)和全開(kāi)（外環(huán)-28 ℃，內(nèi)環(huán)20 ℃）靜置24 h啟動(dòng)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(dòng)運(yùn)行曲線

從以上測(cè)試情況可見(jiàn)，無(wú)論單開(kāi)或者全開(kāi)機(jī)組都會(huì)頻繁出現(xiàn)升降頻，單開(kāi)一臺(tái)內(nèi)機(jī)時(shí)運(yùn)行50 min高壓無(wú)法建立，此時(shí)高壓飽和溫度4.5 ℃，而全開(kāi)滿負(fù)荷時(shí)則49 min則高壓達(dá)到25 ℃。相同的運(yùn)行參數(shù)下，通過(guò)對(duì)比啟動(dòng)曲線可見(jiàn)，機(jī)組全開(kāi)時(shí)，機(jī)組系統(tǒng)低壓會(huì)不斷提升，即使出現(xiàn)限降頻，頻率都是上升趨勢(shì)，反觀單開(kāi)內(nèi)機(jī)運(yùn)行，機(jī)組低壓無(wú)法提升，機(jī)組頻率長(zhǎng)時(shí)間維持低頻階段，因此相同時(shí)間內(nèi)，全開(kāi)平均運(yùn)行頻率比單開(kāi)運(yùn)行頻率高，吸氣量大，因此高低壓建立比單開(kāi)快，可以加速系統(tǒng)冷媒循環(huán)。

選擇其中一組靜置啟動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找機(jī)組低壓過(guò)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(dòng)過(guò)程明顯存在3個(gè)過(guò)程（啟動(dòng)（0～10）min，（10～38）min，38 min以后）。

圖5 單開(kāi)內(nèi)機(jī)靜置啟動(dòng)各階段參數(shù)采集表

啟動(dòng)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(guò)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(shí)冷媒是可流動(dòng)的，因此系統(tǒng)能通過(guò)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(shí)內(nèi)機(jī)側(cè)無(wú)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(kāi)始頻繁出現(xiàn)限降頻。因此此時(shí)，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(kāi)始與低壓導(dǎo)通，高壓長(zhǎng)聯(lián)管氣管處的冷媒開(kāi)始往內(nèi)側(cè)移動(dòng)，此時(shí)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(guò)熱氣體，過(guò)熱的氣體經(jīng)液管在室外放熱，在液管冷凝。此過(guò)程的冷媒來(lái)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(huì)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(lái)的氣體開(kāi)始往內(nèi)側(cè)移動(dòng)，內(nèi)機(jī)過(guò)熱度逐漸建立。

第三階段（38 min以后）：從內(nèi)機(jī)氣管過(guò)熱度和內(nèi)機(jī)過(guò)冷度同時(shí)判斷，長(zhǎng)聯(lián)氣管中已無(wú)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(kāi)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(shí)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(dòng)數(shù)據(jù)看，在內(nèi)環(huán)溫度高，外環(huán)溫度低的條件下長(zhǎng)時(shí)間靜置，冷媒都會(huì)在外側(cè)堆積，由于系統(tǒng)部件是相通的，冷媒會(huì)隨機(jī)進(jìn)行遷移。而氣管的總體積相對(duì)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(dòng)后必然需要經(jīng)歷消耗氣管液態(tài)冷媒的過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試，以啟動(dòng)后高壓達(dá)到25 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，確定靜置啟動(dòng)后恢復(fù)制熱效果所需時(shí)間T的影響因素。

式中：

T—靜置啟動(dòng)后恢復(fù)制熱效果所需時(shí)間；

W—室外環(huán)境溫度；

L—連管長(zhǎng)度；

P—內(nèi)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)；

G—冷媒灌注量。

2.1 啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)與外環(huán)、內(nèi)機(jī)、連管長(zhǎng)度的關(guān)系

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

圖6 機(jī)組在不同條件下啟動(dòng)過(guò)程所需時(shí)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(zhǎng)度相同的條件下，外環(huán)溫度越高，所需時(shí)間越短。外環(huán)溫度越高，機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(dòng)效率。相反，外環(huán)溫度越低，機(jī)組運(yùn)行時(shí)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(dòng)效率。

2）內(nèi)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)、外環(huán)溫度相同的條件下，連管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需時(shí)間越長(zhǎng)。內(nèi)外機(jī)連接管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(dòng)時(shí)，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(dòng)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

3）連管長(zhǎng)度、外環(huán)溫度相同的條件下，內(nèi)機(jī)臺(tái)數(shù)越多，所需時(shí)間越短。開(kāi)啟內(nèi)機(jī)容量越大或者內(nèi)機(jī)臺(tái)數(shù)越多，冷媒流動(dòng)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(dòng)；且內(nèi)機(jī)臺(tái)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(shí)間越短，因此制熱啟動(dòng)所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。

根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果可確定啟動(dòng)時(shí)間T與外環(huán)溫度W、內(nèi)機(jī)臺(tái)數(shù)P、連管長(zhǎng)度L的關(guān)系如下：

2.2 啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)與冷媒量的關(guān)系

保持連管長(zhǎng)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(duì)比不同冷媒量下，啟動(dòng)時(shí)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(dòng)過(guò)程所需時(shí)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(shí)，較未追加前時(shí)間縮短18 min。因?yàn)闄C(jī)組冷媒量增加，系統(tǒng)低壓會(huì)相應(yīng)提高，機(jī)組的升降頻次數(shù)減少，啟動(dòng)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(cè)試結(jié)果可確定啟動(dòng)時(shí)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(zhǎng)時(shí)間待機(jī)后再次制熱啟動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)制熱失效問(wèn)題進(jìn)行分析，從理論和實(shí)驗(yàn)過(guò)程研究方面進(jìn)行闡述失效的原因，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如何改善啟動(dòng)失效問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證得出以下結(jié)論：

1）冷媒遷移是造成機(jī)組啟動(dòng)失效的根本原因，而啟動(dòng)過(guò)程壓縮機(jī)頻繁降頻則引起制熱功能長(zhǎng)時(shí)間失效；

2）可以通過(guò)調(diào)整冷媒灌注量、液管管徑、連接管等減少制熱失效時(shí)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(dòng)階段可通過(guò)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。