家用一拖多變頻空調(diào)器應(yīng)用于寒冷地區(qū)制熱性能優(yōu)化的試驗(yàn)研究

黎順全 李廷勛

（1.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311； 2.中山大學(xué) 廣州 510725）

引言

隨著空調(diào)變頻控制技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，一拖多變頻空調(diào)器也不斷成熟，受到消費(fèi)者的青睞。一拖多變頻空調(diào)器由一臺(tái)室外機(jī)搭配多臺(tái)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行，滿足多個(gè)房間的不同需求。一拖多變頻空調(diào)器采用了變頻控制技術(shù)，具有舒適、節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，一拖多變頻空調(diào)器能很好的解決空調(diào)室外機(jī)安裝位置局限性的問題，很好的適應(yīng)了當(dāng)前住宅建筑的個(gè)性化需求[1]。

當(dāng)前，在我國黃河流域及華北等寒冷地區(qū)，家庭住宅冬季供暖主要以燃煤或燃?xì)鉃橹饕侄?，造成了環(huán)境污染、能源利用率低等問題[2-3]。

空氣源熱泵能將熱量從低溫室外空氣中轉(zhuǎn)移到室內(nèi)房間，達(dá)到節(jié)能減排的效果[4-5]。然而，空氣源熱泵的使用容易受到室外環(huán)境溫度的限制，隨著環(huán)境溫度的降低，室外機(jī)蒸發(fā)壓力下降，壓縮機(jī)吸氣量進(jìn)一步降低，壓縮比增大，影響了熱泵空調(diào)器運(yùn)行可靠性。另外，在室外空氣濕度大的情況下，室外機(jī)結(jié)霜嚴(yán)重，進(jìn)一步阻礙了空氣源熱泵的制熱能力輸出[6-7]，制約了空氣源熱泵在寒冷地區(qū)的推廣和應(yīng)用。

在2007年9月，《蒙特利爾議定書》第19 次締約方會(huì)議討論通過多項(xiàng)決定, 其中包括關(guān)于加速逐步淘汰氫氯氟烴(HCFCs)的決定, 要求締約方在選擇HCFCs 替代物時(shí)優(yōu)先考慮的原則是:首先逐步淘汰那些ODP 值較高的HCFC s , 其次要選用GWP值最小的工質(zhì)作替代品,并能夠滿足健康和要求，另外，會(huì)議要求發(fā)展中國家到2020年時(shí)HCFC s消耗量削減30 %[8]。

采用R410A與R407C混合物來替代R22是一些國家目前所采取的方法，但是，R410A和R407C的GWP均比較高，分別為2 088和1 770[9]。我國目前正處在HCFCs淘汰的第一階段，主要采用R410A替代R22作為過渡性的制冷劑，國內(nèi)空調(diào)企業(yè)也在加速推出R410A產(chǎn)品，但是，R410A的GWP值較高，這并不符合我國節(jié)能減排與低碳環(huán)保的政策方針，在這種形勢下，需要繼續(xù)探索更加環(huán)保型的制冷劑來替代R410A。

中國一拖多空調(diào)器現(xiàn)階段主要采用R410A作為過渡性制冷劑，而針對(duì)R32在變頻一拖多空調(diào)器中特性的研究還比較少，本文以變頻一拖多空調(diào)器作為研究對(duì)象，對(duì)R32的循環(huán)特性進(jìn)行了試驗(yàn)測試研究，并將試驗(yàn)測試結(jié)果與R410A系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，為今后環(huán)保型制冷劑在變頻一拖多空調(diào)器中的應(yīng)用研究提供一些參考。

本文研究的熱泵型一拖多空調(diào)器，在采用環(huán)保型制冷劑R32替代R410A的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，優(yōu)化制熱時(shí)變頻控制技術(shù)和電子膨脹閥控制技術(shù)，通過試驗(yàn)對(duì)比研究與分析來說明該方法的可行性及優(yōu)勢。

1 R32替代R410A在一拖多空調(diào)器中試驗(yàn)研究

1.1 R32最佳充注量分析

圖1為系統(tǒng)能效比和制冷量隨制冷劑充注量的變化。隨著制冷劑充注量的升高，能效變化呈現(xiàn)先升高后下降，存在明顯的最佳充注量。主要原因是當(dāng)充注量過小時(shí)，蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度大，使得銅管內(nèi)換熱面積未充分利用；當(dāng)充注量過大時(shí)，蒸發(fā)器出口制冷劑處于兩相區(qū)，冷量小造成能效不高。

1.2 兩種制冷劑制熱性能研究對(duì)比

圖2為R32與R410A系統(tǒng)能效曲線的比較，從圖2中可以看出，在制熱模式下，由于R32系統(tǒng)排氣溫度較R410A更高，制熱輸出較大。R32系統(tǒng)能R32系統(tǒng)能效比略高于R410A系統(tǒng)，在室外低溫制熱時(shí)COP增幅為6.5 %，但是隨著室外溫度降低，其優(yōu)勢逐漸減弱至與R410A相當(dāng)。

2 一拖多變頻空調(diào)器控制優(yōu)化

2.1 制熱時(shí)壓縮機(jī)頻率控制優(yōu)化

壓縮機(jī)頻率運(yùn)行控制邏輯采用PI（線性積分）控制方法，根據(jù)房間溫度T1與設(shè)定溫度TS間的變化調(diào)整能力需求基準(zhǔn)值a，其中，（T1-TS）與a的關(guān)系如表1。

圖1 能效比和制冷量隨制冷劑充注量的變化

圖2 R32與R410A系統(tǒng)制冷/制熱能效比的比較

根據(jù)對(duì)應(yīng)的不同能力段的室內(nèi)機(jī)，對(duì)運(yùn)行頻率進(jìn)行修正，修正系數(shù)K1與不同能力段室內(nèi)機(jī)關(guān)系如表2所示，例如，其中9 K代表標(biāo)稱內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)能力為9 000 Btu/h。

根據(jù)以上控制邏輯，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率即為各連接運(yùn)行室內(nèi)機(jī)能力需求之和，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率FR計(jì)算式如下：

制熱時(shí)，為快速實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率提升，避免頻率不斷修正過程造成的系統(tǒng)制冷劑流量變化引起室外機(jī)換熱器結(jié)霜，控制邏輯中對(duì)頻率運(yùn)算方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)（1）中計(jì)算的FR進(jìn)行修正，使得不同室外環(huán)境溫度下壓縮機(jī)能迅速提升到所需求的目標(biāo)頻率FR1，其中，F(xiàn)R1需滿足對(duì)應(yīng)的不同室外溫區(qū)下的限頻要求，目標(biāo)頻率FR1的計(jì)算式如下：

其中，針對(duì)不同室外環(huán)境溫度T4，對(duì)修正系數(shù)K2進(jìn)行劃分如表3所示。

2.2 制熱時(shí)電子膨脹閥調(diào)節(jié)控制優(yōu)化

在制熱時(shí)，壓縮機(jī)開啟運(yùn)行后，為使排氣溫度迅速升高，在電子膨脹閥原控制邏輯基礎(chǔ)上對(duì)初始開度P0進(jìn)行優(yōu)化控制，不同能力段內(nèi)機(jī)的初始開度不同，使不同運(yùn)行內(nèi)機(jī)制熱始終處于最佳輸出狀態(tài)。不同能力段內(nèi)機(jī)初始開度P0與不同室外環(huán)境溫度T4關(guān)系如表4所示，其中電子膨脹閥閥體步數(shù)范圍為0～500 P。

3 試驗(yàn)測試結(jié)果與分析

根據(jù)以上介紹的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率控制邏輯和電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)控制邏輯的優(yōu)化，試驗(yàn)測試了熱泵型一拖四變頻空調(diào)器在不同室外環(huán)境溫度下的制熱性能。圖3為室外環(huán)境溫度為2 ℃/1 ℃，壓縮機(jī)目標(biāo)頻率85 Hz時(shí)，優(yōu)化前后系統(tǒng)排氣溫度隨壓縮機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間的變化，從圖1可以看出，在低溫環(huán)境制熱時(shí)，通過優(yōu)化不同內(nèi)機(jī)對(duì)應(yīng)的電子膨脹閥初始開度P0可以明顯提升制熱時(shí)的排氣溫度上升速率，從而實(shí)現(xiàn)快速制熱。

圖4為優(yōu)化前后內(nèi)機(jī)全開狀態(tài)下不同室外環(huán)境溫度下制熱能力的變化曲線。在曲線中，制熱能力隨著室外環(huán)境溫度的升高而逐漸增大，不同室外環(huán)境溫度下，優(yōu)化后的全開制熱能力均高于優(yōu)化前全開制熱能力，在室外環(huán)境溫度為-20 ℃下，優(yōu)化后的全開制熱能力較優(yōu)化前的全開制熱能力提升了34 %，表明通過壓縮機(jī)頻率控制邏輯和電子膨脹閥調(diào)節(jié)控制邏輯優(yōu)化對(duì)制熱能力提升效果顯著。

表1 基準(zhǔn)值a與（T1-TS）的關(guān)系

表2 修正系數(shù)K1與不同能力段室內(nèi)機(jī)對(duì)應(yīng)的關(guān)系

表3 修正系數(shù)K2與不同室外環(huán)境溫度T4對(duì)應(yīng)的關(guān)系

表4 電子膨脹閥初始開度P0與不同室外環(huán)境溫度T4及不同內(nèi)機(jī)能力段關(guān)系

圖3 優(yōu)化前后全開制熱時(shí)排氣溫度隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的變化

圖4 優(yōu)化前后全開制熱能力與室外環(huán)境溫度的變化

圖5 優(yōu)化前后非全開下制熱能力的變化

圖6 優(yōu)化前后全開制熱時(shí)出風(fēng)溫度隨室外環(huán)境溫度變化

為進(jìn)一步驗(yàn)證控制邏輯優(yōu)化對(duì)熱泵型一拖多變頻空調(diào)器低溫制熱能力的效果，試驗(yàn)測試并分析了室外環(huán)境溫度-15 ℃時(shí)系統(tǒng)單開、雙開和三開下制熱能力。圖5為室外環(huán)境溫度-15 ℃以下優(yōu)化前后系統(tǒng)非全開狀態(tài)時(shí)的制熱能力變化。從圖5中可以看出，依次從左到右分別為單開、雙開、三開下的制熱能力比較柱狀圖，在三種不同運(yùn)行狀態(tài)下，優(yōu)化后的制熱能力均高于優(yōu)化前的制熱能力，從而驗(yàn)證了控制邏輯優(yōu)化對(duì)于熱泵型一拖多變頻空調(diào)器非全開狀態(tài)下制熱能力優(yōu)化的有效性。

圖6為出風(fēng)溫度隨室外溫度變化曲線圖，從圖6中可以看出，隨著室外環(huán)境溫度的升高，室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度呈現(xiàn)升高趨勢，當(dāng)室外環(huán)境溫度為-7 ℃時(shí)，優(yōu)化后系統(tǒng)出風(fēng)溫度比優(yōu)化前系統(tǒng)出風(fēng)溫度提高了3.5 ℃；在室外環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，優(yōu)化后系統(tǒng)出風(fēng)溫度較優(yōu)化前系統(tǒng)出風(fēng)溫度提升了5.0 %，從而有效改善了熱泵型一拖多變頻空調(diào)器在低溫環(huán)境制熱時(shí)的熱舒適性。

4 結(jié)論

本文研究了R410A及環(huán)保型制冷劑R32在變頻一拖多中的性能表現(xiàn)，分析了系統(tǒng)R32的最佳充注量，在相同系統(tǒng)中，R32的最佳充注量較R410A充注量減少了26 %；

其次，在R32制冷劑應(yīng)用基礎(chǔ)上，對(duì)熱泵型一拖多變頻空調(diào)器制熱時(shí)的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率控制邏輯和電子膨脹閥調(diào)節(jié)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，分別從全開制熱能力、非全開制熱能力及出風(fēng)溫度三個(gè)方面對(duì)比優(yōu)化前后系統(tǒng)制熱性能，測試結(jié)果表明，通過優(yōu)化頻率控制和電子膨脹閥控制可以明顯改善系統(tǒng)的制熱性能，解決了傳統(tǒng)熱泵型一拖多變頻空調(diào)器冬季制熱量不足的問題，為熱泵型一拖多變頻空調(diào)器發(fā)展提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)可靠的解決方案，對(duì)其拓展低溫運(yùn)行范圍、增加系統(tǒng)可靠性有顯著效果。