家用一拖多变频空调器应用于寒冷地区制热性能优化的试验研究

黎顺全 李廷勋

（1.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311； 2.中山大学 广州 510725）

引言

随着空调变频控制技术的不断发展和更新，一拖多变频空调器也不断成熟，受到消费者的青睐。一拖多变频空调器由一台室外机搭配多台室内机运行，满足多个房间的不同需求。一拖多变频空调器采用了变频控制技术，具有舒适、节能、高效等优点，同时，一拖多变频空调器能很好的解决空调室外机安装位置局限性的问题，很好的适应了当前住宅建筑的个性化需求[1]。

当前，在我国黄河流域及华北等寒冷地区，家庭住宅冬季供暖主要以燃煤或燃气为主要手段，造成了环境污染、能源利用率低等问题[2-3]。

空气源热泵能将热量从低温室外空气中转移到室内房间，达到节能减排的效果[4-5]。然而，空气源热泵的使用容易受到室外环境温度的限制，随着环境温度的降低，室外机蒸发压力下降，压缩机吸气量进一步降低，压缩比增大，影响了热泵空调器运行可靠性。另外，在室外空气湿度大的情况下，室外机结霜严重，进一步阻碍了空气源热泵的制热能力输出[6-7]，制约了空气源热泵在寒冷地区的推广和应用。

在2007年9月，《蒙特利尔议定书》第19 次缔约方会议讨论通过多项决定, 其中包括关于加速逐步淘汰氢氯氟烃(HCFCs)的决定, 要求缔约方在选择HCFCs 替代物时优先考虑的原则是:首先逐步淘汰那些ODP 值较高的HCFC s , 其次要选用GWP值最小的工质作替代品,并能够满足健康和要求，另外，会议要求发展中国家到2020年时HCFC s消耗量削减30 %[8]。

采用R410A与R407C混合物来替代R22是一些国家目前所采取的方法，但是，R410A和R407C的GWP均比较高，分别为2 088和1 770[9]。我国目前正处在HCFCs淘汰的第一阶段，主要采用R410A替代R22作为过渡性的制冷剂，国内空调企业也在加速推出R410A产品，但是，R410A的GWP值较高，这并不符合我国节能减排与低碳环保的政策方针，在这种形势下，需要继续探索更加环保型的制冷剂来替代R410A。

中国一拖多空调器现阶段主要采用R410A作为过渡性制冷剂，而针对R32在变频一拖多空调器中特性的研究还比较少，本文以变频一拖多空调器作为研究对象，对R32的循环特性进行了试验测试研究，并将试验测试结果与R410A系统测试数据进行了对比分析，为今后环保型制冷剂在变频一拖多空调器中的应用研究提供一些参考。

本文研究的热泵型一拖多空调器，在采用环保型制冷剂R32替代R410A的试验研究基础上，优化制热时变频控制技术和电子膨胀阀控制技术，通过试验对比研究与分析来说明该方法的可行性及优势。

1 R32替代R410A在一拖多空调器中试验研究

1.1 R32最佳充注量分析

图1为系统能效比和制冷量随制冷剂充注量的变化。随着制冷剂充注量的升高，能效变化呈现先升高后下降，存在明显的最佳充注量。主要原因是当充注量过小时，蒸发器出口制冷剂过热度大，使得铜管内换热面积未充分利用；当充注量过大时，蒸发器出口制冷剂处于两相区，冷量小造成能效不高。

1.2 两种制冷剂制热性能研究对比

图2为R32与R410A系统能效曲线的比较，从图2中可以看出，在制热模式下，由于R32系统排气温度较R410A更高，制热输出较大。R32系统能R32系统能效比略高于R410A系统，在室外低温制热时COP增幅为6.5 %，但是随着室外温度降低，其优势逐渐减弱至与R410A相当。

2 一拖多变频空调器控制优化

2.1 制热时压缩机频率控制优化

压缩机频率运行控制逻辑采用PI（线性积分）控制方法，根据房间温度T1与设定温度TS间的变化调整能力需求基准值a，其中，（T1-TS）与a的关系如表1。

图1 能效比和制冷量随制冷剂充注量的变化

图2 R32与R410A系统制冷/制热能效比的比较

根据对应的不同能力段的室内机，对运行频率进行修正，修正系数K1与不同能力段室内机关系如表2所示，例如，其中9 K代表标称内机设计能力为9 000 Btu/h。

根据以上控制逻辑，压缩机运行频率即为各连接运行室内机能力需求之和，压缩机运行频率FR计算式如下：

制热时，为快速实现压缩机频率提升，避免频率不断修正过程造成的系统制冷剂流量变化引起室外机换热器结霜，控制逻辑中对频率运算方法进行优化，对（1）中计算的FR进行修正，使得不同室外环境温度下压缩机能迅速提升到所需求的目标频率FR1，其中，FR1需满足对应的不同室外温区下的限频要求，目标频率FR1的计算式如下：

其中，针对不同室外环境温度T4，对修正系数K2进行划分如表3所示。

2.2 制热时电子膨胀阀调节控制优化

在制热时，压缩机开启运行后，为使排气温度迅速升高，在电子膨胀阀原控制逻辑基础上对初始开度P0进行优化控制，不同能力段内机的初始开度不同，使不同运行内机制热始终处于最佳输出状态。不同能力段内机初始开度P0与不同室外环境温度T4关系如表4所示，其中电子膨胀阀阀体步数范围为0～500 P。

3 试验测试结果与分析

根据以上介绍的压缩机运行频率控制逻辑和电子膨胀阀开度调节控制逻辑的优化，试验测试了热泵型一拖四变频空调器在不同室外环境温度下的制热性能。图3为室外环境温度为2 ℃/1 ℃，压缩机目标频率85 Hz时，优化前后系统排气温度随压缩机启动运行时间的变化，从图1可以看出，在低温环境制热时，通过优化不同内机对应的电子膨胀阀初始开度P0可以明显提升制热时的排气温度上升速率，从而实现快速制热。

图4为优化前后内机全开状态下不同室外环境温度下制热能力的变化曲线。在曲线中，制热能力随着室外环境温度的升高而逐渐增大，不同室外环境温度下，优化后的全开制热能力均高于优化前全开制热能力，在室外环境温度为-20 ℃下，优化后的全开制热能力较优化前的全开制热能力提升了34 %，表明通过压缩机频率控制逻辑和电子膨胀阀调节控制逻辑优化对制热能力提升效果显著。

表1 基准值a与（T1-TS）的关系

表2 修正系数K1与不同能力段室内机对应的关系

表3 修正系数K2与不同室外环境温度T4对应的关系

表4 电子膨胀阀初始开度P0与不同室外环境温度T4及不同内机能力段关系

图3 优化前后全开制热时排气温度随系统运行时间的变化

图4 优化前后全开制热能力与室外环境温度的变化

图5 优化前后非全开下制热能力的变化

图6 优化前后全开制热时出风温度随室外环境温度变化

为进一步验证控制逻辑优化对热泵型一拖多变频空调器低温制热能力的效果，试验测试并分析了室外环境温度-15 ℃时系统单开、双开和三开下制热能力。图5为室外环境温度-15 ℃以下优化前后系统非全开状态时的制热能力变化。从图5中可以看出，依次从左到右分别为单开、双开、三开下的制热能力比较柱状图，在三种不同运行状态下，优化后的制热能力均高于优化前的制热能力，从而验证了控制逻辑优化对于热泵型一拖多变频空调器非全开状态下制热能力优化的有效性。

图6为出风温度随室外温度变化曲线图，从图6中可以看出，随着室外环境温度的升高，室内机出风温度呈现升高趋势，当室外环境温度为-7 ℃时，优化后系统出风温度比优化前系统出风温度提高了3.5 ℃；在室外环境温度为-20 ℃时，优化后系统出风温度较优化前系统出风温度提升了5.0 %，从而有效改善了热泵型一拖多变频空调器在低温环境制热时的热舒适性。

4 结论

本文研究了R410A及环保型制冷剂R32在变频一拖多中的性能表现，分析了系统R32的最佳充注量，在相同系统中，R32的最佳充注量较R410A充注量减少了26 %；

其次，在R32制冷剂应用基础上，对热泵型一拖多变频空调器制热时的压缩机运行频率控制逻辑和电子膨胀阀调节控制逻辑进行优化，分别从全开制热能力、非全开制热能力及出风温度三个方面对比优化前后系统制热性能，测试结果表明，通过优化频率控制和电子膨胀阀控制可以明显改善系统的制热性能，解决了传统热泵型一拖多变频空调器冬季制热量不足的问题，为热泵型一拖多变频空调器发展提供了一个经济可靠的解决方案，对其拓展低温运行范围、增加系统可靠性有显著效果。