多联式空调器超低温制热可靠性研究

舒宏，张威，周月飞

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

空调器低温制热启动时间长是影响压缩机可靠性的重要因素，根据一般转子压缩机规格书要求，压缩机运行期间缺油时间不能超过3 min，启动期间压缩机内部润滑油被稀释润滑效果差，需控制启动低温下启动时间[1]，王梦伟[2]等研究了板房冬夏两季室内的温变特性和开机阶段室内的温变规律，但并未分析压缩机中制冷剂对可靠性的影响；李茹[3]对冬季空调房间空调开关机过程研究得到了空调启停时间的较好组合方式；MyoSun Kim[4]等对教室断续供暖的研究证明按预设时间运行能实现较好PMV 值；李彦儒[5]等研究空调器启动期间室内温度的变化规律，结果显示接近指数关系；席战利[6]等分析了采用启动出风温度变化速度等指标对空调器制冷及制热速度进行评价；Kim[7]等对开停机期间空调器的参数动态变化特性进行了分析研究，找到了其规律；Tanka[8]等开展了开机制热过程的制冷剂的分布测试。

以上参考文献主要针对空调器开机启动前后制冷剂在系统不同部件中的质量分布进行的研究，但其形成机理并未深入研讨，而李元旦[9]等分析了土壤源热泵系统启动所需时间与工况的关系，但缺乏具体的原因分析和可靠性的研究。所以，低温特别是超低温下，对空调器启动制热缓慢的可靠性影响及其原因机理的分析上不足。因此本文针对低温下R410A制冷剂机组长时间停机后重新启动制热时间长机理进行研究，同时提出降低其对可靠性的影响方法。

1 理论分析

冬季室内的蒸发器和室外的冷凝器温差可达40 ℃以上，如室内温度在20 ℃室外温度在-20 ℃时，温差则为40 ℃，此时热泵空调器由于温度导致的制冷剂迁移将使大部分制冷剂以液态形式存于室外机侧，而室内侧则由于温度较高以过热气态形式存在，其制冷剂量较少。当机组长时间放置后重新启动时制冷剂将重新进行分布，从启动到稳定的动态运行期间不产生制热能力，压缩机内部润滑油被稀释产品可靠性差，其持续的时间取决于室内侧空调器内制冷剂是否产生了冷凝相变，压缩机吸气量若偏小则需要的时间更长。

根据GB/T 18837-2015[10]中的能力曲线和负荷曲线的规律，热泵型房间空调器在制热状态下，以外环境温度5 ℃左右为分界点，高于5 ℃环境温度时存在空调器开停断续运行。但实际上，北方地区，超低温下，由于建筑室内环境保温效果较好和人员的开停原因，机组也存在断续运行现象，压缩机受到的断续开停可靠性风险大。

2 试验样品和方法

采用一套R410a制冷剂定频多联式房间空调器，装配示意图见图1，室外机标称制冷量为28 kW，室内机为5*5.6 kW，其制冷剂系统充注量按照其出厂默认进行充注10.5 kg，配管长度按照分别按照5 m、45 m、85 m、125 m四种长度进行对比研究，5根分歧管到室内机的配管长度均为5 m，四种配管长度下按照厂家推荐共追加制冷剂0.82 kg、2.98 kg、5.14 kg和7.3 kg，总制冷剂质量分别为11.32 kg、13.48 kg、15.64 kg和17.8 kg。安装时将分歧管保温后置于墙体中，其与墙体换热可忽略不记，分歧管到室内机部分处于室内侧环境，分歧管到室外机部分处于室外侧环境，表1为样品基本参数。

实验设备和实验方法采用GB/T 17758-2010[11]附录A进行。测试工况按照室内侧20 ℃，室外侧-5 ℃、-15 ℃、-30 ℃三种工况进行测试对比，机组特性参数如表1，采用同一样品进行验证，测试项目如表2。实验时：压力传感器采用瑞士科勒PAA-23SY（允许误差±0.5 %）；温度传感器采用T型铜—康铜热电偶（允许误差±0.5 ℃）；功率采用横河WT230（允许误差为±0.5 %）。

试验步骤如下：

1）将空调器在表2的5 m配管长度和对应实验工况下安装后开启全部室内机最高风挡运行，待机组运行稳后关机放置12 h，期间不断电。

2）放置完成后将机组开启室内机全开最高风挡运行，直至稳定后停止。每5 s记录一组高压压力、低压压力、空调室内出风温度和冷凝器中部温度等参数。

3）按照表2重复以上试验步骤。

3 试验结果及分析

3.1 启动特性的分析

图1 5 m配管长度示意图

表1 样品基本特性参数

表2 测试项目表

图2 室外环境温度-15 ℃下启动时参数

图2为配管长度为5 m、室外-15 ℃、室内20 ℃的工况机组关机放置后开启制热时机组系统参数的变化规律。图中可见，压缩机运行至13 min时机组低压压力和吸气过热度即进入稳定阶段，此时压缩机吸气过热度为0 ℃，同时高压压力对应的饱和温度为30.4 ℃，蒸发器中制冷剂已能够冷凝释放热量并在室内侧产生制热效果，因此定义从压缩机开启到吸气过热度达到0 ℃的时间为空调系统的预热时间。

当空调系统高压压力高于室内环境温度时其制冷剂可通过相变换热释放热量产生制热能力，对应到图2中，在第8 min时高压压力对应的饱和温度21.9 ℃超过了室内环境温度20 ℃，根据预热时间定义，机组启动至压缩机吸气过热度达到0 ℃时为预热时间，共计13 min。在这13 min当中，前8 min为启动时制冷剂从低压的冷凝器迅速气化沸腾，呈两相状态进入气液分离器和压缩机，在压缩机中被低温的压缩机壳体和润滑油冷凝下来存于压缩机腔体中，因此高压腔体压缩机中润滑油被液态制冷剂稀释，压缩机中润滑油和制冷剂混合液的液位快速上升，直至达到排气口。8～13 min期间，由于高压侧的室内蒸发器能够冷凝，压缩机中制冷剂不再冷凝而在蒸发，因此液位下降直至稳定，此期间压缩机润滑油被稀释，压缩机在此被稀释的润滑油中运转，可靠性受到了影响。

另一方面，冷凝器的低压侧，由于在低温放置后启动1 min左右冷凝器中迅速气化沸腾，经过1 min后气化完全，且无室内的液态制冷剂补充（启动前室内机因制冷剂迁移无液态制冷剂），因此从图2中可见，冷凝器中低压压力迅速降低到对应饱和温度-39 ℃以下，气分表面及其附件管路表面迅速结霜，视液镜结霜之前和之后对比如图3。

图3 -15 ℃时放置启动前后气液分离器外置视液管外表面结霜对比图

以启动第4 min时的数据分析，放置后因制冷剂迁移制冷剂大部分以液态形式处于室外侧，室内侧气态制冷剂较少。机组重新开启时制冷剂将重新分配，但由于低压压力过低吸气比容过大导致相同转速下压缩吸气量有限，加热速率有限，预热时间较长，可靠性差。4 min时制冷剂的循环状态为图4，其中1-2为制冷剂的压缩和冷凝；2-3为排气经过配管气管到达室内蒸发器的冷凝；3-4为制冷剂在室内机蒸发器中的蒸发及过热；4-5为气态制冷剂经膨胀阀和液管的节流；5-1为气态制冷剂在室外冷凝器中加热。该过程为动态过程，降低该过程能够提高压缩机可靠性，直至循环状态为完整的逆卡诺循环。

3.2 启动时长与室外温度的关系

按照以上两点的分析，本文同步验证了标准室外机配管（5 m）时在室外环境温度0 ℃和-30 ℃时的工况下的特性并形成如图5的曲线。

从图5中可知，环境温度越低预热时间越长。主要原因在于室外环境温度越低，此时除压缩机本体和管路需要进行预加热外，系统中的制冷剂预热时间加长，预热的热量来源于压缩电机线圈的发热和由蒸发侧来的少量过热气体，高过热的低压制冷剂比容较大，压缩排气出来的高温高压气体较少，不足以加热系统高压侧的大量液态制冷剂，导致环境温度越低其所需的预热时间则越长。对于定频机组，由于转速固定，低环境温度下压比受限，压缩机吸气比容大制冷剂循环量不足，此时机组高压无法达到室内侧冷凝温度20 ℃产生制热能力，因此其启动时存在一个机无法达到制热效果的室外环境温度，需要降低室外机管路、机组配管和压缩机散热才能够尽量降低该温度点，避免极端可靠性风险。

3.3 启动时长和配管长度的关系

多联式空调器室外机配管根据安装地点条件需要进行配管长度的选择，因此研究在相同的室内机配管长度下，室外机配管长度与机组启动特性的关系如图6，显示了在相同的室外侧和室内侧工况状态下启动时长与其配管长度的关系。

图4 启动第4 min的空调系统循环图

图5 启动预热时间与室外环境温度的关系

图6 在相同的室外侧和室内侧工况下启动时长特性与配管长度的关系

图6显示，在相同的室内外侧工况下，随着配管长度的增加，机组预热所需时间显著增加，原因有三点：①随着配管长度增加样品推荐的制冷剂追加量增加，预热过程中需要对这部分的制冷剂进行预热，预热时间增加；②追加制冷剂后配管长度增加，而制热状态下高压侧管路为气管，其管路温度较低也导致了需要更多的时间进行预热；③管长增加后，机组管路压力损失较大，该损失主要在于液管，气体在经管径较小的液管回到冷凝器时产生了较大的节流效果，进一步降低了压缩机吸气量和制冷剂循环量。在本次试验中室外环境温度-15 ℃室外配管长度为125 m时，该配管液管入口与出口之间的压降为0.109 MPa，因此吸气比容大幅增加，制冷剂循环量更少，预热时间更长。本次测试中，在室外侧工况-30 ℃状态下，按照室外机最长配管长度125 m安装时机组的预热时间达3 h以上，低温、长配管共同作用导致了该问题，压缩机在稀释的润滑油中运行长达3 h，压缩机可靠性无法得到保障。

4 优化建议

除环境温度无法更改外，其余条件可以在产品设计和安装上进行优化，从产品设计角度上说，在产品管路中增加更大的阀以避免制冷剂迁移和采用变频变容压缩机是可行的措施，另外，针对低温下配管液管中因气态气体的流动导致系统流量少而增加预热期间电子膨胀阀开度来加快预热也是一个方法。从安装角度说，室外机与室内机之间的配管越短越好，因此，有效地改变安装条件是一个措施，同时为避免管路压力损失过大，管路过长时采用内径更大的液管配管也能有效解决该问题，提升可靠性。

5 结论

1）室内外环境温度的差异导致了制冷剂迁移，进而制热启动时间长可靠性差。根本原因则是预热期间室内蒸发器中制冷剂未得到有效冷凝导致系统节流前后制冷剂均为气态而非液态，气态制冷剂节流导致系统制冷剂环量大幅减少，预热时间过长，压缩机中润滑油长时间被稀释，导致压缩机内部无法建立有效润滑，直接影响压缩机寿命，可靠性差。

2）室外环境温度越低则启动预热时间越长，主要原因为越低的环境下启动低压越低，导致吸气比容越大，预热时间越长，可靠性越差。预热时间与机组配管长度呈正相关关系，配管越长所需的预热时间越长，可靠性越差。

3）改变机组设计来避免制冷剂迁移以及提高压缩机单位时间的吸气量是从产品设计上的方法，从安装上减少室内外之间配管的长度和更改配管中液管大小的方式能有效的降低预热时间，提高可靠性。