空调制热量的优化策略探析

2021-04-03赵亮郑婉君

中国设备工程 2021年12期

赵亮，郑婉君

（1.珠海格力电器股份有限公司；2.广东科学技术职业学院机器人学院，广东珠海 519090）

空调的制热量是评价空调性能的重要指标，空调在低温工况下制热，系统工作压力降低，制热量会出现一定程度的衰减，尤其是在湿度较大、室外机结霜的情况下，制热量的衰减更为严重。制热量的衰减会严重影响空调使用的舒适性，在寒冷地区，制热量不足是空调采暖的重要影响因素。喷焓技术、双级压缩技术是应用于空调的新技术，目的都是用于提高低温制热量。本文从空调设计的各影响因素进行分析，提出一些提高空调制热量的优化设计策略。

1 风量对空调制热量的影响

空调的风机包含室内机的送风风机和室外机风机。对室内风机而言，无论是制冷还是制热，室内机风量越大，换热量越大。在制冷模式下，室内风量越大，制冷量越高，但是出风温度和室内机噪音也会相应升高，影响空调使用的舒适性。在制热模式下，室内风量越大，制热量越高，但是，制热量的提高也不是线性的，当风量提高到一定程度后，随着风量的提高，制热量的增长会变得非常缓慢，这时也会伴随着出风温度的降低和噪音变大等一系列问题。所以，室内风机的风量并非越大越好。在制热量满足的情况下，制热模式下可以降低室内的送风量，因为降低送风量后，系统高压变高，在节流相同的情况下，会有更多的液态冷媒被高压差带入低压侧，从而提高蒸发压力和低压侧的冷媒量。这样就能避免压缩机吸气量不足造成的制热量过低。适当降低室内送风量是提高制热工作压力、提高系统制热运行稳定性的一种方法。

对室外风机而言，同样的无论是制冷还是制热，室内机风量越大，换热量越大。在制冷模式下，室外风量越大，对冷凝器散热越有利，冷媒的过冷度越大，这样不仅可以有效提高机组的制冷量，而且可以有效地优化液流噪音，提高舒适性。对制热而言，室外机风量的提高，可以使冷凝器中的低压液态冷媒更快更完全地蒸发，保证压缩机的吸气量，同时提高低压侧压力，有效避免冷凝器结霜，有效地提高系统的制热量。同时，增大冷凝器表面的风速，水分不易在冷凝器表面停留和凝结，不利于霜层的形成，可以有效地避免室外机结霜。不结霜就可以避免机组制热量的衰减。

2 低压控制对空调制热量的影响

对于空调制热而言，系统工作的高压是制热量大小的直接影响因素。系统工作高压越高，意味着室内侧管温和环温的温差越大，在同样风量的情况下，制热量也越大。系统的低压也是制热量影响的非常重要的因素。适当地提高系统工作低压对提高机组的制热量也是有好处的。在名义制热工况下，由于系统压力过低，有些机组会出现结霜的现象。一旦出现轻微的结霜，会极大地降低室外换热器的性能，一方面，风阻变大；另一方面，换热受到影响，霜层会越积越厚直至堵死换热器，此时，室外侧基本无换热，大量的液态冷媒在换热器中无法蒸发，堆积在汽分中，减小了系统的冷媒循环量。结霜对于机组制热性能来说是致命性的，结霜后机组的制热性能会有极大的衰减，一般衰减量会达到20%以上。适当提高系统的低压，使系统低压侧冷媒饱和温度维持在-2℃以上，可以有效地避免室外机结霜，从而维持机组的制热量不衰减。

提高机组低压的方法有很多，包含压缩机的控制、节流元件的控制、旁通的控制等。首先，是压缩机的控制，压缩机排量大，频率高一方面是有益的，因为可以直接提高空调的制热量，但是，过高的排量。过高的频率会造成吸气量供应不足，造成低压的下降。低压的下降就意味着结霜风险的提高，所以需要控制压缩机排量及频率在合适的范围内，不能过低，这样会造成制热量不足，也不能过高，这样会造成低压过低结霜，压缩机的频率要根据各种工况进行匹配，并在必要的时候进行控制调节。其次，是节流元件的控制，节流元件用于控制系统冷媒流量。节流孔径越小，冷媒流通量也越小，高低压差越大，虽然初期制热量高，但是，由于低压偏低增加了结霜风险，所以随着时间的推移，后期制热量可能会减小。节流孔径越大，虽然能够提高低压压力，并增加压缩机的吸气量，但是，由于高压无法达到理想值，制热量也不会很高，所以节流元器件的控制就至关重要，既要保证高压从而保证制热量，又要控制低压不能过低出现结霜影响制热量，采用电子膨胀阀的机组一般会根据需求自动调节。最后，是旁通的调节，空调的旁通一般分为气旁通和液旁通。气旁通一般是从压缩机的排气侧直接将高温高压的冷媒旁通到低压侧，用于提高系统低压，一方面，可以提高压缩机吸气量；另一方面，提高系统低压，降低结霜风险。液旁通一般是从冷凝侧出管旁通一部分高压液态冷媒到低压侧，作用也相同。低温喷焓技术其实也是一种旁通技术，目的都是为了提高低温制热量。

3 化霜周期的影响

在高湿度工况下，如果空调因不可避免的工况结霜，那么，化霜周期也是影响制热量的重要因素。在极端恶劣的除霜工况下，机组的制热能力一般呈现抛物线式的增长，开机阶段，因高压未达到目标值，制热量不足，待20min运行稳定后，一般会达到一个最高点，然后随着时间的推移，霜层厚度慢慢增加，机组的制热量会出现下降趋势，50min后，制热量会衰减至最高点的80%左右，随着时间的推移，因为冷媒循环量不足，制热量还会进一步的下降。所以，选取合适的化霜周期就显得尤为重要，化霜周期决定了机组的平均制热量。化霜周期的选取需要使平均制热量最大化。过短或过长都不利于制热的效果。化霜时间也不宜过长，化霜时间一般不超过10min，化霜时内机是没有制热量的，化霜时间过长会拉低制热量平均值。可以采用提高压缩机频率的方法加快化霜速度。

4 冷凝器设计的影响

冷凝器的设计也是空调制热量的重要影响因素。冷凝器的设计关键在两个方面，一是冷凝器的换热面积，二是冷凝器的分路。

首先，冷凝器的换热面积，冷凝器的换热面积会影响蒸发效果，冷凝器设计过小，会造成冷媒蒸发不完全，多余的液态冷媒就会存在气液分离器中，减少冷媒循环量，压缩机吸气量不足，也会造成高压下降。冷凝器也不宜设计过大，会增加空调器的生产成本，所以冷凝器的面积需要在满足换热及能效的情况下，结合生产使用成本来综合考量。其次，冷凝器的分路设计，冷凝器的分路设计会影响各路冷媒的分配，分液设计要使得各路冷媒分配均匀，每路冷媒都能得到充分的蒸发。如果分路不均，也会造成回液，从而影响制热量。另外，分液不均还会造成易结霜，所以冷凝器的分液均匀性对制热量的影响也是非常大的。冷凝器的分液一方面可以通过冷凝器的走管方式解决，另一方面，可以通过匹配分液毛细管来解决，这些可以使用仿真方法，并结合一定的实际经验及系统匹配测试来设计。