家用空调补气增焓制热运行能力波动问题研究与分析

罗永前 苏玉熙 王现林 黄允棋

珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司，广东珠海 519070

摘要

本文依据家用空调补气增焓原理，针对产品能力波动的问题进行深入的实验分析，确立补气量对系统运行稳定性影响的核心参数，通过对制热运行时一级节流阀、二级节流阀控制参数进行修正，使得整机各运行参数平稳，解决制热运行能力波动问题，室内温升温度提升1.5℃。

关键字

补气增焓；制热波动；控制措施。

引言

空气源热泵是环保型高效节能的供热装置，其低位热源是环境空气，具有无污染物排放的特点，符合供暖的理想模式^[1]。家用型热泵空调器多针对制冷季节设计，制热运行时在-5℃或以下工况会出现吸气压力低，制冷剂吸气比容增大，系统制冷剂流量减小，制热量显著减小 ，如提升频率则压缩机压比变大，冷媒流量更小^[2]。对此补气增焓双级压缩系统可增大制冷剂流量，但家用空调系统相比商用补气增焓系统设计更为简单，灌注量小，无储液器、流量分配等装置，故对高低压级制冷剂循环量分配控制对性能提升和系统稳定性至关重要。

1系统控制理论概况

图 1双级压缩系统流路图

采用双级压缩一次节流中间不完全冷却系统，莫里尔线图如下。家用空调设计相对商用系统简单，只有排气、蒸发器、冷凝器、内外环境感温包作为电子膨胀阀调节系统流量的控制参数。故为确保系统高低压级制冷剂循环流量分配稳定，系统启动开环运行阶段，两个膨胀阀的开度是固定的，而进入闭环运行阶段一级膨胀阀采用目标排气控制，二级节流膨胀阀采用内外环温与频率联动控制。

根据双级压缩热平衡，有： 式（1）

制热能力： 式（2）

式中： 为低压级制冷剂质量流量； 为制冷剂总质量流量； 为焓值。

因 制冷剂总质量流量不变，快速提升h₄值提升制热能力是最为直接。故在该系统控制上，开机后快速提升排气温度是实现快速制热的最有效手段。

图 2双级压缩系统循环压焓图

每次启动前，系统内的制冷剂存留分布无法确定。若中间冷却器存有大量液态制冷剂时，中间冷却器内制冷剂在无节流状态下进入压缩机，状态点3实际可压缩气态制冷剂减少，压缩效率降低，排气温度短期内难以提升，同时压缩机带有液压缩的风险。

按中间不完全冷却热量守恒，有：

式（3）

在首次开机实际运行中， 值较小，ρ₃值随之降低。故提升系统制冷剂质量流量需从快速提升低压侧制冷剂流量开始，使中间冷却器内液态制冷剂在系统中快速完成循环。

故首次开机时，两级膨胀阀开度不能设定太小来寻求快速提升排气温度，否则导致制冷剂液体存留在中间冷却器时间较长，导致排气温度达不到目标值，直至进入闭环控制后膨胀阀开度减少，以提高排气温度至目标值，高压级制冷剂循环量降低，能力下降。当排气温度上升超过目标值后，膨胀阀开大，排气温度下降，如此反复循环，导致系统控制波动。

1问题描述

某款额定制冷能力5000W的家用空调在额定制热、常温制热工况下排气出现波动，行曲线如下图1，样机配置见表1。

表格 1配置表

外机	压缩机	凌达B123z
	冷凝器	亲水波纹片/30U
	流路	4进2出
	电机	无刷直流电机 LW60
	冷媒	R32/1200g
	节流装置	电子膨胀阀
内机	电机	FN10D
	蒸发器	3排亲水开窗片/28U

图 3内20℃外干球7℃、湿球6℃额定制热测试模式运行曲线

图4 内20℃外干球7℃、湿球6℃自由运行波动曲线

在静置开机后，运行1h的时间范围内，从图中曲线可知：压缩机运行平稳，整机进入闭环调节后排气温度出现循环波动，一级阀节流阀随排气波动进行开大关小调节，系统运行参数不稳定。

2问题原因分析

参看图1，开机阶段前13min执行开环控制，膨胀阀开度固定。从升频至到达目标频率稳定运行，由于补气温度过低，排气温度不能持续升高，在8min时出现下降。直到第13min系统进入排气温度闭环控制，但实际排气温度只有51℃，未能达到目标排气88℃。进入开环后一级阀持续关小，直到出现排气上升，由于感温包检测滞后性，排气温度超目标值系统判断出现负向调节。在退出负向调节后，开度继续减少，如此反复循环。

为了确定是否因为单体的问题，使用另外一套样机验证，发现没有出现波动。相同的控制参数下，对比两系统运行参数差异，第2台额定制热排气压力高，排气温度低，初步锁定中间补气压力过高补气量过大，压缩作功升高。故合理的初始开度为系统稳定运行的关键因素。

表格 2额定制热内侧20℃；外侧干球7℃/湿球6℃下测试数据对比

样机编号	能力/W	频率/Hz	功率/W	COP	吸气/℃	排气℃	低压/MPa	高压/Mpa
样机1# 未波动	6936	89	2328.9	2.978	1.9	90.1	0.723	3.224
样机2# 波动	6926	89	2477.4	2.796	3.1	88.8	0.692	3.436

综上，出现排气波动是整机系统波动的一种异常情况，而在排气温度Td接近T_目标前,膨胀阀出现连续关小，在接下来一个完整的波动周期内（17min），膨胀阀开度也出现上下波动，不能稳定排气。一级阀开大系统补气压力增大补气增多，压缩机排气温度低更快。按现控制判断为一级阀误判为需要关阀以提升排气。当整机排气提升时膨胀阀又开阀以降低排气。如此一个过程，导致当整机出现排气波动时，本应调节排气的一级阀，随着排气的波动而出现上下波动，失去了调节目的。

2优化方案及效果验证

在锁定补气过多的原因后，减小中间压力，能使开机运行时中间压力平稳上升为控制关键点，在控制上可以增大1、2级阀的初始开度。据格力电器赖孝成等对电子膨胀阀初始开度的影响因素及拟合计算得到的公式可知

P=AF_当前频率+BT_室外温度+CT_室内温度+D

调整A阀的C\D值，B阀A值可以提升初始开度，开启压缩机后由于初始开度增大，降低补气压力。此时整个系统因为补气量引起的排气变化作用减小，系统排气可趋于收敛稳定。

表格 3参数更改前后对比

参数	更改前	更改后
【AHB阀】	1.5	2
【CHA阀】	1.5	3
【DHA阀】	70	80

3实验数据分析

3.1性能板块实验验证

更改前整机测试额定制热量为6936W，整改后额定制热量为6998W，系统在1小时后趋于稳定，同样在此工况自由运行状态下系统快速稳定，能力由波动时的6785W提升至6960W，提升2.5%。

内20℃外干球7℃、湿球6℃额定制热测试模式

内20℃外干球7℃、湿球6℃自由运行波动曲线

3.2舒适性情况验证对比

在外侧-5℃，内侧0℃下开机自由运行，记录房间温度变化值，取测试点平均值，通过表3可以看出，更改后程序自由运行60min，房间温度较原控制参数提升1.5℃。通过下图对比可以看出，原机测试时106hz就已经出现排气限频，更改后程序压缩机运行频率可稳定在116Hz，从而提升制热舒适性。

外侧-5℃，内侧0℃开机自由运行更改前

外侧-5℃，内侧0℃开机自由运行更改后

表格 4更换控制参数前后房间温升数据对比

制热最大能力温升速率	10min	30min	60min
原控制参数	7.227℃	14.53℃	20.47℃
更改后控制参数	6.547℃	15.15℃	21.99℃

4实验结论

1、通过对制热运行一级阀、二级阀初始开度调节，及关联参数的赋值优化，可有效降低中间压力变化对补气的影响，在目标排气控制的系统中，整机运行排气可快速收敛稳定；

2、运行参数的优化控制使得整机控制更加稳定，运行60min室内温升提升1.5℃，大大提升了房间舒适性。

[1]陈镇凯，胡文举，江辉民等，带有闪发器的空气源热泵数学模型的研究[J].流体机械，2011,39（11）：81~87

[2]秦黄辉.带闪蒸型经济器的风冷螺杆热泵机组性能实验研究[J].制冷学报，2013,34（5）：55-58