变工况下制冷剂充灌量对系统性能影响的实验研究

郑波 梁祥飞 庄嵘

（珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院 广东珠海 519070）

1 引言

目前，对提高家用空调器性能系数的研究主要集中在部件性能的改进和变频技术的应用上，而关于充灌量对空调器性能影响的节能研究还比较薄弱。理论分析和实验证明，充灌量对空调器性能的影响很大，不同工况都存在着与之对应的一个充灌量使系统的制冷量、能效比最佳，称这一充灌量为最佳充灌量。通常，系统的充灌量是以设计工况来确定的，而实际的运行工况又往往偏离设计工况，这样，即使以设计工况确定的最佳充灌量对系统进行充灌的空调器，也不可避免地存在因工况变化产生的充灌量相对增加或减少的问题，从而影响实际运行的能效比及季节能效比。因此，精确计量在实际工况变化范围内最佳充灌量的变化和性能指标的变化，则是定量分析空调器性能因工况变化产生的充灌量相对增加或减少而引起下降的必要条件。对于空调实际工况变化范围内最佳充灌量的变化有多大和这种变化对性能影响的程度如何的研究至今还鲜有报道，因此有必要进行这方面课题的研究。

2 变工况试验

试验所选样机为5kW热泵型家用空调器，制冷剂为R22，充灌量为1600g。试验主要包括额定工况及变工况下的性能测试及充灌量匹配，测试工况如表1所示。其中，工况3为额定工况，另外四个工况为变工况。

表1 测试工况

图1 制冷变工况下制冷量随充灌量变化曲线

图2 制冷变工况下EER随充灌量变化曲线

图3 制冷变工况下功率随充灌量变化曲线

试验中，首先进行了额定工况及变工况下的性能测试，然后对变工况下的性能进行充灌量匹配，最后再次进行额定工况及变工况下的性能测试。试验过程中，毛细管长度始终保持不变。

3 数据分析

3.1 制冷

图1和图2是在变工况下匹配充灌量时的制冷量和EER变化曲线。可以看到，在毛细管长度保持不变的情况下，有以下结论：

(1)室内/外工况一定时，随着充灌量的增加，制冷量和EER都是先增加，后降低，在某一充灌量下出现极大值，且最大制冷量对应的充灌量大于最大EER对应的充灌量。

这是因为室内/外工况一定时，随着充灌量的增加，蒸发温度升高，蒸发器内制冷剂与室内空气之间的传热温差减小，使制冷量有减小的趋势；另一方面，随着充灌量的增加，吸气温度降低，吸气压力增加，导致压缩机吸气比容减小，制冷剂循环流量增加，制冷剂侧换热系数增加，总传热系数增加，使制冷量有增加的趋势；同时，随着制冷剂充灌量的增加，蒸发器过热度降低，总的有效换热面积是增加的。充灌量较小时，换热系数和有效换热面积的影响占主导地位，随着充灌量的增加，制冷量增加；而充灌量较大时，制冷剂与空气之间的传热温差占主导地位，随着充灌量的增加，传热温差降低，所以制冷量降低。因此，随着充灌量的增加，制冷量先增加后降低。

从图3可以看出，随着充灌量的增加，压缩机耗功一直是增加的，但增加的速度越来越慢。在低充灌量下，随着充灌量的增加制冷量增加的速度要快于压缩机耗功增加的速度，所以能效比是增加的；但是在较高充灌量下，随着充灌量的增加制冷量缓慢增加，到达某一极值后，制冷量降低，而压缩机耗功随着充灌量的增加一直增加，所以能效比降低。从以上分析也可以看出，在制冷量达到最大值之前，EER已经达到最大值。

(2)充灌量和室内环境温度一定时，随着室外环境温度的升高，制冷量和EER都是降低的，最大制冷量和最大EER对应的充灌量也都是降低的。

充灌量和室内环境温度一定时，室外环境温度升高，冷凝温度快速升高，而蒸发温度只是略微升高，使得蒸发器进口制冷剂干度升高，所以蒸发器进出口比焓差降低。另外，虽然蒸发温度略微升高，吸气比容降低，制冷剂循环流量增加，但毕竟不占主导地位，所以随着室外环境温度的升高，样机的制冷量是降低的。由于冷凝温度升高较多而蒸发温度升高较少，所以压比增加，压缩机比功增加，而且制冷剂流量也是增加的，所以压缩机耗功增加，因此EER是降低的。

假定在某一充灌量下，工况1时制冷量达到最佳值，其他条件不变，只有室外环境温度升高，此时系统的冷凝温度迅速升高，制冷量和EER降低，此时要使系统的制冷量和EER向增加的趋势发展，一个必要条件是降低冷凝温度，而系统充灌量降低会使冷凝温度降低，所以，室外环境温度升高时，系统的最大制冷量和最大EER对应的充灌量也都是降低的。

(3)充灌量和室外环境温度一定时，随着室内环境温度的升高，制冷量和EER都是增加的，最大制冷量和最大EER对应的充灌量也是增加的。

充灌量和室外环境温度一定时，室内环境温度升高，蒸发温度快速升高，而冷凝温度只是略微升高，压比降低，压缩机比功降低。因为蒸发温度升高，吸气比容降低，所以压缩机循环流量增加，流量的增加占主导地位，样机制冷量增加。压缩机比功降低，制冷剂流量增加，使得压缩机耗功基本不变，所以EER增加。

其他条件不变，只有室内环境温度变化时，蒸发温度的变化最大，蒸发温度升高时，制冷量和EER都是增加的。所以，当充灌量为室内环境温度较低时最大制冷量和EER最大值对应的充灌量时，室内环境温度升高时蒸发温度升高，制冷量和EER都增加，因此要使系统的制冷量和EER向增加的趋势发展，一个必要条件是升高蒸发温度，而充灌量增加系统蒸发温度会升高，所以室内环境温度升高时，最大制冷量和最大EER对应的充灌量也是增加的。

图4和图5是充灌量优化之前的额定工况及变工况下制冷量和EER与充灌量优化匹配之后的变工况下制冷量和EER的对比情况。需要说明的是，优化后的数据是通过对EER变化曲线进行数据拟合计算得到的最佳EER值所对应的充灌量以及在该充灌量下的制冷量拟合数据。可以看到，充灌量优化匹配之后，其制冷量和EER都有不同程度的提高。

图4 充灌量优化前后制冷量对比情况

图5 充灌量优化前后EER对比情况

图6 制热变工况下制热量随充灌量变化曲线

3.2 制热

图6是在变工况下匹配充灌量时的制热量的变化曲线。从图6可以看到，在毛细管长度保持不变的情况下，有以下结论：

(1)室内/外工况保持不变的情况下，随着充灌量的增加，样机的制热量先增大，后减小，在某一充灌量下出现制热量的极大值。

在工况保持不变时，各参数随着充灌量的增加的变化规律与制冷一样，冷凝温度和蒸发温度都是升高的，制冷剂循环流量也是增加的。在低充灌量下，制冷剂循环流量的作用占主导地位，在高充灌量下室内换热器制冷剂和空气之间的传热温差占主导地位，所以随着充灌量的增加，室内机的热负荷即制热量随着充灌量的增加是先增加后降低的。

(2)在室内环境温度和充灌量保持不变的情况下，随着室外环境温度的升高，样机达到最大制热量所需的充灌量逐渐增多，样机所能达到的最大制热量逐渐增大。

图7 制热变工况下制热功率随充灌量变化曲线

制热工况下，室外环境温度升高，蒸发温度升高的幅度最大，压缩机吸气压力升高较大，吸气比容降低，制冷剂循环流量有较大程度地增加，样机的制热量增加。同样充灌量增加也能使蒸发温度升高，所以室外环境温度高时样机制热量最大对应的充灌量也要大一些。

(3)在室外环境温度和充灌量保持不变的情况下，随着室内环境温度的升高，样机达到最大制热量所需的充灌量逐渐减少，样机所能达到的最大制热量逐渐减小。

制热工况下，室内环境温度升高，冷凝温度升高的幅度最大，进出口比焓差会越小，而此时由于蒸发温度变化不大，吸气压力增加较小，吸气比容变化也较小，制冷剂循环流量变化较小，所以样机制热量会降低。降低系统充灌量能使冷凝温度降低，所以当室内环境温度升高时样机制热量对应的充灌量会小一些。

图8是充灌量优化之前的额定工况及变工况下制热量与充灌量优化匹配之后的变工况下制热量的对比情况。需要说明的是，优化后的数据是通过对制热量变化曲线进行数据拟合计算得到的最佳制热量及对应的充灌量。可以看到，充灌量优化匹配之后，其制热量在各工况下都有不同程度的提高。

图8 充灌量优化前后制热量对比情况

4 结论

从前述试验分析可以得到以下结论：

(1)无论是制冷还是制热，变工况下的最佳制冷剂充灌量都随着工况的改变而改变。优化充灌量之后，系统的制冷量/EER以及制热量都有不同程度的提高。

(2)制冷时，随着室外温度的升高，制冷量和EER都降低，对应的系统最佳制冷剂充灌量也减少；随着室内温度的升高，制冷量和EER都升高，对应的系统最佳制冷剂充灌量也增加。

(3)制热时，随着室外温度的升高，制热量升高，对应的系统最佳制冷剂充灌量也增加；随着室内温度的升高，制热量降低，对应的系统最佳制冷剂充灌量也减少。

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