高温制冷家用空调器性能研究

于永全，贺素艳，王 军，杨启荣

(1.青岛大学机电工程学院，青岛 266071；2.海信(山东)空调有限公司，青岛 250100)

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]。尤其在春、秋过渡季节，农村、城郊等集中供暖不完善的地方，空气源热泵更具有可调性强、使用方便的优点。目前，我国空气源热泵应用日趋广泛，在建筑节能，替代燃煤供热等工程中发挥着越来越重要的作用。空气源热泵以电能为驱动力，将室外环境空气作为冷、热源，向被调节对象提供冷、热量。这种环保、高效的能源供给方式在低位能源利用方面具有明显的竞争优势。

家用热泵型空调装置，具有夏季供冷，冬季供暖的功能，但普通家用空调的温度适用范围-7℃～40℃。当空调器在高温工况下制冷运行时，制冷系统的高压侧的压力会显著上升，对制冷系统的耐压性和可靠性提出了要求；压缩机排气温度提高明显，造成压缩机油质变差；压缩机缸体温度升高，出现高温保护停机，严重时会造成转子漆包线融化，转子线圈短路，压缩机烧毁。

图1 补气增焓系统流程图Fig.1 The flow chart of REID system

目前，我国空调生产企业普遍使用的制冷剂为R22，对臭氧层有较大的破坏，而且根据《蒙特利尔议定书》约定，发达国家和发展中国家将分别于2020年和2030年全面禁止使用该制冷剂。R410A一直被视为R22的最佳替代品，但无论从产品特性还是经济层面而言，R410A仍只是一种过渡性产品，寻找更优质的新型环保冷媒成为我国制冷行业面临的共同课题[2，3]。

R32和R290有望成为R22的最佳替代品，但R290有“易燃易爆”这一致命缺点，国内R290冷媒空调的生产与推广还相当谨慎。而R32制冷剂破坏臭氧潜能值(ODP)为0，全球变暖系数值(GWP)0.11，工作压力与R410A基本相当。相同制冷量下，R32充注量仅为R22的三分之二左右。相比于R290，R32只具有低度可燃性，相比于R410A，R32的全球变暖系数只有前者的三分之一左右，这些优势使其成为当前最具潜力的R22的主要替代品之一。但是R32的排气温度较高,冷凝压力较高,不适合在高温工况下使用,而在低温工况可以有较好应用。

由此可见，如何提高空调器高温制冷能力及运行可靠性，以及环保新冷媒R32应用的技术问题将是家用空调器研究的热点[4，5]。

1 理论研究

图2 补气增焓热泵机组压焓图Fig.2 The pressure and enthalpy figure of REID system

补气增焓家用空调系统的流程图和压焓图如图1、2所示。其中图2中实线表示补气增焓空调的压焓图，虚线表示普通家用空调器的压焓图。补气增焓空调器制冷工作过程如下：转子压缩机排出的高温、高压制冷剂气体，在室外换热器中相变为饱和液体，并进一步过冷成为过冷液体。从室外换热器出来的高压(Pd)制冷剂液体(状态5)经毛细管节流到中间压力Pm(状态6)，变为气液两相混合状态，进入闪蒸器。在闪蒸器中快速闪发的气体(状态a)，通过补气口被压缩机吸入，此回路称为补气回路；闪蒸器下部的液体达到饱和状态(状态7)，再经电子膨胀阀节流到蒸发压力Ps(状态8)后进入室内换热器，吸收空气中的热量而蒸发，此回路称为主回路。在室内换热器内，主回路的制冷剂吸收室内环境中的热量而变为低压气体通过吸气口被压缩机吸入，压缩到一定压力后和补气回路吸入的制冷剂在压缩机内混合(状态3)，再进一步压缩后排出压缩机外，从而构成了封闭的工作循环。

由于转子式压缩机二次吸气腔补进的气体是在压缩机吸气口完全封闭后进气的，因此，与常规热泵相比，原吸气量不变，而压缩机的总排气量增加了，故机组的能力必然增加。但热泵循环的EER值为能力与功率的比值，因为转子式压缩机存在一个补气-压缩过程，该循环所消耗的压缩功的影响因素变得较为复杂，不能简单地简化为稳定流动的绝热压缩过程。因为在整个压缩机补气期间，补气和气体压缩同时进行，最终压缩腔内气体逐渐增至排气压力Pd。因此，该补气-压缩过程是同时具有绝热充气和旋转压缩的综合过程。此外，补气压力差，补气孔口通道面积不断变化，致使补气质量流率、压缩腔内工质数量及其状态参数均不断变化，若考虑到该过程的冷却作用，补气-压缩过程实质上是工质数量不断变化的非稳定流动多变压缩过程[6-8]。

2 实验平台搭建

机组的实验测试在国家标准焓差实验室进行，空调机组的电加热装置保持断开。实验用空调器采用额定制冷量为5000W的分体热泵型变频柜机，原来空调系统配置为基础，采用同排量的某厂家补气增焓型转子式变频压缩机、R410A制冷剂、节流元件为电子膨胀阀+毛细管，在电子膨胀阀、毛细管之间增加补气回路(闪蒸器+电磁阀)。

实验空调机组和测试装置如图3所示：

图3 空调机组和测试装置Fig.3 Air conditioning unit and test device

补气增焓空调器的制冷性能实验按表1工况进行模拟测试。

表1 实验工况Tab.1 Experimental condition

试验机组将毛细管长度固定，压缩机频率设置为65Hz，补气回路关闭，按表1工况测试各工况下空调系统最佳关补气(补气回路中电磁阀闭合，补气截止)制冷能力、功率、排气温度等试验基础数据；再按表1工况，分别手动控制电子膨胀阀的开度及更换毛细管长度(内径固定)，测试各工况下最佳补气制冷能力(补气回路中电磁阀开启)、功率、吸排气温度、Ps、Pd、Pe、Pc等数据。

3 实验数据统计及分析

图4 能力对比及能力、EER提升Fig.4 Ability to contrast,the improvement of ability&EER

由图4可知，关补气制冷能力、开补气制冷能力随着室外环境温度的升高而降低，最佳制冷能力提升比随着室外环境温度的升高而提高，补气增焓技术对空调高温制冷性能提升明显。当室外温度为50℃时，最佳制冷(71Hz)能力提升20.5%，达到4760W,与额定制冷(61Hz)能力(4815W)相当；同时EER也有所增加，达到4.25%。但是补气增焓对制冷的能效效果不明显，尤其当室外环境温度不是很高时，EER还会有所降低。

表2 室内出风温度(℃)Tab.2 Indoor air temperature(℃)

由表2可知，作为影响用户舒适性重要指标的室内出风温度在补气时有所下降，当室外温度达到50℃时，出风温度降低1.28℃，出风温度为20℃。可见补气增焓空调器对高温区域室内环境状况起到一定的改善作用。

由图5可知，随着室外环境温度的升高，吸气温度会有所上升，但排气温度上升幅度较大；当补气功能开启时，吸气温度会略有升高，但排气温度则大大地降低了，且随着室外环境温度的升高，排气温度降低幅度越来越大，在50℃时，排气温度仅为84.7℃，与额定制冷工况(室外温度35℃)相当。由此可见，补气增焓可以有效的控制空调器在高温工况下运行时压缩机的排气温度。

由图6可知，随着室外环境温度的升高，低压端的蒸发温度会有所上升，但高压端的冷凝温度上升幅度较大；当补气功能开启时，蒸发温度会略有降低(约为1℃)，但冷凝温度升高了3℃以上。可见，补气增焓可以降低低压端的蒸发温度，但是升高了高压端的冷凝温度。

由表3可知，空调机组各工况下运行至最佳制冷能力时，吸气压力、排气压力和压比均随着室外环境温度的升高而增加。补气增焓会使吸气压力和排气压力略有升高,当室外环境温度达到50℃时，吸气压力上升0.11MPa，排气压力上升了0.23MPa。补气功能开启还会使系统压比有所下降。可见补气增焓技术会导致系统压力的增加，需要增加管路的耐压性。

因此补气增焓型变频空调可将家用空调的温度适用范围由原来的-7～40℃扩展到-7～50℃。

图5 吸气温度与排气温度Fig.5 The suction temperature and exhaust temperature

图6 蒸发温度与冷凝温度Fig.6 The evaporating temperature and condensing temperature

表3 制冷补气压力与关补气压力数据Tab.3 Supply gas pressure and normal gas pressure data when heating

4 结论

通过对补气增焓空调器的理论分析和实验研究，可以得到以下对高温制冷空调技术以及环保新冷媒R32的应用有科研价值的结论及建议：

(1)在原来空调系统基础上只需将普通转子式变频压缩机改为补气增焓型同排量转子式变频压缩机，增加闪蒸器及电磁阀，就可实现50℃正常制冷,且与额定制冷量相比无衰减，具有技术方案简单、可靠性高、经济性高等优点。

(2)补气增焓型变频空调可以提高空调器的高温、超高温制冷能力，对于改善南方酷热地区夏天制冷需求具有重要意义，将空调的温度适用范围拓展到-7～50℃。

(3)补气增焓型变频空调可以大大降低压缩机的排气温度，排气压力略有增长，提高了空调器的高温制冷可靠性。

(4)鉴于补气增焓技术具有降低排气温度的特点，可以考虑在R32新冷媒的推广应用时采用补气增焓空调系统。

[1] 陈镇凯，胡文举，江辉民，等.带有闪发器的空气源热泵系统数学模型的研究[J].流体机械,2011,39(11):8l-87

[2] 丁国良,张春路,赵力.制冷空调新工质—热物理性质的计算方法与实用图表[J].上海：上海交通大学出版社,2003

[3] 吴华根,束鹏程,刑子文.采用替代工质的空气源热泵性能试验研究[J].暖通空调,2006,36(1)：60-62

[4] 黄玉优，王俊，尹茜，等.R32空气源热泵热水器的实验研究[J].制冷与空调，2011，11(4):69-72

[5] 矢岛龙三郎，吉见敦史，朴春成.降低R32压缩机排气温度的方法[J].制冷与空调，2011，2(11):60-64

[6] 王嘉，谢峤，石文星，等.高温空气源热泵(冷水)机组的IPLV(H)评价方法研究[J].制冷学报，2008，29(6):9-14

[7] 李玉春，蔡志鸿，何永峰,等.带经济器的热泵性能特征研究[J].制冷学报,2011,32(6):40-43

[8] 高智翔.应用EPI热式质量流量计系统测试半封闭式螺杆制冷压缩机的排气量的研究[J].制冷与空调(四川)，2005(1)：33-34