空調制熱量的優化策略探析

趙亮，鄭婉君

（1.珠海格力電器股份有限公司；2.廣東科學技術職業學院機器人學院，廣東 珠海 519090）

空調的制熱量是評價空調性能的重要指標，空調在低溫工況下制熱，系統工作壓力降低，制熱量會出現一定程度的衰減，尤其是在濕度較大、室外機結霜的情況下，制熱量的衰減更為嚴重。制熱量的衰減會嚴重影響空調使用的舒適性，在寒冷地區，制熱量不足是空調采暖的重要影響因素。噴焓技術、雙級壓縮技術是應用于空調的新技術，目的都是用于提高低溫制熱量。本文從空調設計的各影響因素進行分析，提出一些提高空調制熱量的優化設計策略。

1 風量對空調制熱量的影響

空調的風機包含室內機的送風風機和室外機風機。對室內風機而言，無論是制冷還是制熱，室內機風量越大，換熱量越大。在制冷模式下，室內風量越大，制冷量越高，但是出風溫度和室內機噪音也會相應升高，影響空調使用的舒適性。在制熱模式下，室內風量越大，制熱量越高，但是，制熱量的提高也不是線性的，當風量提高到一定程度后，隨著風量的提高，制熱量的增長會變得非常緩慢，這時也會伴隨著出風溫度的降低和噪音變大等一系列問題。所以，室內風機的風量并非越大越好。在制熱量滿足的情況下，制熱模式下可以降低室內的送風量，因為降低送風量后，系統高壓變高，在節流相同的情況下，會有更多的液態冷媒被高壓差帶入低壓側，從而提高蒸發壓力和低壓側的冷媒量。這樣就能避免壓縮機吸氣量不足造成的制熱量過低。適當降低室內送風量是提高制熱工作壓力、提高系統制熱運行穩定性的一種方法。

對室外風機而言，同樣的無論是制冷還是制熱，室內機風量越大，換熱量越大。在制冷模式下，室外風量越大，對冷凝器散熱越有利，冷媒的過冷度越大，這樣不僅可以有效提高機組的制冷量，而且可以有效地優化液流噪音，提高舒適性。對制熱而言，室外機風量的提高，可以使冷凝器中的低壓液態冷媒更快更完全地蒸發，保證壓縮機的吸氣量，同時提高低壓側壓力，有效避免冷凝器結霜，有效地提高系統的制熱量。同時，增大冷凝器表面的風速，水分不易在冷凝器表面停留和凝結，不利于霜層的形成，可以有效地避免室外機結霜。不結霜就可以避免機組制熱量的衰減。

2 低壓控制對空調制熱量的影響

對于空調制熱而言，系統工作的高壓是制熱量大小的直接影響因素。系統工作高壓越高，意味著室內側管溫和環溫的溫差越大，在同樣風量的情況下，制熱量也越大。系統的低壓也是制熱量影響的非常重要的因素。適當地提高系統工作低壓對提高機組的制熱量也是有好處的。在名義制熱工況下，由于系統壓力過低，有些機組會出現結霜的現象。一旦出現輕微的結霜，會極大地降低室外換熱器的性能，一方面，風阻變大；另一方面，換熱受到影響，霜層會越積越厚直至堵死換熱器，此時，室外側基本無換熱，大量的液態冷媒在換熱器中無法蒸發，堆積在汽分中，減小了系統的冷媒循環量。結霜對于機組制熱性能來說是致命性的，結霜后機組的制熱性能會有極大的衰減，一般衰減量會達到20%以上。適當提高系統的低壓，使系統低壓側冷媒飽和溫度維持在-2℃以上，可以有效地避免室外機結霜，從而維持機組的制熱量不衰減。

提高機組低壓的方法有很多，包含壓縮機的控制、節流元件的控制、旁通的控制等。首先，是壓縮機的控制，壓縮機排量大，頻率高一方面是有益的，因為可以直接提高空調的制熱量，但是，過高的排量。過高的頻率會造成吸氣量供應不足，造成低壓的下降。低壓的下降就意味著結霜風險的提高，所以需要控制壓縮機排量及頻率在合適的范圍內，不能過低，這樣會造成制熱量不足，也不能過高，這樣會造成低壓過低結霜，壓縮機的頻率要根據各種工況進行匹配，并在必要的時候進行控制調節。其次，是節流元件的控制，節流元件用于控制系統冷媒流量。節流孔徑越小，冷媒流通量也越小，高低壓差越大，雖然初期制熱量高，但是，由于低壓偏低增加了結霜風險，所以隨著時間的推移，后期制熱量可能會減小。節流孔徑越大，雖然能夠提高低壓壓力，并增加壓縮機的吸氣量，但是，由于高壓無法達到理想值，制熱量也不會很高，所以節流元器件的控制就至關重要，既要保證高壓從而保證制熱量，又要控制低壓不能過低出現結霜影響制熱量，采用電子膨脹閥的機組一般會根據需求自動調節。最后，是旁通的調節，空調的旁通一般分為氣旁通和液旁通。氣旁通一般是從壓縮機的排氣側直接將高溫高壓的冷媒旁通到低壓側，用于提高系統低壓，一方面，可以提高壓縮機吸氣量；另一方面，提高系統低壓，降低結霜風險。液旁通一般是從冷凝側出管旁通一部分高壓液態冷媒到低壓側，作用也相同。低溫噴焓技術其實也是一種旁通技術，目的都是為了提高低溫制熱量。

3 化霜周期的影響

在高濕度工況下，如果空調因不可避免的工況結霜，那么，化霜周期也是影響制熱量的重要因素。在極端惡劣的除霜工況下，機組的制熱能力一般呈現拋物線式的增長，開機階段，因高壓未達到目標值，制熱量不足，待20min運行穩定后，一般會達到一個最高點，然后隨著時間的推移，霜層厚度慢慢增加，機組的制熱量會出現下降趨勢，50min后，制熱量會衰減至最高點的80%左右，隨著時間的推移，因為冷媒循環量不足，制熱量還會進一步的下降。所以，選取合適的化霜周期就顯得尤為重要，化霜周期決定了機組的平均制熱量。化霜周期的選取需要使平均制熱量最大化。過短或過長都不利于制熱的效果。化霜時間也不宜過長，化霜時間一般不超過10min，化霜時內機是沒有制熱量的，化霜時間過長會拉低制熱量平均值。可以采用提高壓縮機頻率的方法加快化霜速度。

4 冷凝器設計的影響

冷凝器的設計也是空調制熱量的重要影響因素。冷凝器的設計關鍵在兩個方面，一是冷凝器的換熱面積，二是冷凝器的分路。

首先，冷凝器的換熱面積，冷凝器的換熱面積會影響蒸發效果，冷凝器設計過小，會造成冷媒蒸發不完全，多余的液態冷媒就會存在氣液分離器中，減少冷媒循環量，壓縮機吸氣量不足，也會造成高壓下降。冷凝器也不宜設計過大，會增加空調器的生產成本，所以冷凝器的面積需要在滿足換熱及能效的情況下，結合生產使用成本來綜合考量。其次，冷凝器的分路設計，冷凝器的分路設計會影響各路冷媒的分配，分液設計要使得各路冷媒分配均勻，每路冷媒都能得到充分的蒸發。如果分路不均，也會造成回液，從而影響制熱量。另外，分液不均還會造成易結霜，所以冷凝器的分液均勻性對制熱量的影響也是非常大的。冷凝器的分液一方面可以通過冷凝器的走管方式解決，另一方面，可以通過匹配分液毛細管來解決，這些可以使用仿真方法，并結合一定的實際經驗及系統匹配測試來設計。

5 結語

綜上，影響空調制熱量的因素是多方面的，在空調設計時，需要綜合風量、冷凝器設計、壓力控制、化霜控制等方面進行優化設計，并根據實際進行相應的調整，這樣才能設計出性能優良的空調機。