刘群波
广东美的制冷设备有限公司
摘要：阐述现有多联式空调系统与家用一拖一空调相比存在的问题，系统介绍了现有变频变容多联机的工作原理和存在的问题，通过实验研究积液产生的原因及解决方案。提出低压切缸的解决方案。
关键词：变频变容；多联机；积液
1、前言
随着人们生活水平的提高，现代办公和家庭建筑中普遍都配备了空调系统或安装了空调，随之带来的的结果就是空调系统能耗在建筑能耗中的比重越来越大[1-2]。此外，越来越多家庭消费者开始选用多联机。但是目前多联机与家用一拖一空调相比，最突出也是最难解决的问题之一就是能耗大[3]。如何降低多联机的运行能耗，越来越受到广泛关注。《中国制冷空调实际运行状况调研报告》[4]指出，家用多联机单开一台室内机的运行时间占总运行时间的60%，低负荷（开两台及以下）运行时间占总运行时间的87%。通过现有机组测试数据可知，见图1，在负荷率低于25%时，家用多联机能效随负荷率减小而急剧下降。
针对这一情况，目前市场上存在一款变频变容多联机。多联机通过搭载变频变容技术，运用单双缸切换的运行模式，使压缩机能够满足不同工况下的运行要求，解决家用多联机产品低负荷能效低的问题。
2、变频变容多联机
2.1变频变容多联机工作原理
变频变容多联机系统由变频变容压缩机、四通阀、室外换热器、室内换热器、节流机构、电磁阀A、电磁阀B、油分等组成。与普通多联机的不同点在于其变频变容压缩机的使用，其系统和结构见图3。该压缩机具有上下两个压缩气缸，其主要特征是在分液器上设置有单向阀，在下气缸、下法兰上设置通孔将下气缸吸气口、过滤器相连，在下法兰上设置有锁止机构-销钉，通过以上结构控制压缩机单缸、双缸运行。
2.2 存在的问题
当系统单缸运行时，压缩机排气直接与下缸体相通，且冷媒不循环，由于排气冷媒温度高于环境温度，受自然冷凝的作用，下吸气口处管路会积存有大量液态冷媒。
2.3问题分析
系统由单缸切双缸运行模式，既然液态冷媒会造成液击以及压缩机驱动控制与气缸工作数量不匹配损坏压缩机，那么最直接的解决方法是将液态冷媒排出再进行双缸运行。
2.3.1排液可行性分析
在压缩机单缸运行模式转双缸运行模式时，排液电磁阀开启，那么，cd、de管段及压缩机下缸体是高温高压状态冷媒，压缩机吸气是低压侧，会在压差的推动下流向低压侧，将cd、de管段及压缩机下缸体液态冷媒排出，以保证压缩机下气缸工作时不会液击和切缸无延误。设计以下实验方案进行验证。
2.3.1.1试验装置
试验室采用国家标准建造工况实验室，分室内侧和室外侧，其四周均采取隔热措施，可由空气处理系统调节室内侧、室外侧温度和湿度。试验采用一台6ph变频+变容压缩机的多联式室外机，3台室内机，分别为1ph、2ph和3ph，并在cd管段加装视液镜，示意图如下。
2.3.1.2实验验证
名义制热工况下，机组开启1台1ph室内机，设定25℃、低风档制热运行，当系统进入由压缩机双缸运行切换为单缸运行时开始计时，持续单缸运行6小时后，关闭换向电磁阀、开启排液电磁阀，观察视液镜内液态冷媒变化。
经试验验证，随单缸运行时间增加，视液镜液位缓慢上升；开启排液电磁阀后，视液镜液位迅速降低，降低至0刻度。现象表明cd、de管段及压缩机下缸体会积液、通过排液电磁阀也可以将液体排除干净。而此排液方式受管路在单缸运行积冷媒速度及排液电磁阀开启后排液速度等影响，具体控制的可行性需要进行试验验证。
2.3.2积液速度
1）热量分析：
冷媒由气态相变成液态，需要冷凝放热。管内高温冷媒通过铜管以导热的方式与环境交换热量，从而影响冷媒冷凝。根据传热方程式（如下），在固定的机械装置里，导热材料的大孝材质是固定的，因此换热面积F、导热系数k都是固定参数。所以热流量Q主要受换热温差影响。控制排气温度、室外环境温度即可控制冷媒冷凝速度。而排气温度属机组运行参数，正在运行时此参数较为稳定，那么可以认为室外环境温度是积液的主要因素。
传热方程式[2]：
Q=Fk（t1-t2）
式中：Q为热流量，单位W；F为换热面积，单位m?；k为传热系数，单位W/(m?*℃)；t1、t2为物体温度，单位℃。
2）实验验证：
在上述实验装置下，让机组单缸运行，控制排气温度在正常范围内，测试不同室外环境温度下，运行6小时后，视液镜液面高度。
3）积液速度分析：
下图为机组在单缸运行6小时后视液镜液态冷媒高度随室外环境温度的变化曲线。可以看出，随着环境温度增加，视液镜中液态冷媒高度在减小，即环境温度越高，积存的液态冷媒越少。积液量与环境温度呈负相关。
2.3.3排液速度
1）压力分析：
单位时间内因压差使液态冷媒由cd、de和压缩机下缸体通过排液电磁阀流向压缩机汽液分离器的液态冷媒体积，定义为排液速度。在冷媒种类、排液电磁阀口径及管路内径参数固定的情况下，排液速度主要受压差影响。
2）实验验证：
在本文所述实验装置下，让机组单缸运行，待视液镜中液位高度达到15cm后，调节压缩机频率和节流阀以控制系统压差，重复多次实验，在不同压差下关闭换向电磁阀、同时打开排液电磁阀，记录不同压差下视液镜液位降低到0所用时间，即排液时间。
3）排液速度分析：
下图为机组在视液镜中液位达到15cm后，排液时间随系统压差变化的曲线。可以看出，系统压差6bar以下时，排液时间随压力增加迅速减小；系统压差11bar以上时，排液时间在1秒左右，基本不变。
所以，可以得出系统压差越大，排液速度越快，所用时间越短，尤其是在11bar以上时，排液时间可以控制在1至2秒。
2.4解决方案
由积液实验和排液实验可以得出，要得到图示视液镜15cm高的液态冷媒，需要在室外环境温度5℃时积液6小时；而将其排除，根据不同系统压差，只需要1s至20s不等时间。积液速度远小于排液速度，所以可以依据机组系统压差，推测出初步排液时间，使用外环境温度及单缸运行时间修正排液时间，使压缩机单缸切双缸可以得到精准控制，以保障压缩机可靠性及控制有效性。
3 衍生方案
现存变频变容多联机的方案对于单缸切换成双缸运行存在冷媒不循环区域问题，采用的是提前排放冷媒的方式，但是该方式未从根本上解决冷媒不循环区域的形成问题。如果压缩机采用低压切单缸的方式，可以从根本上解决该问题，具体系统见图7。该系统最大的特点就是将单缸运行的冷媒不流动区设置成低压。可变容积的气缸还是下气缸，通过管路始终保持销钉尾部与压缩机吸气口的连通，保证销钉尾部一直是低压。通过调整下气缸划片端面的压力来实现系统单双缸的运行。
当系统单缸运行时，通过控制开启低压电磁阀，关闭高压电磁阀，此时变容口与低压冷媒连通。划片端面和销钉头部亦与低压冷媒连通。销钉上下两面都是低压，由于弹簧力作用，销钉卡住滑块，下气缸空转，此时系统单缸运行。
当系统双缸运行时，通过控制关闭低压电磁阀，开启高压电磁阀，此时变容口与高压冷媒连通。划片端面和销钉头部亦与高压冷媒连通。由于压差原因，销钉头尾的高低压差克服弹簧力，销钉拔出，滑块可以正常活动，此时系统双缸运行。
4 总结
变频+变容积技术可以有效降低家用多联机实际使用能耗，目前压缩机单缸运行方式存在高压单缸和低压单缸两种方式，其中高压单缸需要考虑积冷媒问题，并且需根据对应系统测试积冷媒以及放冷媒的数据，以便制定单缸切双缸前的排液控制，保证系统可靠性以及寿命。本文提出的低压单缸方式可以从根本上解决冷媒不循环区域的形成问题，系统可靠性可以得到充分的保证。
参考文献
[1] Huang P, Hang G S, Wang Y. HVAC system design under peak load prediction uncertainty using multiple-criterion decision making technique [J]. Energy and Buidings, 2015,91:26.
[2] Perez-Lombard L, Ortiz J, Pout C. A review on buildings erergy consumption information [J]. Energy and Buidings, 2008,40(3):394.
[3] 李兆坚, 江亿. 住宅空调方式的夏季能耗调查与思考[J]. 暖通空调, 2008 38(2):37-43
[4] 中国制冷空调实际运行状况调研报告 2017
[5] 杨世明, 陶文铨. 传热学[M]高等教育出版社 北京：2006
论文作者:刘群波
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：压缩机论文; 冷媒论文; 销钉论文; 系统论文; 液态论文; 电磁阀论文; 低压论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;