家用一拖多变频空调器应用于寒冷地区制热性能优化的试验研究

技术·创新/Technology and Innovation家用一拖多变频空调器应用于寒冷地区制热性能优化的试验研究黎顺全1 李廷勋2*（1.广东美的制冷设备有限公司 佛山 528311； 2.中山大学 广州 510725）摘要：为推广一拖多变频空调器在寒冷区域的应用，本文针对一拖多变频空调器的制热性能优化进行了试验研究。

通过优化系统控制参数的方法,显著提高了一拖多变频空调器的制热性能，试验测试了系统的制热性能,并与优化前系统进行比较，阐述了优化后的一拖多空调器应用于寒冷地区的优势。

试验对比测试了系统在室外环境温度-20~7 ℃下优化前后系统的制热性能，测试结果表明，在室外环境温度-20 ℃，内机全开运行时，优化后系统制热能力较原系统制热能力提升了34.0 %，出风温度较原系统出风温度提升了5.0 %，有效拓展了热泵型一拖多变频空调器的低温运行范围。

关键词：一拖多变频空调器；低温环境；制热性能Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｘｐａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｆｏｕｒ－ｓｐｌｉｔ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ａｒｅａｓ，　ｗｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｏｐ－ｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉ－ｃａｔｅｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ－ｆｏｕｒ－ｓｐｌｉｔ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ　ｓｅｒｖｉｎｇ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ．　Ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｅｒ－ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　－２０　℃　ｔｏ　７　℃　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｉｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ－ｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｏｕｔｌｅｔ　ａｉｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｔ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　－２０　℃　ａｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｂｙ　３４．０　％　ａｎｄ　５．０　％ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ａｌｌ　ｉｎｄｏｏｒ　ｕｎｉｔｓ．　Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅｖｅａｌ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ｍｕｌｔｉ－ｓｐｌｉｔ　ａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｒｅｇｉｏｎｓ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｍｕｌｔｉ－ｓｐｌｉｔ　ｈｅａｔ　ｐｕｍｐ；　ｌｏｗ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈｅａｔｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｅａｔｉｎｇ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａ　Ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　Ｍｕｌｔｉ－Ｓｐｌｉｔ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ－Ｄｒｉｖｅｎ　Ａｉｒ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｈｅａｔ　Ｐｕｍｐ　ｉｎ　Ｃｏｌｄ　Ａｒｅａｓ引言随着空调变频控制技术的不断发展和更新，一拖多变频空调器也不断成熟，受到消费者的青睐。

一拖多变频空调器由一台室外机搭配多台室内机运行，满足多个房间的不同需求。

一拖多变频空调器采用了变频控制技术，具有舒适、节能、高效等优点，同时，一拖多变频空调器能很好的解决空调室外机安装位置局限性的问题，很好的适应了当前住宅建筑的个性化需求［１］。

当前，在我国黄河流域及华北等寒冷地区，家庭住宅冬季供暖主要以燃煤或燃气为主要手段，造成了环境污染、能源利用率低等问题［２－３］。

空气源热泵能将热量从低温室外空气中转移到室内房间，达到节能减排的效果［４－５］。

然而，空气源热泵的使用容易受到室外环境温度的限制，随着环境温度的降低，室外机蒸发压力下降，压缩机吸气量进一步降低，压缩比增大，影响了热泵空调器运行可靠性。

另外，在室外空气湿度大的情况下，室外机结霜严重，进一步阻碍了空气源热泵的制热能力输出［６－７］，制约了空气源热泵在寒技术·创新/冷地区的推广和应用。

在２００７年９月，《蒙特利尔议定书》第１９　次缔约方会议讨论通过多项决定，　其中包括关于加速逐步淘汰氢氯氟烃（ＨＣＦＣｓ）的决定，　要求缔约方在选择ＨＣＦＣｓ　替代物时优先考虑的原则是：首先逐步淘汰那些ＯＤＰ　值较高的ＨＣＦＣ　ｓ　，　其次要选用ＧＷＰ值最小的工质作替代品，　并能够满足健康和要求，另外，会议要求发展中国家到２０２０年时ＨＣＦＣ　ｓ消耗量削减３０　％［８］。

采用Ｒ４１０Ａ与Ｒ４０７Ｃ混合物来替代Ｒ２２是一些国家目前所采取的方法，但是，Ｒ４１０Ａ和Ｒ４０７Ｃ的ＧＷＰ均比较高，分别为２　０８８和１　７７０［９］。

我国目前正处在ＨＣＦＣｓ淘汰的第一阶段，主要采用Ｒ４１０Ａ替代Ｒ２２作为过渡性的制冷剂，国内空调企业也在加速推出Ｒ４１０Ａ产品，但是，Ｒ４１０Ａ的ＧＷＰ值较高，这并不符合我国节能减排与低碳环保的政策方针，在这种形势下，需要继续探索更加环保型的制冷剂来替代Ｒ４１０Ａ。

中国一拖多空调器现阶段主要采用Ｒ４１０Ａ作为过渡性制冷剂，而针对Ｒ３２在变频一拖多空调器中特性的研究还比较少，本文以变频一拖多空调器作为研究对象，对Ｒ３２的循环特性进行了试验测试研究，并将试验测试结果与Ｒ４１０Ａ系统测试数据进行了对比分析，为今后环保型制冷剂在变频一拖多空调器中的应用研究提供一些参考。

本文研究的热泵型一拖多空调器，在采用环保型制冷剂Ｒ３２替代Ｒ４１０Ａ的试验研究基础上，优化制热时变频控制技术和电子膨胀阀控制技术，通过试验对比研究与分析来说明该方法的可行性及优势。

１　Ｒ３２替代Ｒ４１０Ａ在一拖多空调器中试验研究１．１　Ｒ３２最佳充注量分析图１为系统能效比和制冷量随制冷剂充注量的变化。

随着制冷剂充注量的升高，能效变化呈现先升高后下降，存在明显的最佳充注量。

主要原因是当充注量过小时，蒸发器出口制冷剂过热度大，使得铜管内换热面积未充分利用；当充注量过大时，蒸发器出口制冷剂处于两相区，冷量小造成能效不高。

１．２　两种制冷剂制热性能研究对比图２为Ｒ３２与Ｒ４１０Ａ系统能效曲线的比较，从图２中可以看出，在制热模式下，由于Ｒ３２系统排气温度较Ｒ４１０Ａ更高，制热输出较大。

Ｒ３２系统能Ｒ３２系统能效比略高于Ｒ４１０Ａ系统，在室外低温制热时ＣＯＰ增幅为６．５　％，但是随着室外温度降低，其优势逐渐减弱至与Ｒ４１０Ａ相当。

２一拖多变频空调器控制优化２．１　制热时压缩机频率控制优化压缩机频率运行控制逻辑采用ＰＩ（线性积分）控制方法，根据房间温度Ｔ１与设定温度ＴＳ间的变化调整能力需求基准值ａ，其中，（Ｔ１－ＴＳ）与ａ的关系如表１。

图1 能效比和制冷量随制冷剂充注量的变化图2 R32与R410A系统制冷/制热能效比的比较技术·创新/Technology and Innovation根据对应的不同能力段的室内机，对运行频率进行修正，修正系数Ｋ１与不同能力段室内机关系如表２所示，例如，其中９　Ｋ代表标称内机设计能力为９　０００　Ｂｔｕ／ｈ。

根据以上控制逻辑，压缩机运行频率即为各连接运行室内机能力需求之和，压缩机运行频率ＦＲ计算式如下：ＦＲ＝（ａ１＊Ｋ１＋ａ１＊Ｋ２＋ａｉ＊Ｋｉ＋···＋ａｎ＊Ｋｎ） （１）制热时，为快速实现压缩机频率提升，避免频率不断修正过程造成的系统制冷剂流量变化引起室外机换热器结霜，控制逻辑中对频率运算方法进行优化，对（１）中计算的ＦＲ进行修正，使得不同室外环境温度下压缩机能迅速提升到所需求的目标频率ＦＲ１，其中，ＦＲ１需满足对应的不同室外温区下的限频要求，目标频率ＦＲ１的计算式如下：ＦＲ１＝ＦＲ＊Ｋ２ （２）其中，针对不同室外环境温度Ｔ４，对修正系数Ｋ２进行划分如表３所示。

２．２　制热时电子膨胀阀调节控制优化在制热时，压缩机开启运行后，为使排气温度迅速升高，在电子膨胀阀原控制逻辑基础上对初始开度Ｐ０进行优化控制，不同能力段内机的初始开度不同，使不同运行内机制热始终处于最佳输出状态。

不同能力段内机初始开度Ｐ０与不同室外环境温度Ｔ４关系如表４所示，其中电子膨胀阀阀体步数范围为０￣５００　Ｐ。

３试验测试结果与分析根据以上介绍的压缩机运行频率控制逻辑和电子膨胀阀开度调节控制逻辑的优化，试验测试了热泵型一拖四变频空调器在不同室外环境温度下的制热性能。

图３为室外环境温度为２　℃／１　℃，压缩机目标频率８５　Ｈｚ时，优化前后系统排气温度随压缩机启动运行时间的变化，从图１可以看出，在低温环境制热时，通过优化不同内机对应的电子膨胀阀初始开度Ｐ０可以明显提升制热时的排气温度上升速率，从而实现快速制热。

图４为优化前后内机全开状态下不同室外环境温度表1 基准值a与（T1-TS）的关系表2 修正系数K1与不同能力段室内机对应的关系表3 修正系数K2与不同室外环境温度T4对应的关系表4 电子膨胀阀初始开度P0与不同室外环境温度T4及不同内机能力段关系能力段T4温度范围7 K9 K12 K18 K24 KT4≥5160160180220230 -5 ℃≤T4＜5 ℃140140160200210 -10 ℃≤T4＜-5 ℃120120140180190 T4＜-10 ℃100100120160180下制热能力的变化曲线。

在曲线中，制热能力随着室外环境温度的升高而逐渐增大，不同室外环境温度下，优化后的全开制热能力均高于优化前全开制热能力，在室外环境温度为－２０　℃下，优化后的全开制热能力较优化前的全开制热能力提升了３４　％，表明通过压缩机频率控制逻辑和电子膨胀阀调节控制逻辑优化对制热能力提升效果显著。

为进一步验证控制逻辑优化对热泵型一拖多变频空调器低温制热能力的效果，试验测试并分析了室外环境温度－１５　℃时系统单开、双开和三开下制热能力。

图５为室外环境温度－１５　℃以下优化前后系统非全开状态时的制热能力变化。

从图５中可以看出，依次从左到右分别为单开、双开、三开下的制热能力比较柱状图，在三种不同运行状态下，优化后的制热能力均高于优化前的制热能力，从而验证了控制逻辑优化对于热泵型一拖多变频空调器非全开状态下制热能力优化的有效性。

图６为出风温度随室外温度变化曲线图，从图６中可以看出，随着室外环境温度的升高，室内机出风温度呈现升高趋势，当室外环境温度为－７　℃时，优化后系统出风温度比优化前系统出风温度提高了３．５　℃；在室外环境温度为－２０　℃时，优化后系统出风温度较优化前系图3 优化前后全开制热时排气温度随系统运行时间的变化图4 优化前后全开制热能力与室外环境温度的变化图6 优化前后全开制热时出风温度随室外环境温度变化图5 优化前后非全开下制热能力的变化统出风温度提升了５．０　％，从而有效改善了热泵型一拖多变频空调器在低温环境制热时的热舒适性。