長配管、高落差對機房空調性能影響

摘 要： 機房空調在實際工程運用中經常出現長配管、高落差的工況，為探明長配管、高落差對機房空調系統影響，設計了名義制冷量為25kW的列間機房空調系統，并在100m長配管、30m高落差的條件下進行無外擾性能實驗，結果表明：（1）在室外機高于室內機的30m正落差，100m長配管工況下，機房空調系統幾乎沒有管道壓力損失，系統膨脹閥前壓力近似等于排氣壓力，功率與標準配管相當；（2）在室外機低于室內機的30m負落差，100m長配管工況下，機房空調系統管路壓力損失很大，且近似等于垂直方向上壓降，功耗大幅增加；該結論對于強化長配管、高落差機房空調系統的工程施工與運維管理具有重要意義。

關鍵詞：制冷系統；長配管；高落差； 能耗

一、引言

長配管蒸氣壓縮式制冷系統已相當普遍。例如，用于全年供冷的機房空調，以及在商用和住宅建筑中廣泛應用的多聯式空調（熱泵）系統等，它們都具有長配管特點，均需在施工現場，用液體連接管和氣體連接管將室內機組和室外機組連接而成為一個制冷系統，并在現場補充制冷劑充注量。由于空調設備中制冷劑管道會產生壓力降及熱量損失，一般將冷凝器、蒸發器直接與壓縮機相連，冷凝器和蒸發器之間的距離不大。在有些情況下（如數據中心），受空間、美觀等其他限制，室外冷凝器要通過長配管與壓縮機連接，特別是著商業建筑和住宅樓房高層的增多，這種長配管的要求越來越多。為此，本文對一臺25kW長配管、高落差機房空調系統在焓差實驗室進行無外擾、定轉速條件下的性能實驗，并通過實驗數據分析長配管、高落差對機房空調制冷系統的影響。

二、長配管制冷系統的實驗設計

（一）列間機房空調工作原理

列間機房空調又稱為行級機房空調（下面簡稱：機房空調）。將機房空調按一定布局穿插在數據中心服務器中間，通過封閉、隔離的冷、熱通道為服務器散熱。由于其直接處理服務器排放的高溫空氣，故機房空調的進風溫度相對于傳統機房空調更高，通常可以達到38℃左右。

圖1（a）給出了機房空調的制冷循環流程圖。其中，在室內機組內設置有壓縮機、油分離器、電子膨脹閥以及蒸發器等部件，在室外機組中設置有冷凝器和冷凝風機，室內、外機組通過高壓氣體和高壓液體連接管構成制冷循環系統。由于室外機組往往設置在遠離數據機房（內設室內機組）的建筑屋頂或地面，故高壓氣體和高壓液體連接管通常為長配管結構，具有較大的壓力損失，對應圖1（b）中的2→3（氣體連接管）和4→5（液體連接管）。

（二）實驗內容和方法

1、被測機組

被測機組采用R410A制冷劑、額定制冷量為25kW，室內、外機組之間的配管長度為100m，落差高度30m，其中，高壓氣體和高壓液體連接管的規格分別為Φ19.05mm和Φ15.88 mm。溫度和壓力傳感器布置如圖1所示。

2、測試系統

空氣焓差實驗室的主要技術指標：①制冷量測量范圍為10～50kW，測量精度≥98%；②室內側風量調節范圍1000～10000m3/h；③室外側溫度調節范圍-20～55℃。

3、實驗工況

室內空氣干/濕球溫度為37.8/20.8℃，室外空氣干/濕球溫度為35.0/-℃。

/4、實驗步驟

采用溫度和壓力傳感器測量如圖1所示的各測點位置制冷劑的實時狀態參數，以及機組的制冷量和輸入功率的變化情況。分別將機組內、外機放置在內、外工況室，第一次測試標準配管的標況制冷實驗，其中標準配管長度7.5m，第二次測試100m長配管正30m落差標況制冷實驗，第三次測試100m長配管負30m落差標況制冷實驗。每次完成制冷劑充注且系統運行30min后，每5s采集并記錄一次壓力、溫度和輸入功率，并通過實驗儀器記錄數據計算壓縮機的吸氣過熱度及膨脹閥前的過冷度。

三、實驗結果與分析

表1可以看出，在標準配管下，系統的排氣壓力與長配管高落差有一定的差距，基本在2.9～3.1Mpa，而在冷凝器出口壓力，從壓縮機排氣口到冷凝器出口之間，包括了氣體連接管跟冷凝器的壓力損失，通過數據顯示，三者冷凝器出口壓力基本相當，均存在較大的壓力損失，氣體連接管壓力損失主要是由于氣體流動時與管道內壁摩擦損失以及氣體分子重力損失；而對于膨脹閥前壓力，三者相差很大，對于標準配管，膨脹閥前壓力2.7Mpa，長配管、正落差則2.9Mpa，對于長配管、負落差，膨脹閥前的壓力只有2.4Mpa，壓力損失相當大；通過分析可知從冷凝器出口到膨脹閥前只有液體連接管，對于標配管液體連接管壓力損失很小，幾乎可以忽略不計。而對于長配管、正落差而言，過冷液態制冷劑在管道中有2個作用力，一個是液態制冷劑重力作用，一個是液態制冷劑與管道內壁摩擦力作用，當管路豎直向下時，重力作用力很大，故而形成膨脹閥前壓力升高，甚至與排氣壓力相當，這種正落差提高了膨脹閥前壓力與過冷度，對于系統具有好處的；而對于長配管、負落差而言，膨脹閥前壓力很低，造成系統非常大的不利，壓力損失達到3bar，正好等效于重力方向上的水利阻力。通過調節膨脹閥開度，系統回氣壓力基本一致，使得系統蒸發溫度相當。

表2可知，系統的總功率在標配管工況下只有6040W，在長配管、正落差下由于正落差的積極效應，降低了系統的功耗，故而功率只有5880W，而對于長配管、負落差系統功率遠高于標準配管，功率高達6450W。

而對于長配管、負落差工況，由于管路壓力損失非常大，容易造成系統溫度、壓力波動，這對于恒溫恒濕機房空調來說是非常不利的，具體出現的現象有兩種，第一種是由于壓力損失帶來了過冷度不足，在某一時刻膨脹閥前仍為兩相狀態的制冷劑，流經膨脹閥的制冷劑流量難以有效增大，小于壓縮機的制冷劑流量，膨脹閥前出現了制冷劑堆積，當閥前堆積的制冷劑量足夠時，即冷凝器內部儲存較多制冷劑時，冷凝器壓力增大，膨脹閥前出現了較大壓力和過冷度，流經膨脹閥的制冷劑流量增大，超過了此時壓縮機的制冷劑流量，運行一段時間后，冷凝器內不再有液態制冷劑堆積，壓力降低，膨脹閥前再次出現兩相制冷劑，流經膨脹閥的制冷劑循環流量也因此減小，上述過程循環往復，導致振蕩發生。本質原因是過大的壓力損失使得膨脹閥前出現兩相狀態，形成制冷劑累積效應。

第二種，壓力損失太大，需要很高的冷凝壓力克服壓力損失，制冷劑循環需要克服阻力必須靠高壓推動，隨著充注量增加，系統膨脹閥前壓力升高；當系統循環流量較小時，膨脹閥前壓力較低，無法完全克服角閥的阻力，多余制冷劑積累在冷凝器內形成高壓，克服角閥阻力，進行較大循環流量運行，而此時充注量無法保證較大流量運行，故運行一段時間后，高壓側壓力又下降，恢復小循環流量運行，如此循環往復，導致系統振蕩發生。

四、結論

為探明長配管、高落差空調制冷系統產生振蕩現象產生的原因及其解決措施，設計了一套名義制冷量為25kW的列間機房空調系統，并在100m長配管、30m高落差條件下進行無外擾性能實驗，結果表明：

（1）長配管、正落差對于制冷系統有一定的正面效應，只要制冷劑充注量合理，保證系統不出現回液、回油障礙即可。

（2）長配管、負落差由于具有很大的壓力損失，容易造成系統膨脹閥前壓力過低，導致系統排氣壓力過高，容易造成制冷系統發生波動，同時容易發生系統膨脹閥前過冷度不足現象。

參考文獻

[1] 趙小志， 臧潤清，劉楊. 機房空調室內外機間配管長度對機房空調性能影響的研究[J]. 制冷與空調， 2011 （2）： 91-93.

[2] 徐亮， 張蕾， 米延燦， 等. 高落差長配管安裝形式對空調系統的影響[J]. 裝備機械， 2010 （2）： 62-66

[3] 郭占軍，沈玉富 不同作用域的多聯式空調系統性能的實驗[J]. 低溫與超導， 2013， 42（2）： 78-80.

[4] 陶宏， 陶樂仁， 鄭志皋， 等. 多聯機性能隨配管長度衰減特性研究[J]. 暖通空調， 2016， 46（7）： 99-104.

作者簡介：黃德勇（1979年8月）男；民族：漢族；籍貫：廣西；現供職單位：廣東美的暖通設備有限公司；職稱：工程師

學位：學士；研究方向：暖通空調。

（作者單位：廣東美的暖通設備有限公司）