中央空調制冷系統設計方法

董濤濤

（克萊門特捷聯制冷設備（上海）有限公司，上海 201419）

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調行業的發展也越來越好，市場上中央空調的種類也越來越多，這也導致初入空調行業的制冷系統設計人員，能參與全新中央空調系統設計的機會越來越少。作為中央空調制冷系統的設計人員，掌握空調制冷系統設計方法是最基本的能力。

1 制冷系統簡介

眾所周知，空調制冷系統是基于朗肯循環的一種熱力學系統，對于風冷冷水空調系統，其主要工作原理為：低溫低壓氣態制冷劑經壓縮機壓縮，變為高溫高壓氣態制冷劑；沿著壓縮機排氣管路進入冷凝器，在冷凝器散熱風扇的作用下，向周圍大氣環境散熱，冷凝為高溫高壓液態制冷劑；然后沿著膨脹閥前液管通過節流膨脹閥，由于節流膨脹閥具有降溫降壓的特性，制冷劑會被節流為低溫低壓液態制冷劑；然后再沿著膨脹閥后液管進入蒸發器，通過從蒸發器水側吸熱，制冷劑蒸發為低溫低壓氣態制冷劑；然后再沿著壓縮機吸氣管路進入壓縮機，由此完成完整的工作循環。

本文主要介紹輕商型渦旋式風冷冷水中央空調R410A 制冷系統的設計方法，即：（1）壓縮機為渦旋壓縮機；（2）冷凝器為翅片式換熱器；（3）節流膨脹閥為電子膨脹閥或熱力膨脹閥；（4）蒸發器為板片式換熱器。其中選型過程中的運行參數，如無特殊說明，均是指在標準GB/T 18430.1-2007 中額定制冷工況下的運行參數，制冷系統原理圖如圖1 所示。

圖1 中央空調制冷系統原理圖

2 制冷部件選型

2.1 壓縮機選型

壓縮機是制冷系統四大部件的核心，要使空調制冷系統性能滿足設計要求，壓縮機選型一定要準確。隨著互聯網技術的飛速發展，目前壓縮機供應商一般都開發了壓縮機的選型軟件，只需輸入壓縮機的運行參數，便可正確選出壓縮機的型號，這使得壓縮機的選型越來越方便。對于不同品牌的壓縮機選型軟件，都是只需要輸入壓縮機的蒸發溫度、冷凝溫度、過冷度、過熱度這四個基本參數，就可以準確地選出合適的壓縮機型號。根據經驗，一般風冷冷水中央空調壓縮機在額定制冷工況下的四個運行參數分別為：蒸發溫度2.5℃、冷凝溫度50℃、過冷度5℃、過熱度5℃。上述參數可以滿足一般空調制冷系統中壓縮機的選型需求。針對一些特殊的制冷系統，可以通過適當的調整上述參數實現，例如，如果想要設計高能效制冷系統，可以適當地把蒸發溫度提高0.5～1.0℃、冷凝溫度降低1.0～2.0℃，但同時也要考慮提高制冷系統中蒸發器和冷凝器的換熱能力，使實際的蒸發溫度和冷凝溫度可以真正地提高和降低。

2.2 翅片換熱器選型

翅片式換熱器是制冷系統四大部件中最復雜的部件，不同的翅片型式、銅管型式、風量大小、流路分布、順流逆流等都會導致不同的選型結果。為方便說明，本文僅介紹常用的內螺紋銅管、親水開窗翅片、相對空氣逆流作為冷凝器的翅片式換熱器。根據經驗，換熱器的換熱量為0.4～0.45kW/m2，其中面積為翅片換熱器上的翅片和銅管外表面與空氣的接觸面積。當壓縮機的冷凝溫度選為50℃時，考慮管路壓降，翅片式換熱器的冷凝溫度一般比壓縮機冷凝溫度低0.5～1.0℃。

2.3 板式換熱器選型

板式換熱器具有換熱效率高、安裝體積小的優點，一般用于渦旋壓縮機制冷系統中。本文主要介紹其在渦旋壓縮機制冷系統中作為蒸發器時的選型方法。

隨著板式換熱器技術的發展，市場上板式換熱器品牌越來越多，但各品牌一般都有對應的選型軟件。對于不同品牌的選型軟件，都是只需確定：（1）進水溫度；（2）出水溫度；（3）蒸發溫度；（4）過熱度；（5）水側壓降，即可選出合適的板式換熱器型號。根據經驗，一般進水溫度為12℃、出水溫度為7℃、蒸發溫度為3℃、過熱度為3℃、水側壓降為30～50kPa。如果想要設計高能效的制冷系統，一般會把蒸發溫度增大0.5～1.0℃。另外，雖然不同品牌的板式換熱器內部結構差異很大，但不同板式換熱器單位面積換熱量基本都是12.5～15.5kW/m2，此經驗值也可用于復核軟件選型結果是否準確。

2.4 節流膨脹閥選型

在中央空調制冷系統中，常用的節流膨脹閥一般有兩種型式：電子膨脹閥和熱力膨脹閥。目前市場上各膨脹閥生產廠家都有用于膨脹閥選型的樣本資料，通過提前確定的設計參數，可以很方便地通過樣本數據，選出合適的膨脹閥型號。對于不同的膨脹閥品牌和膨脹閥型式，選型所需的設計參數都是相同的。

2.4.1 選型參數

膨脹閥選型過程中所需的設計參數如下：

（1）所使用的制冷劑類型：R410A；

（2）冷凝溫度Tc（℃）：壓縮機排氣口的飽和冷凝溫度，一般為50℃；

（3）蒸發溫度Te（℃）：壓縮機吸氣口的飽和蒸發溫度，一般為2.5℃；

（4）額定制冷量Cap（kW）：額定制冷工況下機組的換熱量；

（5）壓降ΔPH（bar）：壓縮機排氣口到膨脹閥進口之間管路的壓降，一般取0.6bar；

（6）壓降ΔPL（bar）：膨脹閥出口到壓縮機吸氣口之間管路的壓降，一般取0.8bar；

（7）壓降ΔH（m）：冷凝器高度減去膨脹閥高度（對于本文所描述系統，蒸發器與膨脹閥的高度差比較小，忽略不計），一般壓降取0.1bar/m；

（8）閥前溫度Tl（℃）：膨脹閥入口的制冷劑溫度，該溫度等于翅片冷凝器的冷凝溫度減去過冷度，一般為44～44.5℃。

2.4.2 選型方法

膨脹閥選型方法如下：

（1）根據蒸發溫度Te 和冷凝溫度Tc，在樣本上查出壓縮機吸排氣口的壓頭ΔPC（bar）。

（2）根據如下公式，計算出膨脹閥前后的壓降ΔPV（bar）：

（3）根據閥前溫度Tl，在樣本上查出機組額定制冷量的修正系數Cf（額定制冷工況下，Cf 一般等于0.9），計算出膨脹閥的等效制冷量C（kW）=1.25×Cf×Cap（kW）。

（4）根據蒸發器中蒸發溫度和ΔPV，在樣本上查出制冷量為C 的膨脹閥，此閥即為本次選型所需的膨脹閥。

3 系統管徑設計

本文上半部分主要介紹了制冷系統四大部件的選型方法；但部件選好之后，要確保各部件能按設計的參數正常應用，就必須要使各部件之間連接銅管的管徑尺寸合適。本文下半部分主要介紹如何設計各部件之間的系統管徑。

3.1 壓縮機排氣管

壓縮機排氣管是指圖1 中的a 管路，此段管路管徑的大小，主要是由壓縮機排出的氣態制冷劑流速確定的。根據經驗，排氣管中氣體制冷劑流速一般設計為10～12m/s。如果氣態制冷劑流速太高，會導致管路阻力增大，輸送氣體損耗的功率也會增大，從而導致系統的性能降低；如果氣態制冷劑流速太低，會導致制冷劑流動的動能不足，無法完成穩定的制冷系統循環。

在壓縮機選型過程中，軟件中會計算出制冷劑的質量流量，當制冷劑流速確定后，可以利用質量流量與制冷劑密度和速度關系，計算出管徑；也可以使用Danfoss 的選型軟件Coolselector，輸入機組運行參數后，軟件會顯示不同管徑下的制冷劑流速，選擇制冷劑流速接近10～12m/s 的管徑即可。

3.2 壓縮機吸氣管

壓縮機排氣管是指圖1 中的d 管路。根據經驗，吸氣管中氣體制冷劑流速一般設計為12～15m/s。如果氣態制冷劑流速太高，會使系統管路中阻力增大，導致系統的性能降低；如果氣態制冷劑流速太低，會導致系統中的油無法被帶回壓縮機。其中，管徑計算方法與上述壓縮機排氣管中介紹的方法相同。

3.3 膨脹閥前液管

膨脹閥前液管是指圖1 中的b 管路。根據經驗，膨脹閥前液管中液態制冷劑流速一般設計為1.2～1.5m/s。同樣地，如果液態制冷劑流速太高，會使系統管路中阻力增大，導致系統的性能降低；如果制冷劑流速太低，也會導致油附著在管路內壁，無法被帶回壓縮機。其中，管徑計算方法與上述壓縮機排氣管中介紹的方法相同。

3.4 膨脹閥后液管

膨脹閥后液管是指圖1 中的c 管路。根據經驗，如果制冷系統為單制冷系統，閥后液管管徑比閥前液管管徑大一檔，因為制冷劑節流時會閃發出部分氣體，導致閥后氣液混合制冷劑體積增大，所以管徑同步增大一檔；但如果制冷系統為熱泵系統，即既可以制冷也可以制熱系統，閥后液管管徑一般設計成與閥前相同。

4 結束語

本文主要介紹了輕商型渦旋式風冷冷水中央空調R410A 制冷系統的設計方法，但對于同類型的其他形式的中央空調制冷系統，比如壓縮機為螺桿壓縮機、制冷劑為R134a、換熱器為殼管式換熱器等，制冷系統四大部件的選型方法可能會有區別，但機組在各部件中的運行參數基本都是相同的。

本文中所用的制冷系統原理圖是簡化圖，實際應用中，為實現不同功能，各管路中可能會增加一些其他零部件，但是主體管路中制冷劑流速不變，管徑的設計方法也不變。