多聯(lián)機(jī)長連管高落差能力修正理論分析與實驗

于艷翠

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

多聯(lián)機(jī)因其安裝方便、調(diào)節(jié)靈活、管理方便、易于節(jié)能等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于商鋪、辦公區(qū)域等中小型建筑，市場占有率高達(dá)52.3 %，是中國中央空調(diào)占有率最高的產(chǎn)品類型[1]。對于大型建筑，長連管和高落差導(dǎo)致多聯(lián)機(jī)組的性能存在較大衰減，這對大容量多聯(lián)機(jī)組開發(fā)帶來了更大的挑戰(zhàn)。

關(guān)于連管長度對多聯(lián)機(jī)性能衰減特性的研究較多[2-5]，圍繞長連管對系統(tǒng)運行參數(shù)影響、能力和能效衰減量、經(jīng)濟(jì)配管長度、提升能效措施等展開研究。關(guān)于高落差對多聯(lián)機(jī)性能衰減特性的研究較少[6,7]，高落差管屬于長連管的一部分，兩者綜合作用于多聯(lián)機(jī)性能衰減。

本文主要工作有：①測試了機(jī)組在無落差、短連管安裝和有落差、長連管安裝下的名義制冷工況性能。②基于無落差、短連管安裝名義制冷工況100 %負(fù)荷測試數(shù)據(jù)，給出機(jī)組在有落差、長連管安裝下制冷能力修正系數(shù)理論計算，并與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了理論計算的合理性。

1 模塊化多聯(lián)機(jī)機(jī)組測試

單模塊R410A機(jī)組采用兩臺三缸變?nèi)菅a(bǔ)氣增焓壓縮機(jī)并聯(lián)方式，中間冷卻器進(jìn)行過冷，外機(jī)由雙模塊并聯(lián)組成，對機(jī)組進(jìn)行名義制冷工況（外環(huán)35/- ℃，內(nèi)環(huán)27/19 ℃）下不同負(fù)荷需求下的性能測試。如圖1所示，模塊化外機(jī)由2臺28 kw外機(jī)組成，模塊化內(nèi)機(jī)由10臺5.6 kw內(nèi)機(jī)和1臺2.8 kw內(nèi)機(jī)組成，連接管尺寸信息如表1。機(jī)組額定制冷量為56.3 kw。

另外對該機(jī)組進(jìn)行高落差長連管安裝下的性能測試，安裝示意圖如圖2，內(nèi)外機(jī)連接主管長度為100 m，外機(jī)垂直方向高于內(nèi)機(jī)30 m，測試名義制冷工況下機(jī)組的能力衰減量。連接管尺寸信息如表1，冷媒追加量如表2，即總追加量等于連接管液管追加量和各外機(jī)模塊追加量的總和。

表1 連管尺寸

表2 冷媒追加量

2 模塊化多聯(lián)機(jī)機(jī)組測試結(jié)果

2.1 常規(guī)性能測試

機(jī)組無落差、短連管安裝下，即常規(guī)性能測試數(shù)據(jù)如表3，因連管長較小，內(nèi)外機(jī)落差可忽略，因此忽略機(jī)組連管壓降，并忽略換熱器壓降。

表3 常規(guī)名義制冷100 %負(fù)荷測試結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)對比

名義制冷工況下不同負(fù)荷需求下機(jī)組實測的制冷量數(shù)據(jù)如圖3所示，負(fù)荷率7.5 %代表單開2.8 kw內(nèi)機(jī)，負(fù)荷率50 %代表開5臺5.6 kw內(nèi)機(jī)，負(fù)荷率100 %代表內(nèi)機(jī)全開。

從圖3結(jié)果看出，各個負(fù)荷需求的制冷量實測值均在相應(yīng)額定制冷量的95 %以上，且在負(fù)荷率50 %和100 %情況下，長連管高落差安裝測試結(jié)果較常規(guī)性能測試值低約3～8 %，但在負(fù)荷率7.5 %情況下，長連管高落差安裝測試結(jié)果較常規(guī)性能測試值高約4 %，這是因為長連管高落差情況下，如果要達(dá)到額定制冷量，則壓縮機(jī)頻率必須升高，克服長連管的壓降損失，帶動冷媒循環(huán)，則帶來機(jī)組低壓降低，內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度變低，但同時受能效限制，壓縮機(jī)功率有上限值，因而制冷量衰減較小。另外，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方垂直距離30 m安裝，制冷時高落差液管中冷媒流向自上向下，摩擦損失較小，長連管壓損主要集中在高落差氣管和水平管氣液段，即此安裝方式相比于外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝對制冷效果影響較小。

3 多聯(lián)機(jī)長連管高落差能力修正理論計算

根據(jù)表3機(jī)組常規(guī)性能測試數(shù)據(jù)計算該機(jī)組在長連管高落差安裝方式下制冷量的衰減量，即計算能力修正系數(shù)。

制冷能力修正計算基于蒸發(fā)器進(jìn)出口參數(shù)不變、僅冷媒質(zhì)量流量改變的條件，考慮長連管和高落差的壓損，且長連管中冷媒散熱或吸熱保持不變，壓縮機(jī)參數(shù)不變，忽略各內(nèi)機(jī)間連管和落差損失。

取長連管長為L，高落差為H，制冷量修正系數(shù)為η，為了計算方便，假設(shè)長連管分為兩段，一段為高落差管，即連管垂直從內(nèi)機(jī)引出，一段為水平管，連接高落差管和外機(jī)。實際安裝長連管一般分為三段，即連接內(nèi)機(jī)水平管段、高落差管和連接外機(jī)水平管段，但是此處假設(shè)兩段并不影響計算結(jié)果。

取外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝方式，以主連接管第一臺內(nèi)機(jī)高度為零基準(zhǔn)面，則高落差氣管和水平氣管段運用伯努利方程[8]得到如下關(guān)系式：

式中：

Pd—蒸發(fā)器低壓；

P0—高落差管與水平管交界處壓力；

△PlH—高落差管段壓損；

△Pl（L-H）—長連管水平管段壓損；

PS—壓縮機(jī)吸氣壓力。

將上述式子相加，得到內(nèi)外機(jī)連接管氣管的壓力變化與連接管長和高落差值的關(guān)系式：

如果取外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝方式，仍以主連接管第一臺內(nèi)機(jī)高度為零基準(zhǔn)面，則仍推導(dǎo)出式（3）關(guān)系式。

一般空調(diào)管內(nèi)流動為湍流運動，Re＞2300，壓損采用如公式[3]進(jìn)行計算：

根據(jù)第4章節(jié)開頭假設(shè)，壓縮機(jī)吸氣比容與制冷量修正系數(shù)有關(guān)，吸氣比容為原來比容的1/η倍，結(jié)合長連管中冷媒散熱或吸熱保持不變，即吸氣溫度保持不變，則可查取壓縮機(jī)吸氣壓力。

聯(lián)立式（3）、式（4）和式（5），即可得到不同制冷量修正系數(shù)下，長連管L和高落差H的關(guān)系式。

另外，由機(jī)組的作用范圍可知長連管L和高落差H有上限值，并且L≥H，最終確定機(jī)組全域工作范圍內(nèi)的能力修正系數(shù)。

4 長連管高落差能力修正理論計算結(jié)果

運用上述理論分析，得到模塊化機(jī)組在不同落差和連管長度下全域工作范圍內(nèi)制冷量的修正系數(shù)。

圖4為制冷量修正系數(shù)計算結(jié)果，修正系數(shù)小于等于1，負(fù)值H代表外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方，正值H代表外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方，其中長連管L和高落差H的上限值取自機(jī)組說明書。圖4修正數(shù)據(jù)適用于名義制冷工況，其它工況需進(jìn)行工況修正。

修正計算如下：

修正后制冷量=修正系數(shù)×額定制冷量×負(fù)荷率

按上述理論計算，實驗測試條件下連管長度L為100 m，高落差H為30 m時制冷量修正系數(shù)為0.937，則理論值與實測值對比如下表4所示，理論值小于實測值，計算裕度在5～7 %，對于工程選型應(yīng)用安全裕度大，同時指導(dǎo)設(shè)計開發(fā)。

表4 制冷量理論與實測值對比

5 結(jié)論

本文主要工作有：

1）測試了機(jī)組在無落差、短連管安裝方式和有落差、長連管安裝方式下的名義制冷工況性能，制冷量實測值均在相應(yīng)額定制冷量的95 %以上，且在外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方30 m安裝下制冷量衰減較小，負(fù)荷率50 %和100 %情況下制冷量衰減約3～8 %，但在負(fù)荷率7.5 %情況下，制冷量反而增大約4 %，這是因為一方面壓縮機(jī)頻率必須升高，克服長連管的壓降損失，帶動冷媒循環(huán)，則帶來機(jī)組低壓降低，內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度變低，但同時受能效限制，壓縮機(jī)功率有上限值，因而制冷量衰減較小。另一方面外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方垂直距離30 m安裝，制冷時高落差液管中冷媒流向自上向下，摩擦損失較小，長連管壓損主要集中在高落差氣管和水平管氣液段，即此安裝方式相比于外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝對制冷效果影響較小。

2）基于常規(guī)無落差、短連管安裝名義制冷工況100 %負(fù)荷測試數(shù)據(jù)，給出機(jī)組在有落差、長連管安裝下制冷能力修正系數(shù)理論計算，并與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了理論計算的合理性，即理論修正后制冷量值小于實測制冷量值，選型裕度在5～7 %，對于工程選型應(yīng)用安全裕度大，同時對機(jī)組設(shè)計開發(fā)階段有重要指導(dǎo)意義。