过冷却回路对多联机性能的影响

(清华大学建筑技术科学系 北京 100084)

多联式空调(热泵)系统是一种典型的变制冷剂流量(variable refrigerant flow)直接蒸发式空调(热泵)系统(VRF系统)[1]。具有传热环节少、输配能耗低、室内机独立控制、安装空间小、维护管理方便等特点[2-3]，在亚洲和欧洲等地区得到广泛应用，主要应用场合为办公楼、学校、酒店、住宅等[4]。

我国于20世纪90年代中期开始研发多联机，随着技术进步和产业发展，目前已成为世界第一大多联机生产国和应用市场。据统计，多联机在我国中央空调市场中的占有率逐年上升，2016年占有率已高达46%，尤其在长江流域应用最为普遍，2016年该地区的市场规模约占全国多联机市场的57%[5]。

在实际工程中，多联机的室内机与室外机之间具有较大的配管长度和高差。在制冷工况下，当液管中制冷剂的沿程压降和重力附加压降较大时，制冷剂在室内机电子膨胀阀(electronic expansion valve，EEV)入口可能出现闪发，不仅产生噪音，还将影响各室内机制冷剂流量调节的稳定性[6-7]。研究表明，在室外机的液体管上设置过冷却回路(图1)是解决该问题的有效措施。工作原理为：在制冷工况下，冷凝器出口的一部分制冷剂经EEV-c节流后与主回路中的制冷剂在过冷却换热器(subcooling heat exchanger，SCHX)中进行蒸发换热，然后与气体配管返回的低压过热气体汇合依次进入气液分离器和压缩机；主回路中的制冷剂则在SCHX中被过冷后进入主液体配管。过冷却回路除了具有增大过冷度的作用外，对压缩机吸气状态和室内机制冷剂流量均有影响。因此，有必要全面了解过冷却回路对多联机性能的影响，明确控制策略，从而提升多联机的实际运行性能。

过冷却回路的相关研究主要集中在过冷却回路对多联机制冷性能的影响特性方面。郭占军[8]对一台风冷多联机进行了实验测试，该系统在室外温度较低时过冷却回路处于关闭状态，当室外温度较高时过冷却回路开启，测试表明：过冷却回路开启时的EER低于过冷却回路关闭时的EER。由于该实验系统过冷却回路的控制策略不明，故未能深入分析过冷却回路对多联机制冷性能的影响。K. Laeun等[9]对某学校办公楼的一套风冷多联机的制冷季节运行性能进行了实测，结果表明：随着过冷却回路EEV开度从0开始逐渐增大，多联机的EER先增大后减小，EER峰值对应的过冷却回路旁通率(SCHX节流侧制冷剂流量与压缩机制冷剂流量的比值)仅约4%，当旁通率大于5.27%时，多联机的EER反而降低。

现有研究表明过冷却回路具有优化多联机制冷能效的潜力，但如果控制策略不当则会产生不利影响。目前关于过冷却回路对多联机制冷和制热性能的影响尚无清晰、全面的认识，更缺乏配管长度和工况变化时的过冷却回路控制策略。本文通过实验研究了过冷却回路对多联机制冷和制热性能的影响，并研究了过冷却回路的控制策略。

1 多联机实验台

1.1 实验原理

图2所示为水冷热泵型多联机实验系统原理，各部件规格如表1所示。实验系统采用水冷套管式换热器代替风冷多联机的室内、外风冷翅片管换热器，以水环境代替室内、外空气环境，通过测量换热器水侧流量和进、出口水温来计算换热量。在室内、外机之间的主液管和主气管上安装阻力调节阀，通过调节阀的开度来改变配管的压降，从而模拟配管长度的变化。

图2 水冷热泵型多联机实验系统原理Fig.2 Principle of water-cooled heat pump type multi-split VRF system

部件名称规格压缩机滚动转子压缩机,型号TNB306FPGM,排气量30.6 cm3/r,R410A,充注量3.21 kg,额定制冷量9.88 kW,额定功率3.01 kW。室外机换热器套管式,额定换热量15 kW,额定水流量2.6 m3/h。室内机换热器#0、#2室内机:套管式,额定换热量2.6 kW,额定水流量0.56 m3/h;#1室内机:套管式,额定换热量5.2 kW,额定水流量1.13 m3/h。SCHX套管式,额定换热量0.4 kW。EEV公称口径室外机主回路EEV:Φ=2.4 mm;过冷却回路EEV:Φ=1.8 mm;室内机EEV:Φ=1.5 mm。制冷剂配管管径#0、#2室内机配管:液/气管管径Φ=6.35 mm/9.52 mm;#1室内机配管:液/气管管径Φ=9.52 mm/15.88 mm;主配管:液/气管管径Φ=9.52 mm/15.88 mm。

实验系统的3台室内机之间无高差，各室内机分歧管之间间距小于1 m；室外机位于室内机下方，室内、外机之间的高差为1.9 m。由于高差较小，因此在实验分析中忽略室内、外机之间的高差。

实验系统的测点布置：1)压力测点：压缩机的吸/排气管路、液管和气管阻力调节阀前/后管路；2)制冷剂温度测点：压缩机的吸/排气管路、气液分离器的进/出口管路、液管和气管阻力调节阀前/后管路、室外机换热器和室内机换热器的制冷剂侧进/出口管路、SCHX节流侧进/出口管路；3)水温度测点：室外机换热器和室内机换热器的水侧进/出口管路；4)流量测点：在制冷剂主液管上安装质量流量计，方向与制冷工况下制冷剂的流向一致，在室外机换热器和室内机换热器的各水侧管路上安装电磁流量计。

1.2 测量装置

测量装置：1)采用精度为±0.1%的压力变送器UNIK 5000测量制冷剂压力；2)采用T型热电偶测量制冷剂温度；3)采用精度为±0.1%的科里奥利质量流量计Mass 2100测量制冷剂流量；4)采用Pt100测量水温；5)采用精度为±0.5%的电磁流量计测量水流量；6)采用电力分析仪TES 3600测量压缩机功率。

由于主液管上的质量流量计安装方向与制冷工况的制冷剂流向一致，而在制热工况下主液管中的制冷剂反向流动，因此制冷剂流量无法通过流量计测量。制热工况的制冷剂流量计算方法：1)基于压缩机产品样本提供的不同压缩机转速、吸气压力和排气压力下的制冷剂流量数据，回归拟合得到压缩机的制冷剂流量模型；2)采用压缩机制冷剂流量模型预测制冷工况的制冷剂流量，与实测制冷剂流量比较，验证压缩机流量模型的准确性；3)在制热工况下，基于压缩机流量模型和压缩机吸、排气参数测量值计算制冷剂流量。

1.3 实验方法

配管长度的变更对研究过冷却回路对不同配管长度多联机系统特性的影响至关重要。由于多联机的主液管长度变化主要影响室内机EEV的资用压差和开度，对系统总制冷量和运行效率的影响较小，因此，在实验中保持液管阻力阀全开，仅改变气体配管的等效长度。通过调节气管阻力阀的开度，测量阀前后压差、制冷剂质量流量和入口制冷剂的状态参数，并利用多联机仿真模型中的制冷剂管路压降模型计算气体配管的等效长度。

实验操作步骤：1)分别调节室内、外机水流量和两个水箱中的水温至设定值；2)设定气管阻力阀的开度；3)发送开机命令，设定过冷却回路EEV开度；4)室内、外机控制器根据设定控制方式调节压缩机转速和室内、外机EEV开度，同时调节高、低温水箱中的水温恒定；5)每个稳态工况采样时长10 min，并计算平均值作为目标工况下的参数测量结果。

2 过冷却回路对多联机制冷性能的影响

根据实验结果分析过冷却回路EEV开度、气体配管等效长度、负荷率及室外机入口水温对多联机制冷性能的影响。

2.1 气体配管等效长度的影响

图3所示为不同等效气体配管长度下改变过冷却回路EEV开度时多联机的制冷运行性能。实验条件：压缩机转速为68 r/s，3台室内机全开，室内/外机水流量为额定流量、入口水温为17 ℃/37 ℃，各室内机EEV控制室内机出口过热度为2～4 ℃。

图3(a)～图3(e)为压缩机的吸、排气参数及SCHX的出口参数变化。随着过冷却回路EEV开度的增加，压缩机的吸气压力升高，对应饱和温度最大可提升1 ℃左右；排气压力降低，对应饱和温度最大可降低约7 ℃。当过冷却回路EEV开度为40 PLS时，由于SCHX节流侧出口逐渐接近饱和直至两相状态，因而气液分离器的出口过热度显著下降，此时SCHX发挥最大换热能力，主液管入口过冷度增至极大值。当继续增大过冷却回路EEV开度时，由于冷凝压力持续降低，主液管入口过冷度反而逐渐减小。

图3 不同等效气体配管长度下改变过冷却回路EEV开度时多联机的制冷运行性能Fig.3 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different equivalent gas pipeline lengths

1)过冷却回路EEV开度的影响

由图3(f)和图3(g)可知，随着过冷却回路EEV开度从0增至50 PLS时，流向室内机的制冷剂质量流量逐渐减小，主气管的压降随之减小。此后尽管过冷却回路EEV开度继续增大，但由于压缩机的吸、排气压差持续减小，过冷却回路EEV资用压差减小，因而流向室内机的制冷剂质量流量不再显著减小。

由图3(h)～图3(j)可知，随着过冷回路EEV开度的增大，压缩机功率显著减小，而总制冷量先增大后逐渐减小，当过冷却回路EEV开度约为45 PLS时，总制冷量达到峰值，相比于过冷却回路EEV关闭时的总制冷量可提升4.8%。这是因为，当过冷却回路EEV开度从0增至45 PLS时，由于主液管入口过冷度增大，室内机入口比焓降低，室内机的单位质量制冷量显著增加，因而总制冷量提升。但当过冷却回路EEV开度大于45 PLS时，由于SCHX的节流侧出口开始呈两相状态，SCHX接近最大换热能力，而由于主液管入口过冷度逐渐降低，单位质量制冷量开始减小，导致总制冷量降低。综合压缩机功率和总制冷量的变化，EER随过冷却回路EEV开度的增大先增大后减小，过冷却回路EEV开度在50～55 PLS时，EER达到峰值，相对于过冷却回路EEV关闭时可提升12.5%。

2)气体配管等效长度的影响

笔者曾采用仿真方法研究了配管长度为10～190 m时过冷却回路对风冷多联机制冷性能的影响，结果表明：多联机配管越长，过冷却回路对制冷性能的优化潜力越大[10]。由于实验条件限制，等效气体配管长度变化范围较小，因而3组实验结果差异不显著。但由图3可知，与等效配管长度为35 m时相比，等效配管长度为91 m时的总制冷量和EER在最佳过冷却回路EEV开度时的提升率更大，这与文献[10]得出的结论一致。这是因为在长配管情况下气管压降较大，开启过冷却回路能减小气管流量从而减小压降，提升吸气压力，进而提高系统效率；而配管较短时气管压降较小，开启过冷却回路对吸气参数的改善空间较小，从而对总制冷量和系统EER的提升潜力也较小。

结合制冷工况下多联机过冷却回路的等效流程(图4)来分析上述实验结果。在制冷工况下，过冷却回路等效于一个“过冷却回路EEV+SCHX(蒸发器)”支路和与之并联的“SCHX+室内机EEV+室内机换热器(蒸发器)”支路。因此，当过冷却回路开启时，一方面由于SCHX的作用，室内机换热器的入口比焓降低，单位质量制冷量增大；另一方面，由于流经室内机换热器的制冷剂质量流量减小，因此在长配管情况下气管压降减小，吸气压力提升，排气压力和排气温度降低，进而提升总制冷量和EER。

图4 制冷工况下多联机过冷却回路的等效流程Fig.4 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in cooling mode

由于本实验系统采用水冷套管式冷凝器，换热器内容积小，过热区的容积较大，当过冷却回路EEV开度增加时，由于排气温度降低，过热区的容积比显著减小，使两相区和过冷区的换热能力急剧增大，出现过冷却回路EEV开度增加，导致冷凝压力显著下降，对制冷EER的提升效果明显。实际上，对于风冷多联机而言，风冷翅片管冷凝器内容积比水冷冷凝器的内容积大很多，因此排气温度的下降不会导致冷凝压力大幅度降低，过冷却回路对风冷多联机EER的影响程度也小于对水冷多联机的影响程度。

2.2 负荷率的影响

多联机在变工况运行时，根据室内机开启台数和负荷大小自动调节压缩机的运行转速。因此，可通过压缩机转速和室内机开启台数反映总负荷的大小。对3种部分负荷工况时过冷却回路EEV开度对多联机制冷性能的影响进行实验分析：1)压缩机转速为68 r/s+开3台内机；2)压缩机转速为51 r/s+开2台内机；3)压缩机转速38 r/s+开1台内机。实验条件为：等效气体配管长度为91 m，室内/外机入口水温为17 ℃/37 ℃，室内/外机水流量恒定不变，各室内机EEV控制出口过热度2～4 ℃。

图5所示为上述3种负荷工况下多联机的制冷运行性能随过冷却回路EEV开度的变化。由图5可知，当压缩机转速较低(38 r/s)时，吸气压力受过冷却回路EEV开度的影响不显著(图中在40～50 PLS段出现了吸气压力下降，是因为该转速条件下开启过冷却回路导致排气温度和油温偏低，室外机启动电加热带以加热压缩机底部的润滑油，导致吸气压力下降)；当压缩机转速较高(68 r/s)时，吸气压力随过冷却回路EEV开度的增加而明显升高。排气压力和压缩机功率均随过冷却回路EEV开度的增加而下降。

与不同等效配管长度下过冷却回路EEV开度的影响类似，不同负荷工况下总制冷量的峰值和EER峰值均出现在过冷却回路EEV开度为45 PLS左右时，此时SCHX节流侧出口制冷剂接近饱和两相状态。

2.3 室外机入口水温的影响

在等效气体配管长度为91 m、室内机入口水温为17 ℃、室内/外机水流量恒定不变、开启3台室内机且各室内机EEV控制出口过热度0～2 ℃，同时控制室内机的总制冷量恒定在9.1 kW(误差在±5%)的条件下，对室外机入口水温分别为32、35、37 ℃ 时过冷却回路EEV开度对多联机制冷性能的影响进行实验分析(见图6)。

由图6(a)和图6(b)可知，在不同入口水温条件下，多联机的压缩机吸气压力、主气管压降随过冷却回路EEV开度的变化趋势一致。因此，入口水温改变时吸气侧运行参数的变化特性无显著差异。

由图6(c)和图6(d)可知，当室外机入口水温为32 ℃时，开启过冷却回路对排气压力和排气温度的影响程度较小；当室外机入口水温为35 ℃和37 ℃时，排气压力和排气温度随过冷却回路EEV开度的增大而明显降低。室外机入口水温越高，排气过热度越高，过冷却回路的开启对排气温度的降低效果越明显，因而更能减小过热区面积，降低冷凝压力。

由图6(e)和图6(f)可知，对于室外机入口水温为35 ℃和37 ℃的工况，当给定目标制冷量时，压缩机转速在过冷却回路EEV开度约为60 PLS时达到最小，EER在该开度下达到峰值。当室外机入口水温为32 ℃时，压缩机转速和EER随过冷却回路EEV开度的增加则无明显变化。因此，室外机入口水温越高，开启过冷却回路的节能潜力越大。

图5 不同压缩机转速下改变过冷却回路EEV开度时多联机的制冷运行性能Fig.5 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different compressor speeds

图6 不同室外机入口水温下改变过冷回路EEV开度时多联机的制冷运行性能Fig.6 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different inlet water temperatures of outdoor unit

3 过冷却回路对多联机制热性能的影响

相比于制冷工况，制热工况下配管长度对多联机性能的影响较小。因此，对于制热工况，仅考虑负荷率(改变压缩机转速和室内机开启数量)为变量进行过冷却回路的影响特性分析。

基于1.3节的实验方法，在等效气体配管长度为105 m、室内/外机入口水温为37 ℃/7 ℃、室内/外机水流量为额定流量、各室内机EEV控制出口制冷剂温度为40.5～41.5 ℃的条件下，改变压缩机转速与室内机开启台数，研究过冷却回路EEV开度对多联机制热性能的影响(图7)。

由图7(a)～图7(e)可知，当过冷却回路EEV开度逐渐增大至约50 PLS时，SCHX节流侧出口制冷剂呈两相状态，对应吸气过热度和排气温度达到最小值，因此开启过冷却回路能够降低排气温度。但过冷却回路EEV开度的变化对吸气压力和排气压力的影响不显著。由图7(f)～图7(h)可知，随着过冷却回路EEV开度的增大，压缩机功率、总制热量和制热COP均无显著变化。

在图7中，当压缩机转速为68 r/s，过冷却回路EEV开度大于50 PLS时，吸气过热度、排气压力和排气温度升高。这是因为，当过冷却回路EEV开度进一步增大时，SCHX达到最大换热能力，室外机换热器的入口比焓不再减小，而制冷剂质量流量持续减小，其出口过热度增大。由于需保证蒸发器出口过热度恒定，因而室外机主回路EEV的开度将增大，以降低蒸发器出口过热度，导致室外机换热器的制冷剂质量流量增大，实际旁通率反而降低，因此吸气过热度、排气压力和排气温度逐渐升高。

结合图8所示的制热工况下多联机过冷却回路的等效流程分析上述实验结果。在制热工况下，过冷却回路可等效为一个“过冷却回路EEV+SCHX(蒸发器)”支路和与之并联的“室外机主回路EEV+室外机换热器(蒸发器)”支路以及置于并联支路之前的“SCHX”。当过冷却回路EEV开度从0逐渐增大时，由于SCHX的作用，室外机换热器入口的比焓减小，单位质量换热量增加，但制冷剂质量流量减小，二者的综合作用使室外机换热器的换热量变化较小。

随着过冷却回路EEV开度继续增大，“过冷却回路EEV+SCHX(蒸发器)”支路的出口过热度低于室外机换热器的出口过热度时，压缩机吸气过热度降低，压缩机制冷剂质量流量略有增加，但由于压缩机的排气温度降低导致总制热量变化较小；此外，由于室外机换热器至压缩机吸气口的管路较短，开启过冷却回路对压缩机吸气压力无提升作用，因此压缩机功率无显著变化。综合总制热量和压缩机功率的变化可知，过冷却回路的开启与否对制热COP无显著影响。

图8 制热工况下多联机过冷却回路的等效流程Fig.8 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in heating mode

4 过冷却回路控制策略探讨

由前文所述过冷却回路对多联机制冷和制热性能的影响可知：

1)在制冷工况下，开启过冷却回路能够增大主液管制冷剂的过冷度，保证长配管情况下室内机EEV的调节稳定性，不仅能改善吸、排气参数，而且在一定旁通率范围内能够提高总制冷量和制冷EER。总制冷量和制冷EER峰值对应的过冷却回路EEV最佳开度(或过冷却回路的最佳旁通率)处于SCHX节流侧出口制冷剂接近饱和两相状态点，并且对应于主液管入口最大过冷度状态点。室内、外机之间的配管越长、压缩机转速越大或室外机进水温度越高，则最佳过冷却回路EEV开度下多联机的总制冷量和制冷EER的改善效果越显著。

2)在制热工况下，过冷却回路的开启能够增大室外机主回路EEV入口的制冷剂过冷度，防止闪发以保证EEV的调节稳定性，并对排气温度有一定程度的降低作用，但对系统的制热量、压缩机功耗和制热COP无显著影响。

总之，无论制冷还是制热工况，过冷却回路的开启均能改善EEV的调节稳定性；在制冷工况下，配管长度越大、压缩机转速越大或室外机进水温度越高，过冷却回路的节能潜力越大。由第2节的实验结果可知，配管长度、压缩机转速和室外机进水温度均与排气温度呈正相关，即配管越长、压缩机转速越大或室外机进水温度越高，压缩机排气温度越高。因此，可将排气温度作为反映配管长度、压缩机转速和室外环境温度的参数，从而作为制冷工况下过冷却回路开启的判据。

对于实际多联机系统，应以调节稳定性作为过冷却回路的优先控制目标，进而优化控制其节能性。本文提出多联机过冷却回路的控制策略如下：

1)在制冷工况下，过冷却回路的开启判据至少满足如下二者之一：室外机模块出口制冷剂的过冷度小于过冷度限值(Tsc0)；压缩机排气温度大于温度限值(Tdis0)。开启过冷却回路之后，EEV开度的调节采用以下两个控制目标(优先级依次降低)：室外机模块出口制冷剂过冷度大于或等于过冷度目标值(Tsc_set)；SCHX节流侧出口制冷剂过热度(Tsho_set)控制在较低范围内(如0 ℃

2)在制热工况下，由于主液管中的制冷剂通常为中压两相状态，因此有必要开启过冷却回路对其进行冷却，以提高控制稳定性。因此，制热工况下的控制策略为：无论配管长度和高差大小如何，在制热工况下均开启过冷却回路，并通过过冷却回路EEV开度控制SCHX节流侧出口制冷剂的过热度维持在较低范围内(如0 ℃

5 结论

本文实验研究了长配管多联机的过冷却回路EEV开度对其制冷和制热性能的影响，从调节稳定性和节能性角度提出多联机过冷却回路的控制策略，得到如下结论：

1)在制冷工况下，过冷却回路的开启能够改善吸、排气参数，在一定的过冷却回路EEV开度范围内能提升总制冷量和EER，配管长度越大、压缩机转速或室外环境温度越高，过冷却回路对多联机制冷性能的优化潜力越大。总制冷量和EER峰值所对应的过冷却回路EEV开度出现在SCHX节流侧出口接近饱和两相状态点。

2)在制热工况下，开启过冷却回路能提高室外机EEV的调节稳定性，但对吸/排气压力、压缩机功率、制热量和COP的影响均不显著。

3)在制冷工况下，可采用室外机模块出口制冷剂的过冷度和压缩机排气温度作为过冷却回路的开启判据，以室外机模块出口制冷剂过冷度(优先)和SCHX节流侧出口过热度作为过冷却回路EEV开度调节的控制目标参数；在制热工况下，应开启过冷却回路，并采用SCHX节流侧出口过热度作为过冷却回路EEV开度调节的控制目标参数。