多联机长连管高落差能力修正理论分析与实验

于艳翠

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

多联机因其安装方便、调节灵活、管理方便、易于节能等优点，广泛应用于商铺、办公区域等中小型建筑，市场占有率高达52.3 %，是中国中央空调占有率最高的产品类型[1]。对于大型建筑，长连管和高落差导致多联机组的性能存在较大衰减，这对大容量多联机组开发带来了更大的挑战。

关于连管长度对多联机性能衰减特性的研究较多[2-5]，围绕长连管对系统运行参数影响、能力和能效衰减量、经济配管长度、提升能效措施等展开研究。关于高落差对多联机性能衰减特性的研究较少[6,7]，高落差管属于长连管的一部分，两者综合作用于多联机性能衰减。

本文主要工作有：①测试了机组在无落差、短连管安装和有落差、长连管安装下的名义制冷工况性能。②基于无落差、短连管安装名义制冷工况100 %负荷测试数据，给出机组在有落差、长连管安装下制冷能力修正系数理论计算，并与测试数据进行对比，验证了理论计算的合理性。

1 模块化多联机机组测试

单模块R410A机组采用两台三缸变容补气增焓压缩机并联方式，中间冷却器进行过冷，外机由双模块并联组成，对机组进行名义制冷工况（外环35/- ℃，内环27/19 ℃）下不同负荷需求下的性能测试。如图1所示，模块化外机由2台28 kw外机组成，模块化内机由10台5.6 kw内机和1台2.8 kw内机组成，连接管尺寸信息如表1。机组额定制冷量为56.3 kw。

另外对该机组进行高落差长连管安装下的性能测试，安装示意图如图2，内外机连接主管长度为100 m，外机垂直方向高于内机30 m，测试名义制冷工况下机组的能力衰减量。连接管尺寸信息如表1，冷媒追加量如表2，即总追加量等于连接管液管追加量和各外机模块追加量的总和。

表1 连管尺寸

表2 冷媒追加量

2 模块化多联机机组测试结果

2.1 常规性能测试

机组无落差、短连管安装下，即常规性能测试数据如表3，因连管长较小，内外机落差可忽略，因此忽略机组连管压降，并忽略换热器压降。

表3 常规名义制冷100 %负荷测试结果

2.2 数据对比

名义制冷工况下不同负荷需求下机组实测的制冷量数据如图3所示，负荷率7.5 %代表单开2.8 kw内机，负荷率50 %代表开5台5.6 kw内机，负荷率100 %代表内机全开。

从图3结果看出，各个负荷需求的制冷量实测值均在相应额定制冷量的95 %以上，且在负荷率50 %和100 %情况下，长连管高落差安装测试结果较常规性能测试值低约3～8 %，但在负荷率7.5 %情况下，长连管高落差安装测试结果较常规性能测试值高约4 %，这是因为长连管高落差情况下，如果要达到额定制冷量，则压缩机频率必须升高，克服长连管的压降损失，带动冷媒循环，则带来机组低压降低，内机出风温度变低，但同时受能效限制，压缩机功率有上限值，因而制冷量衰减较小。另外，外机在内机上方垂直距离30 m安装，制冷时高落差液管中冷媒流向自上向下，摩擦损失较小，长连管压损主要集中在高落差气管和水平管气液段，即此安装方式相比于外机在内机下方安装对制冷效果影响较小。

3 多联机长连管高落差能力修正理论计算

根据表3机组常规性能测试数据计算该机组在长连管高落差安装方式下制冷量的衰减量，即计算能力修正系数。

制冷能力修正计算基于蒸发器进出口参数不变、仅冷媒质量流量改变的条件，考虑长连管和高落差的压损，且长连管中冷媒散热或吸热保持不变，压缩机参数不变，忽略各内机间连管和落差损失。

取长连管长为L，高落差为H，制冷量修正系数为η，为了计算方便，假设长连管分为两段，一段为高落差管，即连管垂直从内机引出，一段为水平管，连接高落差管和外机。实际安装长连管一般分为三段，即连接内机水平管段、高落差管和连接外机水平管段，但是此处假设两段并不影响计算结果。

取外机在内机上方安装方式，以主连接管第一台内机高度为零基准面，则高落差气管和水平气管段运用伯努利方程[8]得到如下关系式：

式中：

Pd—蒸发器低压；

P0—高落差管与水平管交界处压力；

△PlH—高落差管段压损；

△Pl（L-H）—长连管水平管段压损；

PS—压缩机吸气压力。

将上述式子相加，得到内外机连接管气管的压力变化与连接管长和高落差值的关系式：

如果取外机在内机下方安装方式，仍以主连接管第一台内机高度为零基准面，则仍推导出式（3）关系式。

一般空调管内流动为湍流运动，Re＞2300，压损采用如公式[3]进行计算：

根据第4章节开头假设，压缩机吸气比容与制冷量修正系数有关，吸气比容为原来比容的1/η倍，结合长连管中冷媒散热或吸热保持不变，即吸气温度保持不变，则可查取压缩机吸气压力。

联立式（3）、式（4）和式（5），即可得到不同制冷量修正系数下，长连管L和高落差H的关系式。

另外，由机组的作用范围可知长连管L和高落差H有上限值，并且L≥H，最终确定机组全域工作范围内的能力修正系数。

4 长连管高落差能力修正理论计算结果

运用上述理论分析，得到模块化机组在不同落差和连管长度下全域工作范围内制冷量的修正系数。

图4为制冷量修正系数计算结果，修正系数小于等于1，负值H代表外机在内机下方，正值H代表外机在内机上方，其中长连管L和高落差H的上限值取自机组说明书。图4修正数据适用于名义制冷工况，其它工况需进行工况修正。

修正计算如下：

修正后制冷量=修正系数×额定制冷量×负荷率

按上述理论计算，实验测试条件下连管长度L为100 m，高落差H为30 m时制冷量修正系数为0.937，则理论值与实测值对比如下表4所示，理论值小于实测值，计算裕度在5～7 %，对于工程选型应用安全裕度大，同时指导设计开发。

表4 制冷量理论与实测值对比

5 结论

本文主要工作有：

1）测试了机组在无落差、短连管安装方式和有落差、长连管安装方式下的名义制冷工况性能，制冷量实测值均在相应额定制冷量的95 %以上，且在外机在内机上方30 m安装下制冷量衰减较小，负荷率50 %和100 %情况下制冷量衰减约3～8 %，但在负荷率7.5 %情况下，制冷量反而增大约4 %，这是因为一方面压缩机频率必须升高，克服长连管的压降损失，带动冷媒循环，则带来机组低压降低，内机出风温度变低，但同时受能效限制，压缩机功率有上限值，因而制冷量衰减较小。另一方面外机在内机上方垂直距离30 m安装，制冷时高落差液管中冷媒流向自上向下，摩擦损失较小，长连管压损主要集中在高落差气管和水平管气液段，即此安装方式相比于外机在内机下方安装对制冷效果影响较小。

2）基于常规无落差、短连管安装名义制冷工况100 %负荷测试数据，给出机组在有落差、长连管安装下制冷能力修正系数理论计算，并与测试数据进行对比，验证了理论计算的合理性，即理论修正后制冷量值小于实测制冷量值，选型裕度在5～7 %，对于工程选型应用安全裕度大，同时对机组设计开发阶段有重要指导意义。