摘 要： 機(jī)房空調(diào)在實(shí)際工程運(yùn)用中經(jīng)常出現(xiàn)長配管、高落差的工況，為探明長配管、高落差對(duì)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)影響，設(shè)計(jì)了名義制冷量為25kW的列間機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，并在100m長配管、30m高落差的條件下進(jìn)行無外擾性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：（1）在室外機(jī)高于室內(nèi)機(jī)的30m正落差，100m長配管工況下，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)幾乎沒有管道壓力損失，系統(tǒng)膨脹閥前壓力近似等于排氣壓力，功率與標(biāo)準(zhǔn)配管相當(dāng)；（2）在室外機(jī)低于室內(nèi)機(jī)的30m負(fù)落差，100m長配管工況下，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)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(jié)論對(duì)于強(qiáng)化長配管、高落差機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)的工程施工與運(yùn)維管理具有重要意義。

關(guān)鍵詞：制冷系統(tǒng)；長配管；高落差； 能耗

一、引言

長配管蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)已相當(dāng)普遍。例如，用于全年供冷的機(jī)房空調(diào)，以及在商用和住宅建筑中廣泛應(yīng)用的多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）系統(tǒng)等，它們都具有長配管特點(diǎn)，均需在施工現(xiàn)場，用液體連接管和氣體連接管將室內(nèi)機(jī)組和室外機(jī)組連接而成為一個(gè)制冷系統(tǒng)，并在現(xiàn)場補(bǔ)充制冷劑充注量。由于空調(diào)設(shè)備中制冷劑管道會(huì)產(chǎn)生壓力降及熱量損失，一般將冷凝器、蒸發(fā)器直接與壓縮機(jī)相連，冷凝器和蒸發(fā)器之間的距離不大。在有些情況下（如數(shù)據(jù)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(jī)連接，特別是著商業(yè)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(duì)一臺(tái)25kW長配管、高落差機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行無外擾、定轉(zhuǎn)速條件下的性能實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析長配管、高落差對(duì)機(jī)房空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響。

二、長配管制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）列間機(jī)房空調(diào)工作原理

列間機(jī)房空調(diào)又稱為行級(jí)機(jī)房空調(diào)（下面簡稱：機(jī)房空調(diào)）。將機(jī)房空調(diào)按一定布局穿插在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中間，通過封閉、隔離的冷、熱通道為服務(wù)器散熱。由于其直接處理服務(wù)器排放的高溫空氣，故機(jī)房空調(diào)的進(jìn)風(fēng)溫度相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)房空調(diào)更高，通?？梢赃_(dá)到38℃左右。

圖1（a）給出了機(jī)房空調(diào)的制冷循環(huán)流程圖。其中，在室內(nèi)機(jī)組內(nèi)設(shè)置有壓縮機(jī)、油分離器、電子膨脹閥以及蒸發(fā)器等部件，在室外機(jī)組中設(shè)置有冷凝器和冷凝風(fēng)機(jī)，室內(nèi)、外機(jī)組通過高壓氣體和高壓液體連接管構(gòu)成制冷循環(huán)系統(tǒng)。由于室外機(jī)組往往設(shè)置在遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)機(jī)房（內(nèi)設(shè)室內(nèi)機(jī)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(jié)構(gòu)，具有較大的壓力損失，對(duì)應(yīng)圖1（b）中的2→3（氣體連接管）和4→5（液體連接管）。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法

1、被測機(jī)組

被測機(jī)組采用R410A制冷劑、額定制冷量為25kW，室內(nèi)、外機(jī)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(guī)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(tǒng)

空氣焓差實(shí)驗(yàn)室的主要技術(shù)指標(biāo)：①制冷量測量范圍為10～50kW，測量精度≥98%；②室內(nèi)側(cè)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍1000～10000m3/h；③室外側(cè)溫度調(diào)節(jié)范圍-20～55℃。

3、實(shí)驗(yàn)工況

室內(nèi)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(shí)驗(yàn)步驟

采用溫度和壓力傳感器測量如圖1所示的各測點(diǎn)位置制冷劑的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，以及機(jī)組的制冷量和輸入功率的變化情況。分別將機(jī)組內(nèi)、外機(jī)放置在內(nèi)、外工況室，第一次測試標(biāo)準(zhǔn)配管的標(biāo)況制冷實(shí)驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)配管長度7.5m，第二次測試100m長配管正30m落差標(biāo)況制冷實(shí)驗(yàn)，第三次測試100m長配管負(fù)30m落差標(biāo)況制冷實(shí)驗(yàn)。每次完成制冷劑充注且系統(tǒng)運(yùn)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(shí)驗(yàn)儀器記錄數(shù)據(jù)計(jì)算壓縮機(jī)的吸氣過熱度及膨脹閥前的過冷度。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

表1可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)配管下，系統(tǒng)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(jī)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(shù)據(jù)顯示，三者冷凝器出口壓力基本相當(dāng)，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(dòng)時(shí)與管道內(nèi)壁摩擦損失以及氣體分子重力損失；而對(duì)于膨脹閥前壓力，三者相差很大，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)配管，膨脹閥前壓力2.7Mpa，長配管、正落差則2.9Mpa，對(duì)于長配管、負(fù)落差，膨脹閥前的壓力只有2.4Mpa，壓力損失相當(dāng)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(duì)于標(biāo)配管液體連接管壓力損失很小，幾乎可以忽略不計(jì)。而對(duì)于長配管、正落差而言，過冷液態(tài)制冷劑在管道中有2個(gè)作用力，一個(gè)是液態(tài)制冷劑重力作用，一個(gè)是液態(tài)制冷劑與管道內(nèi)壁摩擦力作用，當(dāng)管路豎直向下時(shí)，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(dāng)，這種正落差提高了膨脹閥前壓力與過冷度，對(duì)于系統(tǒng)具有好處的；而對(duì)于長配管、負(fù)落差而言，膨脹閥前壓力很低，造成系統(tǒng)非常大的不利，壓力損失達(dá)到3bar，正好等效于重力方向上的水利阻力。通過調(diào)節(jié)膨脹閥開度，系統(tǒng)回氣壓力基本一致，使得系統(tǒng)蒸發(fā)溫度相當(dāng)。

表2可知，系統(tǒng)的總功率在標(biāo)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(yīng)，降低了系統(tǒng)的功耗，故而功率只有5880W，而對(duì)于長配管、負(fù)落差系統(tǒng)功率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)配管，功率高達(dá)6450W。

而對(duì)于長配管、負(fù)落差工況，由于管路壓力損失非常大，容易造成系統(tǒng)溫度、壓力波動(dòng)，這對(duì)于恒溫恒濕機(jī)房空調(diào)來說是非常不利的，具體出現(xiàn)的現(xiàn)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(shí)刻膨脹閥前仍為兩相狀態(tài)的制冷劑，流經(jīng)膨脹閥的制冷劑流量難以有效增大，小于壓縮機(jī)的制冷劑流量，膨脹閥前出現(xiàn)了制冷劑堆積，當(dāng)閥前堆積的制冷劑量足夠時(shí)，即冷凝器內(nèi)部儲(chǔ)存較多制冷劑時(shí)，冷凝器壓力增大，膨脹閥前出現(xiàn)了較大壓力和過冷度，流經(jīng)膨脹閥的制冷劑流量增大，超過了此時(shí)壓縮機(jī)的制冷劑流量，運(yùn)行一段時(shí)間后，冷凝器內(nèi)不再有液態(tài)制冷劑堆積，壓力降低，膨脹閥前再次出現(xiàn)兩相制冷劑，流經(jīng)膨脹閥的制冷劑循環(huán)流量也因此減小，上述過程循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致振蕩發(fā)生。本質(zhì)原因是過大的壓力損失使得膨脹閥前出現(xiàn)兩相狀態(tài)，形成制冷劑累積效應(yīng)。

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(huán)需要克服阻力必須靠高壓推動(dòng)，隨著充注量增加，系統(tǒng)膨脹閥前壓力升高；當(dāng)系統(tǒng)循環(huán)流量較小時(shí)，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(nèi)形成高壓，克服角閥阻力，進(jìn)行較大循環(huán)流量運(yùn)行，而此時(shí)充注量無法保證較大流量運(yùn)行，故運(yùn)行一段時(shí)間后，高壓側(cè)壓力又下降，恢復(fù)小循環(huán)流量運(yùn)行，如此循環(huán)往復(fù)，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩發(fā)生。

四、結(jié)論

為探明長配管、高落差空調(diào)制冷系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的原因及其解決措施，設(shè)計(jì)了一套名義制冷量為25kW的列間機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，并在100m長配管、30m高落差條件下進(jìn)行無外擾性能實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

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

（2）長配管、負(fù)落差由于具有很大的壓力損失，容易造成系統(tǒng)膨脹閥前壓力過低，導(dǎo)致系統(tǒng)排氣壓力過高，容易造成制冷系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)，同時(shí)容易發(fā)生系統(tǒng)膨脹閥前過冷度不足現(xiàn)象。

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

學(xué)位：學(xué)士；研究方向：暖通空調(diào)。

（作者單位：廣東美的暖通設(shè)備有限公司）