095 大容量多联机空调系统的运行特性分析

大容量多联机空调系统的运行特性分析?

清华大学 周德海

清华大学 北京市建筑设计研究院 赵伟 清华大学 石文星☆

摘 要：利用多联机空调系统（MSAC）仿真平台，以制冷工况下室内机容量连续调节的多联机空调系统为例，探讨大容量多联机系统的稳态运行特性。结果表明：多联机空调系统随连接管长度的增加，其制冷量存在较大的衰减，且制冷能效比COPc的性能域宽度逐渐增大；对于单模块室外机组多联机空调系统而言，采用多台压缩机时，其部分负荷下的COPc优于单台压缩机构成的系统；由多个模块室外机组并联拼装构成的多联机空调系统，随室外机组数量的增加其COPc逐渐降低，故并联的模块室外机组数量不宜太多，以免削弱多联机系统部分负荷率时的高能效比优势。

关键词：多联机空调系统；大容量；连接管长度；模块化；COP

1 前言

多联式空调（热泵）机组是产品制造商按产品标准[1]规定条件设计、制造并检验合格出厂的产品（简称：多联式机组，包括室外机组和室内机组）；经过工程设计，在工程施工现场用制冷剂连接管将一台或数台室外机组与数台室内机组安装组成的单一制冷循环系统即为多联机空调系统（简称：多联机系统）。二者均可简称为“多联机”[2]。 近年来，多联机的产品技术得到快速发展，已研发出单冷型、热泵型、热回收型，风冷型、水冷型，电驱动型和热气发动机驱动型产品，并得到普及应用。然而鉴于多联机系统在实际应用中的复杂性，目前尚难以在实际工程中进行严格的测量分析，考察其实际运行性能。为把握多联机系统在实际建筑中运行特性的宏观规律，模拟仿真技术仍不失为一种有效的方法。此前，笔者对多联机的作用域问题进行了阐述，指出当合理布置室内、外机组的几何位置且当连接管长度小于经济性作用域（长度）时，其性能优于风冷热泵冷（热）水机组+风机盘管系统[3]；进一步分析指出，多联机系统具有广义和狭义双重部分负荷特性[4]，由于多联机系统所服务的各室内负荷存在不均匀性，决定了多联机系统的COP是一族随室内、外工况变化的“性能域”，且采用不同控制方法的多联机系统其性能域的分布也呈现出不同的特点[5]。上述工作为多联机机组的工程应用设计（即多联机系统设计）具有一定的指导作用。

近来，在实际工程中出现了多联机系统容量越来越大的现象。由于容量的增大，必然导致多联机系统的连接管长度增加；一般而言，单台模块室外机组的容量较小，故大容量多联机系统则需要采用多台压缩机并联或多台模块室外机组并联的方式才能实现。本文将针对室内、外机组连接管长度对多联机性能域的影响，以及由多台压缩机和多模块室外机组构成的大容量多联机系统的性能特点进行探讨，以期为多联机的产品研发和系统设计提供参考。

2 连接管长度对多联机性能的影响

多联机系统室外内、外机组之间的连接管包括液体连接管和气体连接管（简称：液体 ?

本文得到国家自然科学基金的资助（编号：50676042） 周德海，1986年4月，男，硕士研究生 ☆

100084 北京市海淀区清华大学建筑学院建筑技术科学系 （010）62796114

E-mail: wxshi@tsinghua.edu.cn

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管和气体管），其长度是影响多联机系统性能的重要因素。随着连接管长度的增加，制冷剂在管路内的压力损失增加，使得多联机运行性能下降，影响多联机应用的经济性。文献[6]通过假定液体管和气体管内制冷剂流速估算出连接管长度对多联机运行性能的影响，得出多联机连接管长度不宜超出100m的结论，以指导工程设计；文献[7]基于文献[4]提出的多联机性能域的思想，通过模拟分析，阐述了连接管长度对多联机系统性能域的影响规律，进一步明确了长管路多联机系统性能衰减的程度。

本文关注不同负荷率（制冷量）下大容量多联机性能域的变化规律。鉴于室外机风扇的耗电量与系统负荷率呈正相关性，室内机风扇的耗电量较小且随机性很强（但实测结果表明，室内机风扇的总耗电量约占多联机系统总耗电量的10%），因此本文中采用压缩机的能效比COPcomp（制冷量与压缩机耗电量的比值）表征多联机系统制冷能效比COPc（制冷量与整机耗电量的比值）的变化规律。

以表1所示的室内机出力通过电子膨胀阀连续控制的R410A多联机系统的制冷运行为例，在考虑连接管管径保证安全回油、连接管内制冷剂与外界存在换热以及管内具有压力损失的条件下，定义室外机至分歧管之间的连接管长度为Lg，考察连接管长度Lg对多联机系统性能域的影响特征。此处，各室内机至分歧管之间的连接管长度均为5m、气体管与液体管外径分别为15.7mm和9.52mm（下文各室内机至分歧管之间的结构尺寸相同）。

表1 R410A交流变频多联机系统的结构参数和名义性能参数

系统描述 室外机组1台，室内机组：4台（单台名义制冷量为7kW）；室内、外机组的连接关系见图1 名义制冷量=28 kW (额定频率f *=90Hz) 急开型；数量：1个；节流口径：3.2mm 急开型；数量：1个；节流口径：1.8mm 室外机 内螺纹紫铜管 室内机 内螺纹紫铜管 12 3 25.4mm 22mm 9.52mm 0.36mm 6 710mm 项目 翅片类型 翅片间距 翅片厚度 风量 室外机 亲水膜平片 铝翅片 高向管排数 60 风向管列数 3 高向管间距 25.4mm 风向管间距 22.0mm 管外径 管壁厚 分液路数 单根管长 9.52mm 0.36mm 12 744.1mm 1.8mm 0.105mm 8000m3/h 室内机 亲水膜开窗 式铝翅片 1.8mm 0.105mm 1000m3/h 90W 40% 7W [3]

额定性能参数 制冷运行 压缩机 电子膨胀阀 换热器 室外机 室内机 项目 管型 理论输气量Vh=57.0cc/rev；运行频率范围：AC30~120 Hz 电机额定功率 600W 风机电机效率 50% 电控板功率 制冷剂 10W R410A

图1 单台变频压缩机构成的多联机系统示意图

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图2给出了不同连接管长度时多联机性能域的分布规律，图中性能域的上包络线为各室内机出力最均匀（对应各室内负荷最均匀）工况的性能曲线，下包络线对应各室内机出力最不均匀（对应各室内负荷最不均匀）时的性能曲线。从图中可以看出：

（1）随着连接管长度的增加，多联机系统的制冷量Qe逐渐衰减。对于图1中的连接管长度Lg=5m、名义制冷量为28kW的多联机系统，当连接管长度Lg增加至50m时，室内负荷均匀分布时的最大制冷量约为24kW，室内负荷分布最不均匀时仅为22.5kW；当连接管长度Lg增加为100m时，其最大制冷量约为22kW，最小制冷量约为20kW。

（2）多联机系统性能域的宽度随着连接管长度的增加而增加。在相同连接管长度条件下，压缩机的能效比COPcomp（未计入室内、外机风扇耗电量的系统能效比COPc）随室内负荷分布不均匀性的增加而降低；当系统输出相同制冷量时，多联机的制冷能效比COPc随连接管长度增加而降低。

5.55.04.5Lg=5m (最均匀)Lg=50m (最均匀)Lg=100m (最均匀)Lg=5m (最不均匀)Lg=50m (最不均匀)Lg=100m (最不均匀)COPcomp4.03.53.02.52.01.510121416182022242628Qe(kW) 图2 连接管长度Lg对多联机系统性能域的影响 （室外干球温度=35℃，室内干/湿球温度=27/19℃）

连接管长度Lg增加导致多联机系统性能衰减是通过影响压缩机的运转频率f和压缩机吸气压力（对应的饱和温度Tcomp）导致的，这点可从图3得到解释：

（1）当连接管长度Lg越长，为获得相同制冷量Qe，为克服气体连接管内压力损失导致吸气比容增加，则必须提高压缩机的运转频率f，以增加系统的制冷剂循环量；

1401201008060402010121416182022242628Qe(kW)Tcomp(℃)25Lg=5m (最均匀)Lg=50m (最均匀)Lg=100m (最均匀)Lg=5m (最不均匀)Lg=50m (最不均匀)Lg=100m (最不均匀)Lg=5m (最均匀)20151050-5-10101214161820Qe(kW)Lg=5m (最不均匀)Lg=50m (最不均匀)Lg=100m (最不均匀)Lg=50m (最均匀)Lg=100m (最均匀)f(Hz)22242628 (a) f－Qe (b) Tcomp－Qe 图3 连接管长度Lg对压缩机吸气饱和温度Tcomp和运转频率f的影响

（室外干球温度=35℃，室内干/湿球温度=27/19℃；吸气过热度恒定控制为SH=5℃）

（2）在室内负荷最均匀运行状态下，室内机换热器面积得到充分利用，压缩机吸气压力或对应饱和温度Tcomp越高，所需压缩机f则较低；反之，当各室内负荷最不均匀时，由

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于利用室内机电子膨胀阀开度控制进入室内机的制冷剂流量，各室内机的传热面积利用率不一致，为保证每台运行的室内机都能提供所需的制冷量，则需降低系统的蒸发温度，故导致压缩机的吸气压力（对应的饱和温度Tcomp）也越低，因此需提高压缩机运转频率f，以保证系统的制冷剂循环量，必然导致压缩机的耗电量增大。各室内负荷越不均匀，所提供的f差异越大，其性能域宽度也因此变大。

根据上述分析可知，在多联机应用设计时，需注意两个问题：

（1）多联机系统的连接管越长，将导致系统的制冷量Qe和能效比COPc衰减，一般而言，系统装机容量越小或室内机组布局合理，其连接管长度都有望缩短，故建议每套多联机系统的容量不宜太大，更需合理布置室内机的连接方式，同时建议建筑师为室外机组预留合理的安装位置，以保证多联机系统的高效运行。

（2）由于多联机系统的性能与室内机所服务区域的负荷特性有关，建议系统设计时，需对多联机系统进行合理的分区，尽可能保证同一空调分区内各室内负荷变化的一致性，有利于提高多联机系统的运行性能。

3 大容量多联机系统的运行特性

虽然前文已说明多联机系统的连接管（作用域）不宜太长，但诸多场合在满足多联机系统作用域的条件下，也需要较大容量的多联机系统。容量较大的多联机系统一般都采用两种方式来实现：（1）采用多台压缩机并联构成单模块室外机组；（2）由多个模块室外机组并联拼装构成室外机组。下面将对两类大容量多联机空调系统的运行特性进行分析。

3.1 双台压缩机构成的单模块室外机组多联机系统

以图4所示的R410A多联机系统为例进行模拟分析，其换热器结构参数采用表1中数据，将室外机组内的1台压缩机改为2台压缩机，其中一台为变频压缩机，理论输气量为34cm3/rev，名义工况频率仍为90Hz；另一台为定速压缩机（50Hz），其理论输气量为28cm3/rev。系统的名义制冷量与表1所述多联机系统的完全相同，均为28kW。

图4 2台压缩机构成的单模块室外机组多联机的系统示意图

图5给出了图4所示系统在Lg=5m时的部分负荷特性。对于连接管长度对该类系统的影响同样具有图2所示的特征，此处不再赘述。从图5可以看出：

（1）如图5（a）所示，随着制冷量Qe的增加，压缩机的能效比COPcomp会出现两个抛物线形状的变化，这是由于系统中包含2台压缩机的缘故；在低、中负荷率区域，COPc明显高于单台压缩机的多联机系统，改善了低负荷率时的部分负荷特性，但在高负荷率区域，COPc低于单变频压缩机系统（如果改善定速压缩机的效率，其降低程度有所缓解）。由此表明，采用多台压缩机的室外机组，由于变频压缩机的效率显著衰减点向低负荷率方向转移，使得低负荷率时的系统能效比得到提高。其内部参数的变化如图5（b）、（c）、（d）所示。 （2）图5（a）中2台压缩机构成的多联机系统的压缩机的最大能效比COPcomp比采用单台变频压缩机的要高10%左右，这是由于两系统中的变频压缩机的频率特性曲线相似，

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