多聯(lián)機(jī)高落差值理論分析

于艷翠

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來，多聯(lián)機(jī)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于商鋪、寫字樓、大型建筑，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]，并且占有率還在不斷提升，越來越受到市場的青睞。但是多聯(lián)機(jī)也有其制約性的一面，例如性能衰減和安全問題，主要體現(xiàn)在連管長度和安裝高落差，如果需要進(jìn)一步適應(yīng)較高建筑，對多聯(lián)機(jī)組開發(fā)和控制帶來了更大的挑戰(zhàn)。

多聯(lián)機(jī)內(nèi)外機(jī)間高落差值和連管長度直接決定了機(jī)組的安裝使用條件，高落差值屬于內(nèi)外機(jī)間連管長度的一部分，主要決定了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行范圍，并對機(jī)組的性能產(chǎn)生負(fù)面影響[2～7]。本文從安裝方式和運(yùn)行模式出發(fā)給出不同安裝方式和不同工況下多聯(lián)機(jī)高落差理論計(jì)算方法，并分析了高落差的影響因素，給出了單冷機(jī)型和熱泵機(jī)型在不同安裝方式下如何調(diào)節(jié)機(jī)組參數(shù)以滿足較高的落差要求，對機(jī)組開發(fā)和安裝具有重要指導(dǎo)意義。

1 高落差值理論計(jì)算

多聯(lián)機(jī)安裝方式通常有兩種，一是外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方，如圖1所示，二是外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方，如圖2所示，內(nèi)機(jī)和外機(jī)的連通依靠液管和氣管，高落差連接管屬于連接管的一部分，兩種安裝方式對機(jī)組制冷和制熱運(yùn)行的參數(shù)影響不同，進(jìn)而高落差值也不相同。

1.1 外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方

外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝方式下，忽略外機(jī)和內(nèi)機(jī)內(nèi)部管路壓降和溫度變化影響，僅考慮內(nèi)外機(jī)間高落差連管影響，制冷運(yùn)行和制熱運(yùn)行壓焓圖如圖3所示[8]。

制冷模式下，高落差管中冷媒的溫度和壓力變化如圖3（a）所示，高落差液管中高壓液態(tài)冷媒由上向下流動，依據(jù)伯努利方程[9]，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如下關(guān)系式：

式中：

PH—外機(jī)高壓壓力；

H—高落差值。

由式（1）知，外機(jī)在上制冷模式下，高落差液管中冷媒流向向下，冷媒的壓力不是減小，而是逐漸增大，冷媒溫度高于環(huán)境溫度，向外界散熱。對采用R410A冷媒的系統(tǒng)，高落差液管底部壓力取機(jī)組最大許可壓力4.2 MPa，制冷工況下高壓（即機(jī)組高壓）取3.54 MPa，過冷度2 ℃，不考慮物性變化，則推算出機(jī)組的高落差最大值為75 m，如果機(jī)組安裝高落差值超過最大值，則機(jī)組存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

另外，外機(jī)在上制冷模式下，高落差氣管中低壓氣態(tài)冷媒由下向上流動，低壓氣態(tài)冷媒在高落差氣管中存在壓降，且冷媒溫度低于環(huán)境溫度，使得壓縮機(jī)吸氣壓力降低，吸氣溫度上升，機(jī)組能效降低，不影響機(jī)組安全運(yùn)行，僅影響機(jī)組性能。

制熱模式下，高落差管中冷媒的溫度和壓力變化如圖3（b）所示，高落差液管中高壓液態(tài)冷媒由下向上流動，依據(jù)伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在關(guān)系式：

式中：

H—高落差值。

由式（2）知，外機(jī)在上制熱模式下，高落差液管中冷媒流向向上，冷媒壓力沿流向逐漸降低，冷媒溫度高于環(huán)境溫度，向外界散熱。如果冷媒壓力持續(xù)降低，在進(jìn)入外機(jī)電子膨脹閥前會出現(xiàn)氣液兩相閃發(fā)現(xiàn)象，一方面會大大降低電子膨脹閥的流通能力，使得膨脹閥的工作不穩(wěn)定，進(jìn)而危及系統(tǒng)，另一方面也會造成外機(jī)換熱器的供液不足，間接引起制熱能力的大大降低。所以機(jī)組制熱工況下高落差液管頂部壓力存在最小值，即閃發(fā)壓力，則對應(yīng)機(jī)組安裝高落差值存在最大值。

對采用R410A冷媒的系統(tǒng)，外機(jī)在上制熱工況下，高落差液管底部壓力（即機(jī)組高壓，此處不等于壓縮機(jī)排氣壓力）取3.2 MPa，過冷度7 ℃，不考慮物性變化，查壓焓圖得到高落差液管頂部壓力存在最小值為2.734 MPa，則推算出機(jī)組的高落差最大值為50 m，如果機(jī)組安裝高落差值超過最大值，則機(jī)組存在安全風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重的性能衰減。

另外，外機(jī)在上制熱模式下，高落差氣管中高壓氣態(tài)冷媒由上向下流動，高壓氣態(tài)冷媒在高落差氣管中存在壓降，且冷媒溫度高于環(huán)境溫度，使得壓縮機(jī)排氣壓力升高，進(jìn)入內(nèi)機(jī)的高壓氣態(tài)冷媒溫度下降，機(jī)組能效降低，不影響機(jī)組安全運(yùn)行，僅影響機(jī)組性能。

綜合以上分析，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝方式，對于單冷機(jī)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行情況，僅計(jì)算式（1）求取高落差值安全范圍。對于熱泵型機(jī)組，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，需計(jì)算式（1）和式（2），求取交集，確保機(jī)組在制冷和制熱工況下可靠運(yùn)行。一般情況下，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝方式，熱泵型機(jī)組的高落差值取制熱工況下計(jì)算所得的高落差值。

1.2 外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方

制冷模式下，高落差管中冷媒的溫度和壓力變化如圖4（a）所示，高落差液管中高壓液態(tài)冷媒由下向上流動，依據(jù)伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如式（2）關(guān)系式，即冷媒壓力沿流向逐漸降低，冷媒溫度高于環(huán)境溫度，向外界散熱。同樣，機(jī)組高落差液管頂部壓力存在最小值，即閃發(fā)壓力，確保冷媒進(jìn)入內(nèi)機(jī)電子膨脹閥前是液態(tài)，無閃發(fā)現(xiàn)象。此時，對應(yīng)機(jī)組安裝高落差值存在最大值。

對于R410A空調(diào)系統(tǒng)，外機(jī)在下制冷工況下，高落差液管底部壓力（即機(jī)組高壓）取3.54 MPa，過冷度5 ℃，不考慮物性變化，查壓焓圖得到高落差液管頂部壓力存在最小值為3.142 MPa，則推算出機(jī)組的高落差最大值為42 m，如果機(jī)組安裝高落差值超過最大值，則機(jī)組存在安全風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重的性能衰減。

另外，外機(jī)在下制冷模式下，高落差氣管中低壓氣態(tài)冷媒由上向下流動，低壓氣態(tài)冷媒在高落差氣管中存在壓降，而冷媒溫度低于環(huán)境溫度，使得壓縮機(jī)吸氣壓力降低，吸氣溫度升高，機(jī)組能效降低，不影響機(jī)組安全運(yùn)行，僅影響機(jī)組性能。

制熱模式下，高落差管中冷媒的溫度和壓力變化如圖4（b）所示，高落差液管中高壓液態(tài)冷媒由上向下流動，依據(jù)伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如式（1）關(guān)系式，即冷媒壓力沿流向逐漸升高，冷媒溫度高于環(huán)境溫度，向外界散熱。同樣，高落差液管底部存在壓力最高值，對于R410A空調(diào)系統(tǒng)，高落差液管底部壓力取機(jī)組最大許可壓力4.2 MPa，高落差液管頂部壓力（即機(jī)組高壓，此處不等于壓縮機(jī)排氣壓力）取3.2 MPa，過冷度7 ℃，不考慮物性變化，則推算出機(jī)組的高落差最大值為105 m，如果機(jī)組安裝高落差值超過最大值，則機(jī)組存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

另外，外機(jī)在下制熱模式下，高落差氣管中高壓氣態(tài)冷媒由下向上流動，高壓氣態(tài)冷媒在高落差氣管中存在壓降，且冷媒溫度高于環(huán)境溫度，使得壓縮機(jī)排氣壓力升高，排氣溫度上升，進(jìn)入內(nèi)機(jī)的高壓氣態(tài)冷媒溫度有所下降，機(jī)組能效降低，不影響機(jī)組安全運(yùn)行，僅影響機(jī)組性能。

綜合以上分析，外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝方式，對于單冷機(jī)，結(jié)合機(jī)組運(yùn)行情況，僅計(jì)算式（2）求取高落差值安全范圍。對于熱泵型機(jī)組，根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，需計(jì)算式（1）和式（2），求取交集，確保機(jī)組在制冷和制熱工況下可靠運(yùn)行。一般情況下，外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝方式，熱泵型機(jī)組的高落差值取制冷工況下計(jì)算所得的高落差值。

2 高落差值的影響因素

影響機(jī)組高落差值的主要因素有機(jī)組高壓和過冷度。此處機(jī)組高壓指冷凝壓力，區(qū)別于壓縮機(jī)排氣壓力，因制熱工況下高落差氣管冷媒存在壓降，所以將機(jī)組高壓和壓縮機(jī)排氣壓力區(qū)分開。

2.1 機(jī)組高壓

從安裝方式和運(yùn)行模式角度分析機(jī)組高壓對高落差值的影響。已知制冷模式過冷度為7 ℃，制熱模式過冷度為15 ℃，高落差值理論計(jì)算結(jié)果如圖5所示。下文高壓以對應(yīng)飽和溫度代替。

從圖5看出，對于單冷機(jī)型，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝，機(jī)組高壓越高，所允許的高落差值反而越??；而外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方，機(jī)組高壓越高，所允許的高落差值越大，但是增幅不大。相比于外機(jī)在下安裝，外機(jī)在上的安裝方式所允許的高落差值更大。

對于熱泵機(jī)型，制冷和制熱模式下高落差值與機(jī)組高壓的關(guān)系相反。外機(jī)在上制熱模式時，機(jī)組高壓越高，所允許的高落差值越大，而制冷模式相反。

通常情況下，熱泵機(jī)型名義工況下，外機(jī)在上安裝，制冷模式高落差上限值要大于制熱模式高落差上限值，例如某機(jī)型制冷模式下機(jī)組高壓50 ℃，過冷度為7 ℃，運(yùn)用上述理論計(jì)算對應(yīng)高落差上限為116 m，而制熱模式下機(jī)組高壓45 ℃，過冷度為15 ℃，運(yùn)用上述理論計(jì)算對應(yīng)高落差上限為81 m，綜合機(jī)組高落差值上限取81 m。而外機(jī)在下安裝時，名義工況運(yùn)行，制熱模式高落差值要大于制冷模式高落差值，例如上述機(jī)型制冷模式下高落差上限為48 m，而制熱模式下高落差上限為140 m，綜合機(jī)組高落差值上限取48 m。

2.2 過冷度

仍從安裝方式和運(yùn)行模式角度分析機(jī)組過冷度對高落差值的影響。已知制冷模式機(jī)組高壓為50 ℃，制熱模式機(jī)組高壓為45 ℃，高落差值理論計(jì)算結(jié)果如下圖6所示。

從圖6看出，對于單冷機(jī)型，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝，過冷度的變化對高落差值影響不大，過冷度越大，高落差值略有越小。而外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝時，過冷度增加的同時，高落差值增大。

對于熱泵機(jī)型，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝時，過冷度變化主要影響制熱工況的高落差值，過冷度越大，高落差值越大。外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝時，過冷度變化主要影響制冷工況的高落差值，過冷度越大，高落差值越大。

例如某單冷機(jī)型機(jī)組高壓50 ℃，過冷度為5 ℃，運(yùn)用上述理論計(jì)算，外機(jī)在上安裝時高落差上限為118 m，外機(jī)在下安裝時高落差上限為35 m。某熱泵機(jī)型制熱工況下機(jī)組高壓45 ℃，過冷度為10 ℃，運(yùn)用上述理論計(jì)算，外機(jī)在上安裝時高落差上限為58 m，外機(jī)在下安裝時高落差上限為144 m，如果制冷工況參數(shù)同上述單冷機(jī)參數(shù)，綜合得出，此熱泵機(jī)型外機(jī)在上安裝時高落差上限為58 m，外機(jī)在下安裝時高落差上限為35 m。

3 結(jié)論

本文從機(jī)組安裝方式和運(yùn)行模式角度給出了高落差理論計(jì)算方法，分析了高落差的影響因素，得出如下結(jié)論：

1）對于單冷機(jī)型，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝所允許的高落差值遠(yuǎn)大于外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝高落差上限值。對于較高建筑，單冷機(jī)型外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝方式更為合適，但是對機(jī)組高壓上限要有所控制，避免出現(xiàn)安全問題，對機(jī)組過冷度無特別要求，過冷度在此安裝方式下影響不大。如果因場地限制，單冷機(jī)外機(jī)安裝在內(nèi)機(jī)下方，則需調(diào)高機(jī)組高壓和過冷度，主要調(diào)高過冷度，以滿足較高的落差要求。

2）對于熱泵機(jī)型，一般情況下，外機(jī)在內(nèi)機(jī)上方安裝高落差值大小取決于制熱工況的機(jī)組高壓和過冷度，外機(jī)在內(nèi)機(jī)下方安裝高落差值大小取決于制冷工況的機(jī)組高壓和過冷度，機(jī)組高壓和過冷度與高落差值正相關(guān)。具體需要結(jié)合實(shí)際機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行情況確定機(jī)組的高落差極限值。