095 大容量多联机空调系统的运行特性分析.doc

大容量多联机空调系统的运行特性分析*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）62796114E-mail: 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；COP1 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3。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额定性能参数制冷运行名义制冷量=28 kW (额定频率f *=90Hz)压缩机理论输气量Vh=57.0cc/rev；运行频率范围：AC30120 Hz电子膨胀阀室外机急开型；数量：1个；节流口径：3.2mm室内机急开型；数量：1个；节流口径：1.8mm换热器项目室外机室内机项目室外机室内机管型内螺纹紫铜管内螺纹紫铜管翅片类型亲水膜平片铝翅片亲水膜开窗式铝翅片高向管排数6012翅片间距1.8mm1.8mm风向管列数33翅片厚度0.105mm0.105mm高向管间距25.4mm25.4mm风量8000m3/h1000m3/h风向管间距22.0mm22mm电机额定功率600W90W管外径9.52mm9.52mm风机电机效率50%40%管壁厚0.36mm0.36mm电控板功率10W7W分液路数126制冷剂R410A单根管长744.1mm710mm图1 单台变频压缩机构成的多联机系统示意图图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。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； (a) fQe (b) TcompQe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，均在f =50Hz时取得极大值。单台小容量变频压缩机低频运行时，吸气压力（或对应的饱和温度Tcomp）较高、冷凝温度Tc较低，使得系统低负荷率时的性能得到改善，同时能够制取更小的制冷量，扩大了系统的容量调节范围。(a) COPcompQe (b) fQe (c) TcompQe (d) TcQe图5 2台压缩机多联机的系统运行特性（连接管长度为5m；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）（3）从图5（c）、（d）中可以看出，随着Qe的增加，在室内负荷最均匀和最不均匀工况下，压缩机的吸气压力（或对应的饱和温度Tcomp）和系统的冷凝温度Tc与采用单台变频压缩机时几乎一致（这是由于在相同结构和容量的室内、外换热器的条件下，以不同方式（两台压缩机或单台压缩机）提供相同输气量时的效果相当）。根据上述分析可知，多压缩机单模块室外机组多联机系统的性能域宽度仍与压缩机吸气压力（或对应下的饱和温度Tcomp）和频率f的变化有关，由于压缩机的效率随运行频率变化，使得在较低负荷率时具有较高的COPc，改善了多联机系统在低负荷情况下的运行性能；在中负荷率区域，由于变频压缩机高频运行，其效率较低，导致系统的能效比不如采用一台大容量变频压缩机（此时效率处于最高区）构成的多联机系统；在高负荷率区，虽然定速压缩机高效运行，但小容量变频压缩机高频运行效率降低，导致系统整体效率接近单台大容量变频压缩机系统。纵观整个负荷率变化区间的多联机系统的性能域分布可以看出，在低负荷率出现概率较多的建筑中，采用多台压缩机构成的多联机系统其运行性能更优。3.2 多模块室外机组构成的多联机系统以图6所示的3台模块室外机组构成的多联机系统为例进行模拟分析，其室外机组由3台图4中所示的单模块室外机组构成，其余参数采用表1中的数据，仅考虑连接管长度Lg=5m时的情形，并忽略两分歧管之间的连接管长度。图6 多模块室外机组多联机的系统示意图通过仿真方法，考察多联机系统分别有1个支路、2个支路和3个支路（室内机台数分别为4、8、12）投入运行时，随着室内负荷与多联机出力的增加，压缩机能效比COPcomp的变化情况。由于室内负荷分布的计算难度较大，故难以计算多联机系统负荷最不均匀工况下的COPcomp，为简便起见，仅考察投入运行的各室内负荷分布均匀变化工况（即室内机制冷量同步变化）下的多联机系统的运行特性。当仅有4台室内机投入运行时，随着室内负荷的增加，单个模块室外机组内的两台压缩机依次开启；同理，如果全部12台室内机均投入运行，当室内负荷率很低时，仅有一台模块室外机组投入运行即可满足要求，随着室内负荷的增加，模块室外机组内的两台压缩机依次开启，如果单个模块室外机组不能满足要求时，第二、第三模块室外机组则依次投入运行，直至达到要求为止。图7给出了多模块室外机组多联机系统室内负荷均匀变化时的COPcomp变化趋势（图中曲线为图2所述性能域的上包络线）。从图中可以看出：（1）当只有1个支路的所有室内机投入运行（室内机开机台数为4）时，室外机仅需1台模块机组投入运行即可提供所需的制冷量，此时多联机系统的运行特性与双压缩机单模块室外机组的多联机系统相同，能效比COPcomp出现两个抛物线形状的变化；随着投入运行的支路数增加，模块室外机组的运行台数也逐次增加，抛物线形状的个数与投入运行的压缩机台数相同。图7 不同开机台数下多模块室外机组多联机系统的COPQe关系（室外干球温度=35，室内干/湿球温度=27/19；冷凝器出口再冷度SL=10，吸气过热度恒定控制为SH=5）（2）相同负荷率下，投入运行的室内机台数越多，其能效比COPcomp越高。这是因为投入运行的室内机台数增多使得蒸发器面积增加，与投入台数较少的系统相比，在制取相同制冷量时，必然导致蒸发温度和压缩机吸气压力（或对应的饱和温度Tcomp）升高、压缩机开启台数减少或运行频率降低，从而提高了系统的能效比。（3）当模块室外机组并联台数过多时，中、高负荷率时多联机的能效比变得更为平缓，丧失了小容量多联机系统中、低负荷率时的高能效比特征。此外，如果各室外机模块冷凝器共享，当投入运行的室内机台数一定时，随着投入运行的模块室外机组数量的增加，在部分负荷率时，所有模块室外机组的换热器都能得到利用且变频压缩机低频运行，使得系统的冷凝温度降低，其能效比越高；反之，如果在小负荷率时仅投入数量较少的模块室外机组，虽然也能满足制冷量要求，但压缩机高频运行，且未投入运行的模块室外机组的换热器未得到利用，此时系统的冷凝温度较高，压缩机效率较低，导致系统能效比降低。根据上述分析，可以看出：（1）多模块室外机组多联机系统的能效比COPc随模块室外机组数量的增加而降低，并在高负荷率时趋近于单模块室外机组多联机系统的名义能效比COPs。故建议在实际工程中，并联的模块室外机组数量不宜太多，对于较大负荷的建筑区域，采用多台单模块室外机组多联机系统比采用一台多模块室外机组多联机系统性能更优；（2）多模块室外机组多联机系统在部分负荷下运行时，通过改变投入运行的模块室外机组台数的调节方法不能充分利用室外机组内所有换热器的面积，使得多联机系统的性能下降。因此，对于多模块室外机组多联机空调系统而言，建议采用模块室外机组的容量同步调节，通过共享所有模块室外机组的换热器面积的方式提高多联机系统的能效比。4 结束语本文通过模拟方法对大容量多联机空调系统的运行特性进行分析，可以得出如下结论：（1）随着室内、外机组连接管长度的增加，多联机系统的制冷能力的衰减量增大，其能效比COPc性能域的宽度增大。因此，为降低多联机系统