長配管、高落差對機房空調(diào)性能影響

摘 要： 機房空調(diào)在實際工程運用中經(jīng)常出現(xiàn)長配管、高落差的工況，為探明長配管、高落差對機房空調(diào)系統(tǒng)影響，設計了名義制冷量為25kW的列間機房空調(diào)系統(tǒng)，并在100m長配管、30m高落差的條件下進行無外擾性能實驗，結果表明：（1）在室外機高于室內(nèi)機的30m正落差，100m長配管工況下，機房空調(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，功率與標準配管相當；（2）在室外機低于室內(nèi)機的30m負落差，100m長配管工況下，機房空調(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；該結論對于強化長配管、高落差機房空調(diào)系統(tǒng)的工程施工與運維管理具有重要意義。

關鍵詞：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)已相當普遍。例如，用于全年供冷的機房空調(diào)，以及在商用和住宅建筑中廣泛應用的多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）系統(tǒng)等，它們都具有長配管特點，均需在施工現(xiàn)場，用液體連接管和氣體連接管將室內(nèi)機組和室外機組連接而成為一個制冷系統(tǒng)，并在現(xiàn)場補充制冷劑充注量。由于空調(diào)設備中制冷劑管道會產(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，本文對一臺25kW長配管、高落差機房空調(diào)系統(tǒng)在焓差實驗室進行無外擾、定轉(zhuǎn)速條件下的性能實驗，并通過實驗數(shù)據(jù)分析長配管、高落差對機房空調(diào)制冷系統(tǒng)的影響。

二、長配管制冷系統(tǒng)的實驗設計

（一）列間機房空調(diào)工作原理

列間機房空調(diào)又稱為行級機房空調(diào)（下面簡稱：機房空調(diào)）。將機房空調(diào)按一定布局穿插在數(shù)據(jù)中心服務器中間，通過封閉、隔離的冷、熱通道為服務器散熱。由于其直接處理服務器排放的高溫空氣，故機房空調(diào)的進風溫度相對于傳統(tǒng)機房空調(diào)更高，通常可以達到38℃左右。

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

（二）實驗內(nèi)容和方法

1、被測機組

被測機組采用R410A制冷劑、額定制冷量為25kW，室內(nèi)、外機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)

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

3、實驗工況

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、實驗步驟

采用溫度和壓力傳感器測量如圖1所示的各測點位置制冷劑的實時狀態(tài)參數(shù)，以及機組的制冷量和輸入功率的變化情況。分別將機組內(nèi)、外機放置在內(nèi)、外工況室，第一次測試標準配管的標況制冷實驗，其中標準配管長度7.5m，第二次測試100m長配管正30m落差標況制冷實驗，第三次測試100m長配管負30m落差標況制冷實驗。每次完成制冷劑充注且系統(tǒng)運行30min后，每5s采集并記錄一次壓力、溫度和輸入功率，并通過實驗儀器記錄數(shù)據(jù)計算壓縮機的吸氣過熱度及膨脹閥前的過冷度。

三、實驗結果與分析

表1可以看出，在標準配管下，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，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時與管道內(nèi)壁摩擦損失以及氣體分子重力損失；而對于膨脹閥前壓力，三者相差很大，對于標準配管，膨脹閥前壓力2.7Mpa，長配管、正落差則2.9Mpa，對于長配管、負落差，膨脹閥前的壓力只有2.4Mpa，壓力損失相當大；通過分析可知從冷凝器出口到膨脹閥前只有液體連接管，對于標配管液體連接管壓力損失很小，幾乎可以忽略不計。而對于長配管、正落差而言，過冷液態(tài)制冷劑在管道中有2個作用力，一個是液態(tài)制冷劑重力作用，一個是液態(tài)制冷劑與管道內(nèi)壁摩擦力作用，當管路豎直向下時，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，這種正落差提高了膨脹閥前壓力與過冷度，對于系統(tǒng)具有好處的；而對于長配管、負落差而言，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。

表2可知，系統(tǒng)的總功率在標配管工況下只有6040W，在長配管、正落差下由于正落差的積極效應，降低了系統(tǒng)的功耗，故而功率只有5880W，而對于長配管、負落差系統(tǒng)功率遠高于標準配管，功率高達6450W。

而對于長配管、負落差工況，由于管路壓力損失非常大，容易造成系統(tǒng)溫度、壓力波動，這對于恒溫恒濕機房空調(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，小于壓縮機的制冷劑流量，膨脹閥前出現(xiàn)了制冷劑堆積，當閥前堆積的制冷劑量足夠時，即冷凝器內(nèi)部儲存較多制冷劑時，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，超過了此時壓縮機的制冷劑流量，運行一段時間后，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，導致振蕩發(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。

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，隨著充注量增加，系統(tǒng)膨脹閥前壓力升高；當系統(tǒng)循環(huán)流量較小時，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，進行較大循環(huán)流量運行，而此時充注量無法保證較大流量運行，故運行一段時間后，高壓側(cè)壓力又下降，恢復小循環(huán)流量運行，如此循環(huán)往復，導致系統(tǒng)振蕩發(fā)生。

四、結論

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，設計了一套名義制冷量為25kW的列間機房空調(diào)系統(tǒng)，并在100m長配管、30m高落差條件下進行無外擾性能實驗，結果表明：

（1）長配管、正落差對于制冷系統(tǒng)有一定的正面效應，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，導致系統(tǒng)排氣壓力過高，容易造成制冷系統(tǒng)發(fā)生波動，同時容易發(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：廣東美的暖通設備有限公司；職稱：工程師

學位：學士；研究方向：暖通空調(diào)。

（作者單位：廣東美的暖通設備有限公司）