過冷卻回路對多聯機性能的影響

(清華大學建筑技術科學系 北京 100084)

多聯式空調(熱泵)系統是一種典型的變制冷劑流量(variable refrigerant flow)直接蒸發式空調(熱泵)系統(VRF系統)[1]。具有傳熱環節少、輸配能耗低、室內機獨立控制、安裝空間小、維護管理方便等特點[2-3]，在亞洲和歐洲等地區得到廣泛應用，主要應用場合為辦公樓、學校、酒店、住宅等[4]。

我國于20世紀90年代中期開始研發多聯機，隨著技術進步和產業發展，目前已成為世界第一大多聯機生產國和應用市場。據統計，多聯機在我國中央空調市場中的占有率逐年上升，2016年占有率已高達46%，尤其在長江流域應用最為普遍，2016年該地區的市場規模約占全國多聯機市場的57%[5]。

在實際工程中，多聯機的室內機與室外機之間具有較大的配管長度和高差。在制冷工況下，當液管中制冷劑的沿程壓降和重力附加壓降較大時，制冷劑在室內機電子膨脹閥(electronic expansion valve，EEV)入口可能出現閃發，不僅產生噪音，還將影響各室內機制冷劑流量調節的穩定性[6-7]。研究表明，在室外機的液體管上設置過冷卻回路(圖1)是解決該問題的有效措施。工作原理為：在制冷工況下，冷凝器出口的一部分制冷劑經EEV-c節流后與主回路中的制冷劑在過冷卻換熱器(subcooling heat exchanger，SCHX)中進行蒸發換熱，然后與氣體配管返回的低壓過熱氣體匯合依次進入氣液分離器和壓縮機；主回路中的制冷劑則在SCHX中被過冷后進入主液體配管。過冷卻回路除了具有增大過冷度的作用外，對壓縮機吸氣狀態和室內機制冷劑流量均有影響。因此，有必要全面了解過冷卻回路對多聯機性能的影響，明確控制策略，從而提升多聯機的實際運行性能。

過冷卻回路的相關研究主要集中在過冷卻回路對多聯機制冷性能的影響特性方面。郭占軍[8]對一臺風冷多聯機進行了實驗測試，該系統在室外溫度較低時過冷卻回路處于關閉狀態，當室外溫度較高時過冷卻回路開啟，測試表明：過冷卻回路開啟時的EER低于過冷卻回路關閉時的EER。由于該實驗系統過冷卻回路的控制策略不明，故未能深入分析過冷卻回路對多聯機制冷性能的影響。K. Laeun等[9]對某學校辦公樓的一套風冷多聯機的制冷季節運行性能進行了實測，結果表明：隨著過冷卻回路EEV開度從0開始逐漸增大，多聯機的EER先增大后減小，EER峰值對應的過冷卻回路旁通率(SCHX節流側制冷劑流量與壓縮機制冷劑流量的比值)僅約4%，當旁通率大于5.27%時，多聯機的EER反而降低。

現有研究表明過冷卻回路具有優化多聯機制冷能效的潛力，但如果控制策略不當則會產生不利影響。目前關于過冷卻回路對多聯機制冷和制熱性能的影響尚無清晰、全面的認識，更缺乏配管長度和工況變化時的過冷卻回路控制策略。本文通過實驗研究了過冷卻回路對多聯機制冷和制熱性能的影響，并研究了過冷卻回路的控制策略。

1 多聯機實驗臺

1.1 實驗原理

圖2所示為水冷熱泵型多聯機實驗系統原理，各部件規格如表1所示。實驗系統采用水冷套管式換熱器代替風冷多聯機的室內、外風冷翅片管換熱器，以水環境代替室內、外空氣環境，通過測量換熱器水側流量和進、出口水溫來計算換熱量。在室內、外機之間的主液管和主氣管上安裝阻力調節閥，通過調節閥的開度來改變配管的壓降，從而模擬配管長度的變化。

圖2 水冷熱泵型多聯機實驗系統原理Fig.2 Principle of water-cooled heat pump type multi-split VRF system

部件名稱規格壓縮機滾動轉子壓縮機,型號TNB306FPGM,排氣量30.6 cm3/r,R410A,充注量3.21 kg,額定制冷量9.88 kW,額定功率3.01 kW。室外機換熱器套管式,額定換熱量15 kW,額定水流量2.6 m3/h。室內機換熱器#0、#2室內機:套管式,額定換熱量2.6 kW,額定水流量0.56 m3/h;#1室內機:套管式,額定換熱量5.2 kW,額定水流量1.13 m3/h。SCHX套管式,額定換熱量0.4 kW。EEV公稱口徑室外機主回路EEV:Φ=2.4 mm;過冷卻回路EEV:Φ=1.8 mm;室內機EEV:Φ=1.5 mm。制冷劑配管管徑#0、#2室內機配管:液/氣管管徑Φ=6.35 mm/9.52 mm;#1室內機配管:液/氣管管徑Φ=9.52 mm/15.88 mm;主配管:液/氣管管徑Φ=9.52 mm/15.88 mm。

實驗系統的3臺室內機之間無高差，各室內機分歧管之間間距小于1 m；室外機位于室內機下方，室內、外機之間的高差為1.9 m。由于高差較小，因此在實驗分析中忽略室內、外機之間的高差。

實驗系統的測點布置：1)壓力測點：壓縮機的吸/排氣管路、液管和氣管阻力調節閥前/后管路；2)制冷劑溫度測點：壓縮機的吸/排氣管路、氣液分離器的進/出口管路、液管和氣管阻力調節閥前/后管路、室外機換熱器和室內機換熱器的制冷劑側進/出口管路、SCHX節流側進/出口管路；3)水溫度測點：室外機換熱器和室內機換熱器的水側進/出口管路；4)流量測點：在制冷劑主液管上安裝質量流量計，方向與制冷工況下制冷劑的流向一致，在室外機換熱器和室內機換熱器的各水側管路上安裝電磁流量計。

1.2 測量裝置

測量裝置：1)采用精度為±0.1%的壓力變送器UNIK 5000測量制冷劑壓力；2)采用T型熱電偶測量制冷劑溫度；3)采用精度為±0.1%的科里奧利質量流量計Mass 2100測量制冷劑流量；4)采用Pt100測量水溫；5)采用精度為±0.5%的電磁流量計測量水流量；6)采用電力分析儀TES 3600測量壓縮機功率。

由于主液管上的質量流量計安裝方向與制冷工況的制冷劑流向一致，而在制熱工況下主液管中的制冷劑反向流動，因此制冷劑流量無法通過流量計測量。制熱工況的制冷劑流量計算方法：1)基于壓縮機產品樣本提供的不同壓縮機轉速、吸氣壓力和排氣壓力下的制冷劑流量數據，回歸擬合得到壓縮機的制冷劑流量模型；2)采用壓縮機制冷劑流量模型預測制冷工況的制冷劑流量，與實測制冷劑流量比較，驗證壓縮機流量模型的準確性；3)在制熱工況下，基于壓縮機流量模型和壓縮機吸、排氣參數測量值計算制冷劑流量。

1.3 實驗方法

配管長度的變更對研究過冷卻回路對不同配管長度多聯機系統特性的影響至關重要。由于多聯機的主液管長度變化主要影響室內機EEV的資用壓差和開度，對系統總制冷量和運行效率的影響較小，因此，在實驗中保持液管阻力閥全開，僅改變氣體配管的等效長度。通過調節氣管阻力閥的開度，測量閥前后壓差、制冷劑質量流量和入口制冷劑的狀態參數，并利用多聯機仿真模型中的制冷劑管路壓降模型計算氣體配管的等效長度。

實驗操作步驟：1)分別調節室內、外機水流量和兩個水箱中的水溫至設定值；2)設定氣管阻力閥的開度；3)發送開機命令，設定過冷卻回路EEV開度；4)室內、外機控制器根據設定控制方式調節壓縮機轉速和室內、外機EEV開度，同時調節高、低溫水箱中的水溫恒定；5)每個穩態工況采樣時長10 min，并計算平均值作為目標工況下的參數測量結果。

2 過冷卻回路對多聯機制冷性能的影響

根據實驗結果分析過冷卻回路EEV開度、氣體配管等效長度、負荷率及室外機入口水溫對多聯機制冷性能的影響。

2.1 氣體配管等效長度的影響

圖3所示為不同等效氣體配管長度下改變過冷卻回路EEV開度時多聯機的制冷運行性能。實驗條件：壓縮機轉速為68 r/s，3臺室內機全開，室內/外機水流量為額定流量、入口水溫為17 ℃/37 ℃，各室內機EEV控制室內機出口過熱度為2～4 ℃。

圖3(a)～圖3(e)為壓縮機的吸、排氣參數及SCHX的出口參數變化。隨著過冷卻回路EEV開度的增加，壓縮機的吸氣壓力升高，對應飽和溫度最大可提升1 ℃左右；排氣壓力降低，對應飽和溫度最大可降低約7 ℃。當過冷卻回路EEV開度為40 PLS時，由于SCHX節流側出口逐漸接近飽和直至兩相狀態，因而氣液分離器的出口過熱度顯著下降，此時SCHX發揮最大換熱能力，主液管入口過冷度增至極大值。當繼續增大過冷卻回路EEV開度時，由于冷凝壓力持續降低，主液管入口過冷度反而逐漸減小。

圖3 不同等效氣體配管長度下改變過冷卻回路EEV開度時多聯機的制冷運行性能Fig.3 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different equivalent gas pipeline lengths

1)過冷卻回路EEV開度的影響

由圖3(f)和圖3(g)可知，隨著過冷卻回路EEV開度從0增至50 PLS時，流向室內機的制冷劑質量流量逐漸減小，主氣管的壓降隨之減小。此后盡管過冷卻回路EEV開度繼續增大，但由于壓縮機的吸、排氣壓差持續減小，過冷卻回路EEV資用壓差減小，因而流向室內機的制冷劑質量流量不再顯著減小。

由圖3(h)～圖3(j)可知，隨著過冷回路EEV開度的增大，壓縮機功率顯著減小，而總制冷量先增大后逐漸減小，當過冷卻回路EEV開度約為45 PLS時，總制冷量達到峰值，相比于過冷卻回路EEV關閉時的總制冷量可提升4.8%。這是因為，當過冷卻回路EEV開度從0增至45 PLS時，由于主液管入口過冷度增大，室內機入口比焓降低，室內機的單位質量制冷量顯著增加，因而總制冷量提升。但當過冷卻回路EEV開度大于45 PLS時，由于SCHX的節流側出口開始呈兩相狀態，SCHX接近最大換熱能力，而由于主液管入口過冷度逐漸降低，單位質量制冷量開始減小，導致總制冷量降低。綜合壓縮機功率和總制冷量的變化，EER隨過冷卻回路EEV開度的增大先增大后減小，過冷卻回路EEV開度在50～55 PLS時，EER達到峰值，相對于過冷卻回路EEV關閉時可提升12.5%。

2)氣體配管等效長度的影響

筆者曾采用仿真方法研究了配管長度為10～190 m時過冷卻回路對風冷多聯機制冷性能的影響，結果表明：多聯機配管越長，過冷卻回路對制冷性能的優化潛力越大[10]。由于實驗條件限制，等效氣體配管長度變化范圍較小，因而3組實驗結果差異不顯著。但由圖3可知，與等效配管長度為35 m時相比，等效配管長度為91 m時的總制冷量和EER在最佳過冷卻回路EEV開度時的提升率更大，這與文獻[10]得出的結論一致。這是因為在長配管情況下氣管壓降較大，開啟過冷卻回路能減小氣管流量從而減小壓降，提升吸氣壓力，進而提高系統效率；而配管較短時氣管壓降較小，開啟過冷卻回路對吸氣參數的改善空間較小，從而對總制冷量和系統EER的提升潛力也較小。

結合制冷工況下多聯機過冷卻回路的等效流程(圖4)來分析上述實驗結果。在制冷工況下，過冷卻回路等效于一個“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發器)”支路和與之并聯的“SCHX+室內機EEV+室內機換熱器(蒸發器)”支路。因此，當過冷卻回路開啟時，一方面由于SCHX的作用，室內機換熱器的入口比焓降低，單位質量制冷量增大；另一方面，由于流經室內機換熱器的制冷劑質量流量減小，因此在長配管情況下氣管壓降減小，吸氣壓力提升，排氣壓力和排氣溫度降低，進而提升總制冷量和EER。

圖4 制冷工況下多聯機過冷卻回路的等效流程Fig.4 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in cooling mode

由于本實驗系統采用水冷套管式冷凝器，換熱器內容積小，過熱區的容積較大，當過冷卻回路EEV開度增加時，由于排氣溫度降低，過熱區的容積比顯著減小，使兩相區和過冷區的換熱能力急劇增大，出現過冷卻回路EEV開度增加，導致冷凝壓力顯著下降，對制冷EER的提升效果明顯。實際上，對于風冷多聯機而言，風冷翅片管冷凝器內容積比水冷冷凝器的內容積大很多，因此排氣溫度的下降不會導致冷凝壓力大幅度降低，過冷卻回路對風冷多聯機EER的影響程度也小于對水冷多聯機的影響程度。

2.2 負荷率的影響

多聯機在變工況運行時，根據室內機開啟臺數和負荷大小自動調節壓縮機的運行轉速。因此，可通過壓縮機轉速和室內機開啟臺數反映總負荷的大小。對3種部分負荷工況時過冷卻回路EEV開度對多聯機制冷性能的影響進行實驗分析：1)壓縮機轉速為68 r/s+開3臺內機；2)壓縮機轉速為51 r/s+開2臺內機；3)壓縮機轉速38 r/s+開1臺內機。實驗條件為：等效氣體配管長度為91 m，室內/外機入口水溫為17 ℃/37 ℃，室內/外機水流量恒定不變，各室內機EEV控制出口過熱度2～4 ℃。

圖5所示為上述3種負荷工況下多聯機的制冷運行性能隨過冷卻回路EEV開度的變化。由圖5可知，當壓縮機轉速較低(38 r/s)時，吸氣壓力受過冷卻回路EEV開度的影響不顯著(圖中在40～50 PLS段出現了吸氣壓力下降，是因為該轉速條件下開啟過冷卻回路導致排氣溫度和油溫偏低，室外機啟動電加熱帶以加熱壓縮機底部的潤滑油，導致吸氣壓力下降)；當壓縮機轉速較高(68 r/s)時，吸氣壓力隨過冷卻回路EEV開度的增加而明顯升高。排氣壓力和壓縮機功率均隨過冷卻回路EEV開度的增加而下降。

與不同等效配管長度下過冷卻回路EEV開度的影響類似，不同負荷工況下總制冷量的峰值和EER峰值均出現在過冷卻回路EEV開度為45 PLS左右時，此時SCHX節流側出口制冷劑接近飽和兩相狀態。

2.3 室外機入口水溫的影響

在等效氣體配管長度為91 m、室內機入口水溫為17 ℃、室內/外機水流量恒定不變、開啟3臺室內機且各室內機EEV控制出口過熱度0～2 ℃，同時控制室內機的總制冷量恒定在9.1 kW(誤差在±5%)的條件下，對室外機入口水溫分別為32、35、37 ℃ 時過冷卻回路EEV開度對多聯機制冷性能的影響進行實驗分析(見圖6)。

由圖6(a)和圖6(b)可知，在不同入口水溫條件下，多聯機的壓縮機吸氣壓力、主氣管壓降隨過冷卻回路EEV開度的變化趨勢一致。因此，入口水溫改變時吸氣側運行參數的變化特性無顯著差異。

由圖6(c)和圖6(d)可知，當室外機入口水溫為32 ℃時，開啟過冷卻回路對排氣壓力和排氣溫度的影響程度較小；當室外機入口水溫為35 ℃和37 ℃時，排氣壓力和排氣溫度隨過冷卻回路EEV開度的增大而明顯降低。室外機入口水溫越高，排氣過熱度越高，過冷卻回路的開啟對排氣溫度的降低效果越明顯，因而更能減小過熱區面積，降低冷凝壓力。

由圖6(e)和圖6(f)可知，對于室外機入口水溫為35 ℃和37 ℃的工況，當給定目標制冷量時，壓縮機轉速在過冷卻回路EEV開度約為60 PLS時達到最小，EER在該開度下達到峰值。當室外機入口水溫為32 ℃時，壓縮機轉速和EER隨過冷卻回路EEV開度的增加則無明顯變化。因此，室外機入口水溫越高，開啟過冷卻回路的節能潛力越大。

圖5 不同壓縮機轉速下改變過冷卻回路EEV開度時多聯機的制冷運行性能Fig.5 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different compressor speeds

圖6 不同室外機入口水溫下改變過冷回路EEV開度時多聯機的制冷運行性能Fig.6 Cooling performance of multi-split VRF system with variation of the opening of cooling circuit EEV under different inlet water temperatures of outdoor unit

3 過冷卻回路對多聯機制熱性能的影響

相比于制冷工況，制熱工況下配管長度對多聯機性能的影響較小。因此，對于制熱工況，僅考慮負荷率(改變壓縮機轉速和室內機開啟數量)為變量進行過冷卻回路的影響特性分析。

基于1.3節的實驗方法，在等效氣體配管長度為105 m、室內/外機入口水溫為37 ℃/7 ℃、室內/外機水流量為額定流量、各室內機EEV控制出口制冷劑溫度為40.5～41.5 ℃的條件下，改變壓縮機轉速與室內機開啟臺數，研究過冷卻回路EEV開度對多聯機制熱性能的影響(圖7)。

由圖7(a)～圖7(e)可知，當過冷卻回路EEV開度逐漸增大至約50 PLS時，SCHX節流側出口制冷劑呈兩相狀態，對應吸氣過熱度和排氣溫度達到最小值，因此開啟過冷卻回路能夠降低排氣溫度。但過冷卻回路EEV開度的變化對吸氣壓力和排氣壓力的影響不顯著。由圖7(f)～圖7(h)可知，隨著過冷卻回路EEV開度的增大，壓縮機功率、總制熱量和制熱COP均無顯著變化。

在圖7中，當壓縮機轉速為68 r/s，過冷卻回路EEV開度大于50 PLS時，吸氣過熱度、排氣壓力和排氣溫度升高。這是因為，當過冷卻回路EEV開度進一步增大時，SCHX達到最大換熱能力，室外機換熱器的入口比焓不再減小，而制冷劑質量流量持續減小，其出口過熱度增大。由于需保證蒸發器出口過熱度恒定，因而室外機主回路EEV的開度將增大，以降低蒸發器出口過熱度，導致室外機換熱器的制冷劑質量流量增大，實際旁通率反而降低，因此吸氣過熱度、排氣壓力和排氣溫度逐漸升高。

結合圖8所示的制熱工況下多聯機過冷卻回路的等效流程分析上述實驗結果。在制熱工況下，過冷卻回路可等效為一個“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發器)”支路和與之并聯的“室外機主回路EEV+室外機換熱器(蒸發器)”支路以及置于并聯支路之前的“SCHX”。當過冷卻回路EEV開度從0逐漸增大時，由于SCHX的作用，室外機換熱器入口的比焓減小，單位質量換熱量增加，但制冷劑質量流量減小，二者的綜合作用使室外機換熱器的換熱量變化較小。

隨著過冷卻回路EEV開度繼續增大，“過冷卻回路EEV+SCHX(蒸發器)”支路的出口過熱度低于室外機換熱器的出口過熱度時，壓縮機吸氣過熱度降低，壓縮機制冷劑質量流量略有增加，但由于壓縮機的排氣溫度降低導致總制熱量變化較小；此外，由于室外機換熱器至壓縮機吸氣口的管路較短，開啟過冷卻回路對壓縮機吸氣壓力無提升作用，因此壓縮機功率無顯著變化。綜合總制熱量和壓縮機功率的變化可知，過冷卻回路的開啟與否對制熱COP無顯著影響。

圖8 制熱工況下多聯機過冷卻回路的等效流程Fig.8 Equivalent process of multi-split VRF system with a cooling circuit in heating mode

4 過冷卻回路控制策略探討

由前文所述過冷卻回路對多聯機制冷和制熱性能的影響可知：

1)在制冷工況下，開啟過冷卻回路能夠增大主液管制冷劑的過冷度，保證長配管情況下室內機EEV的調節穩定性，不僅能改善吸、排氣參數，而且在一定旁通率范圍內能夠提高總制冷量和制冷EER。總制冷量和制冷EER峰值對應的過冷卻回路EEV最佳開度(或過冷卻回路的最佳旁通率)處于SCHX節流側出口制冷劑接近飽和兩相狀態點，并且對應于主液管入口最大過冷度狀態點。室內、外機之間的配管越長、壓縮機轉速越大或室外機進水溫度越高，則最佳過冷卻回路EEV開度下多聯機的總制冷量和制冷EER的改善效果越顯著。

2)在制熱工況下，過冷卻回路的開啟能夠增大室外機主回路EEV入口的制冷劑過冷度，防止閃發以保證EEV的調節穩定性，并對排氣溫度有一定程度的降低作用，但對系統的制熱量、壓縮機功耗和制熱COP無顯著影響。

總之，無論制冷還是制熱工況，過冷卻回路的開啟均能改善EEV的調節穩定性；在制冷工況下，配管長度越大、壓縮機轉速越大或室外機進水溫度越高，過冷卻回路的節能潛力越大。由第2節的實驗結果可知，配管長度、壓縮機轉速和室外機進水溫度均與排氣溫度呈正相關，即配管越長、壓縮機轉速越大或室外機進水溫度越高，壓縮機排氣溫度越高。因此，可將排氣溫度作為反映配管長度、壓縮機轉速和室外環境溫度的參數，從而作為制冷工況下過冷卻回路開啟的判據。

對于實際多聯機系統，應以調節穩定性作為過冷卻回路的優先控制目標，進而優化控制其節能性。本文提出多聯機過冷卻回路的控制策略如下：

1)在制冷工況下，過冷卻回路的開啟判據至少滿足如下二者之一：室外機模塊出口制冷劑的過冷度小于過冷度限值(Tsc0)；壓縮機排氣溫度大于溫度限值(Tdis0)。開啟過冷卻回路之后，EEV開度的調節采用以下兩個控制目標(優先級依次降低)：室外機模塊出口制冷劑過冷度大于或等于過冷度目標值(Tsc_set)；SCHX節流側出口制冷劑過熱度(Tsho_set)控制在較低范圍內(如0 ℃

2)在制熱工況下，由于主液管中的制冷劑通常為中壓兩相狀態，因此有必要開啟過冷卻回路對其進行冷卻，以提高控制穩定性。因此，制熱工況下的控制策略為：無論配管長度和高差大小如何，在制熱工況下均開啟過冷卻回路，并通過過冷卻回路EEV開度控制SCHX節流側出口制冷劑的過熱度維持在較低范圍內(如0 ℃

5 結論

本文實驗研究了長配管多聯機的過冷卻回路EEV開度對其制冷和制熱性能的影響，從調節穩定性和節能性角度提出多聯機過冷卻回路的控制策略，得到如下結論：

1)在制冷工況下，過冷卻回路的開啟能夠改善吸、排氣參數，在一定的過冷卻回路EEV開度范圍內能提升總制冷量和EER，配管長度越大、壓縮機轉速或室外環境溫度越高，過冷卻回路對多聯機制冷性能的優化潛力越大。總制冷量和EER峰值所對應的過冷卻回路EEV開度出現在SCHX節流側出口接近飽和兩相狀態點。

2)在制熱工況下，開啟過冷卻回路能提高室外機EEV的調節穩定性，但對吸/排氣壓力、壓縮機功率、制熱量和COP的影響均不顯著。

3)在制冷工況下，可采用室外機模塊出口制冷劑的過冷度和壓縮機排氣溫度作為過冷卻回路的開啟判據，以室外機模塊出口制冷劑過冷度(優先)和SCHX節流側出口過熱度作為過冷卻回路EEV開度調節的控制目標參數；在制熱工況下，應開啟過冷卻回路，并采用SCHX節流側出口過熱度作為過冷卻回路EEV開度調節的控制目標參數。