多聯機高落差值理論分析

于艷翠

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年來，多聯機發展迅速，廣泛應用于商鋪、寫字樓、大型建筑，市場占有率高達52.3 %，是中國中央空調占有率最高的產品類型[1]，并且占有率還在不斷提升，越來越受到市場的青睞。但是多聯機也有其制約性的一面，例如性能衰減和安全問題，主要體現在連管長度和安裝高落差，如果需要進一步適應較高建筑，對多聯機組開發和控制帶來了更大的挑戰。

多聯機內外機間高落差值和連管長度直接決定了機組的安裝使用條件，高落差值屬于內外機間連管長度的一部分，主要決定了機組的安全可靠運行范圍，并對機組的性能產生負面影響[2～7]。本文從安裝方式和運行模式出發給出不同安裝方式和不同工況下多聯機高落差理論計算方法，并分析了高落差的影響因素，給出了單冷機型和熱泵機型在不同安裝方式下如何調節機組參數以滿足較高的落差要求，對機組開發和安裝具有重要指導意義。

1 高落差值理論計算

多聯機安裝方式通常有兩種，一是外機在內機上方，如圖1所示，二是外機在內機下方，如圖2所示，內機和外機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，兩種安裝方式對機組制冷和制熱運行的參數影響不同，進而高落差值也不相同。

1.1 外機在內機上方

外機在內機上方安裝方式下，忽略外機和內機內部管路壓降和溫度變化影響，僅考慮內外機間高落差連管影響，制冷運行和制熱運行壓焓圖如圖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冷媒由上向下流動，依據伯努利方程[9]，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如下關系式：

式中：

PH—外機高壓壓力；

H—高落差值。

由式（1）知，外機在上制冷模式下，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，冷媒溫度高于環境溫度，向外界散熱。對采用R410A冷媒的系統，高落差液管底部壓力取機組最大許可壓力4.2 MPa，制冷工況下高壓（即機組高壓）取3.54 MPa，過冷度2 ℃，不考慮物性變化，則推算出機組的高落差最大值為75 m，如果機組安裝高落差值超過最大值，則機組存在安全風險。

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

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冷媒由下向上流動，依據伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在關系式：

式中：

H—高落差值。

由式（2）知，外機在上制熱模式下，高落差液管中冷媒流向向上，冷媒壓力沿流向逐漸降低，冷媒溫度高于環境溫度，向外界散熱。如果冷媒壓力持續降低，在進入外機電子膨脹閥前會出現氣液兩相閃發現象，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定，進而危及系統，另一方面也會造成外機換熱器的供液不足，間接引起制熱能力的大大降低。所以機組制熱工況下高落差液管頂部壓力存在最小值，即閃發壓力，則對應機組安裝高落差值存在最大值。

對采用R410A冷媒的系統，外機在上制熱工況下，高落差液管底部壓力（即機組高壓，此處不等于壓縮機排氣壓力）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，則推算出機組的高落差最大值為50 m，如果機組安裝高落差值超過最大值，則機組存在安全風險和嚴重的性能衰減。

另外，外機在上制熱模式下，高落差氣管中高壓氣態冷媒由上向下流動，高壓氣態冷媒在高落差氣管中存在壓降，且冷媒溫度高于環境溫度，使得壓縮機排氣壓力升高，進入內機的高壓氣態冷媒溫度下降，機組能效降低，不影響機組安全運行，僅影響機組性能。

綜合以上分析，外機在內機上方安裝方式，對于單冷機，結合機組運行情況，僅計算式（1）求取高落差值安全范圍。對于熱泵型機組，根據機組實際運行情況，需計算式（1）和式（2），求取交集，確保機組在制冷和制熱工況下可靠運行。一般情況下，外機在內機上方安裝方式，熱泵型機組的高落差值取制熱工況下計算所得的高落差值。

1.2 外機在內機下方

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冷媒由下向上流動，依據伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如式（2）關系式，即冷媒壓力沿流向逐漸降低，冷媒溫度高于環境溫度，向外界散熱。同樣，機組高落差液管頂部壓力存在最小值，即閃發壓力，確保冷媒進入內機電子膨脹閥前是液態，無閃發現象。此時，對應機組安裝高落差值存在最大值。

對于R410A空調系統，外機在下制冷工況下，高落差液管底部壓力（即機組高壓）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，則推算出機組的高落差最大值為42 m，如果機組安裝高落差值超過最大值，則機組存在安全風險和嚴重的性能衰減。

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

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冷媒由上向下流動，依據伯努利方程，忽略液管中冷媒物性變化和摩擦損失，則存在如式（1）關系式，即冷媒壓力沿流向逐漸升高，冷媒溫度高于環境溫度，向外界散熱。同樣，高落差液管底部存在壓力最高值，對于R410A空調系統，高落差液管底部壓力取機組最大許可壓力4.2 MPa，高落差液管頂部壓力（即機組高壓，此處不等于壓縮機排氣壓力）取3.2 MPa，過冷度7 ℃，不考慮物性變化，則推算出機組的高落差最大值為105 m，如果機組安裝高落差值超過最大值，則機組存在安全風險。

另外，外機在下制熱模式下，高落差氣管中高壓氣態冷媒由下向上流動，高壓氣態冷媒在高落差氣管中存在壓降，且冷媒溫度高于環境溫度，使得壓縮機排氣壓力升高，排氣溫度上升，進入內機的高壓氣態冷媒溫度有所下降，機組能效降低，不影響機組安全運行，僅影響機組性能。

綜合以上分析，外機在內機下方安裝方式，對于單冷機，結合機組運行情況，僅計算式（2）求取高落差值安全范圍。對于熱泵型機組，根據機組實際運行情況，需計算式（1）和式（2），求取交集，確保機組在制冷和制熱工況下可靠運行。一般情況下，外機在內機下方安裝方式，熱泵型機組的高落差值取制冷工況下計算所得的高落差值。

2 高落差值的影響因素

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

2.1 機組高壓

從安裝方式和運行模式角度分析機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 ℃，高落差值理論計算結果如圖5所示。下文高壓以對應飽和溫度代替。

從圖5看出，對于單冷機型，外機在內機上方安裝，機組高壓越高，所允許的高落差值反而越小；而外機在內機下方，機組高壓越高，所允許的高落差值越大，但是增幅不大。相比于外機在下安裝，外機在上的安裝方式所允許的高落差值更大。

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

通常情況下，熱泵機型名義工況下，外機在上安裝，制冷模式高落差上限值要大于制熱模式高落差上限值，例如某機型制冷模式下機組高壓50 ℃，過冷度為7 ℃，運用上述理論計算對應高落差上限為116 m，而制熱模式下機組高壓45 ℃，過冷度為15 ℃，運用上述理論計算對應高落差上限為81 m，綜合機組高落差值上限取81 m。而外機在下安裝時，名義工況運行，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，綜合機組高落差值上限取48 m。

2.2 過冷度

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

從圖6看出，對于單冷機型，外機在內機上方安裝，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。而外機在內機下方安裝時，過冷度增加的同時，高落差值增大。

對于熱泵機型，外機在內機上方安裝時，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。外機在內機下方安裝時，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。

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

3 結論

本文從機組安裝方式和運行模式角度給出了高落差理論計算方法，分析了高落差的影響因素，得出如下結論：

1）對于單冷機型，外機在內機上方安裝所允許的高落差值遠大于外機在內機下方安裝高落差上限值。對于較高建筑，單冷機型外機在內機上方安裝方式更為合適，但是對機組高壓上限要有所控制，避免出現安全問題，對機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，單冷機外機安裝在內機下方，則需調高機組高壓和過冷度，主要調高過冷度，以滿足較高的落差要求。

2）對于熱泵機型，一般情況下，外機在內機上方安裝高落差值大小取決于制熱工況的機組高壓和過冷度，外機在內機下方安裝高落差值大小取決于制冷工況的機組高壓和過冷度，機組高壓和過冷度與高落差值正相關。具體需要結合實際機組的設計參數和運行情況確定機組的高落差極限值。