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大容量多联机空调系统的运行特性分析清华大学 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COP的性能域宽度逐渐 c 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 COP c 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 COP 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 c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 ［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*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: wxshi@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 COP （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COP （制冷量与整机comp c 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L,考察连接管长度L对多联机系 g g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图 1 单台变频压缩机构成的多联机系统示意图电子膨胀阀室外机h 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0.105mm0.105 mm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制冷运行名义制冷量=28 kW （额定频率f *=90Hz）理论输气量V =57.0cc/rev:运行频率范围：AC30〜120 Hz额定性能参数压缩机图 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L=5m、名义制冷量为28kW的多联机系统，当连接管长度L增加至50m时，室内负g g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L增加为100m时，其最大制冷量约为22kW，最小制冷量约为20kWg（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COP （未计入室内、外机风扇耗电量的系统能效比COP ）随室内comp c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COP随C 连接管长度增加而降低Lg=5m 最不均匀）Lg=50m最不均匀）Lg=100m最不均匀）竄 Lg=5m最均匀） i0- Lg=50m 最均匀）j Lg=100m最均匀5.55.04.54.03.53.02.52.01.510 12 14 16 18 20 22 24 26 28Qe(kW)图 2 连接管长度 Lg 对多联机系统性能域的影响 g（室外干球温度=35°C，室内干/湿球温度=27/19°C）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T ）导致的，这点可从图3得到解释：comp（1）当连接管长度L越长，为获得相同制冷量Q,为克服气体连接管内压力损失导 ge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；10 12 14 16 18 20 22 24 26 28QgkW)10 12 14 16 18 20 22 24 26 28Q0kW)⑻厂Qe （b） Tcomp ~Qe图3连接管长度L对压缩机吸气饱和温度T 和运转频率f的影响g comp（室外干球温度=35C，室内干/湿球温度=27/19C；吸气过热度恒定控制为SH=5C）（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T 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comp 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T ）也越低，因此需提高压缩机运转频率f 以保证 comp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L =5m时的部分负荷特性对于连接管长度对该类系统的 g 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Q的增加，压缩机的能效比COP 会出现两个e comp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 c 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， COP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C 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COP 比采用comp 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。