长配管、高落差对机房空调性能影响

摘 要： 机房空调在实际工程运用中经常出现长配管、高落差的工况，为探明长配管、高落差对机房空调系统影响，设计了名义制冷量为25kW的列间机房空调系统，并在100m长配管、30m高落差的条件下进行无外扰性能实验，结果表明：（1）在室外机高于室内机的30m正落差，100m长配管工况下，机房空调系统几乎没有管道压力损失，系统膨胀阀前压力近似等于排气压力，功率与标准配管相当；（2）在室外机低于室内机的30m负落差，100m长配管工况下，机房空调系统管路压力损失很大，且近似等于垂直方向上压降，功耗大幅增加；该结论对于强化长配管、高落差机房空调系统的工程施工与运维管理具有重要意义。

关键词：制冷系统；长配管；高落差； 能耗

一、引言

长配管蒸气压缩式制冷系统已相当普遍。例如，用于全年供冷的机房空调，以及在商用和住宅建筑中广泛应用的多联式空调（热泵）系统等，它们都具有长配管特点，均需在施工现场，用液体连接管和气体连接管将室内机组和室外机组连接而成为一个制冷系统，并在现场补充制冷剂充注量。由于空调设备中制冷剂管道会产生压力降及热量损失，一般将冷凝器、蒸发器直接与压缩机相连，冷凝器和蒸发器之间的距离不大。在有些情况下（如数据中心），受空间、美观等其他限制，室外冷凝器要通过长配管与压缩机连接，特别是着商业建筑和住宅楼房高层的增多，这种长配管的要求越来越多。为此，本文对一台25kW长配管、高落差机房空调系统在焓差实验室进行无外扰、定转速条件下的性能实验，并通过实验数据分析长配管、高落差对机房空调制冷系统的影响。

二、长配管制冷系统的实验设计

（一）列间机房空调工作原理

列间机房空调又称为行级机房空调（下面简称：机房空调）。将机房空调按一定布局穿插在数据中心服务器中间，通过封闭、隔离的冷、热通道为服务器散热。由于其直接处理服务器排放的高温空气，故机房空调的进风温度相对于传统机房空调更高，通常可以达到38℃左右。

图1（a）给出了机房空调的制冷循环流程图。其中，在室内机组内设置有压缩机、油分离器、电子膨胀阀以及蒸发器等部件，在室外机组中设置有冷凝器和冷凝风机，室内、外机组通过高压气体和高压液体连接管构成制冷循环系统。由于室外机组往往设置在远离数据机房（内设室内机组）的建筑屋顶或地面，故高压气体和高压液体连接管通常为长配管结构，具有较大的压力损失，对应图1（b）中的2→3（气体连接管）和4→5（液体连接管）。

（二）实验内容和方法

1、被测机组

被测机组采用R410A制冷剂、额定制冷量为25kW，室内、外机组之间的配管长度为100m，落差高度30m，其中，高压气体和高压液体连接管的规格分别为Φ19.05mm和Φ15.88 mm。温度和压力传感器布置如图1所示。

2、测试系统

空气焓差实验室的主要技术指标：①制冷量测量范围为10～50kW，测量精度≥98%；②室内侧风量调节范围1000～10000m3/h；③室外侧温度调节范围-20～55℃。

3、实验工况

室内空气干/湿球温度为37.8/20.8℃，室外空气干/湿球温度为35.0/-℃。

/4、实验步骤

采用温度和压力传感器测量如图1所示的各测点位置制冷剂的实时状态参数，以及机组的制冷量和输入功率的变化情况。分别将机组内、外机放置在内、外工况室，第一次测试标准配管的标况制冷实验，其中标准配管长度7.5m，第二次测试100m长配管正30m落差标况制冷实验，第三次测試100m长配管负30m落差标况制冷实验。每次完成制冷剂充注且系统运行30min后，每5s采集并记录一次压力、温度和输入功率，并通过实验仪器记录数据计算压缩机的吸气过热度及膨胀阀前的过冷度。

三、实验结果与分析

表1可以看出，在标准配管下，系统的排气压力与长配管高落差有一定的差距，基本在2.9～3.1Mpa，而在冷凝器出口压力，从压缩机排气口到冷凝器出口之间，包括了气体连接管跟冷凝器的压力损失，通过数据显示，三者冷凝器出口压力基本相当，均存在较大的壓力损失，气体连接管压力损失主要是由于气体流动时与管道内壁摩擦损失以及气体分子重力损失；而对于膨胀阀前压力，三者相差很大，对于标准配管，膨胀阀前压力2.7Mpa，长配管、正落差则2.9Mpa，对于长配管、负落差，膨胀阀前的压力只有2.4Mpa，压力损失相当大；通过分析可知从冷凝器出口到膨胀阀前只有液体连接管，对于标配管液体连接管压力损失很小，几乎可以忽略不计。而对于长配管、正落差而言，过冷液态制冷剂在管道中有2个作用力，一个是液态制冷剂重力作用，一个是液态制冷剂与管道内壁摩擦力作用，当管路竖直向下时，重力作用力很大，故而形成膨胀阀前压力升高，甚至与排气压力相当，这种正落差提高了膨胀阀前压力与过冷度，对于系统具有好处的；而对于长配管、负落差而言，膨胀阀前压力很低，造成系统非常大的不利，压力损失达到3bar，正好等效于重力方向上的水利阻力。通过调节膨胀阀开度，系统回气压力基本一致，使得系统蒸发温度相当。

表2可知，系统的总功率在标配管工况下只有6040W，在长配管、正落差下由于正落差的积极效应，降低了系统的功耗，故而功率只有5880W，而对于长配管、负落差系统功率远高于标准配管，功率高达6450W。

而对于长配管、负落差工况，由于管路压力损失非常大，容易造成系统温度、压力波动，这对于恒温恒湿机房空调来说是非常不利的，具体出现的现象有两种，第一种是由于压力损失带来了过冷度不足，在某一时刻膨胀阀前仍为两相状态的制冷剂，流经膨胀阀的制冷剂流量难以有效增大，小于压缩机的制冷剂流量，膨胀阀前出现了制冷剂堆积，当阀前堆积的制冷剂量足够时，即冷凝器内部储存较多制冷剂时，冷凝器压力增大，膨胀阀前出现了较大压力和过冷度，流经膨胀阀的制冷剂流量增大，超过了此时压缩机的制冷剂流量，运行一段时间后，冷凝器内不再有液态制冷剂堆积，压力降低，膨胀阀前再次出现两相制冷剂，流经膨胀阀的制冷剂循环流量也因此减小，上述过程循环往复，导致振荡发生。本质原因是过大的压力损失使得膨胀阀前出现两相状态，形成制冷剂累积效应。

第二种，压力损失太大，需要很高的冷凝压力克服压力损失，制冷剂循环需要克服阻力必须靠高压推动，随着充注量增加，系统膨胀阀前压力升高；当系统循环流量较小时，膨胀阀前压力较低，无法完全克服角阀的阻力，多余制冷剂积累在冷凝器内形成高压，克服角阀阻力，进行较大循环流量运行，而此时充注量无法保证较大流量运行，故运行一段时间后，高压侧压力又下降，恢复小循环流量运行，如此循环往复，导致系统振荡发生。

四、结论

为探明长配管、高落差空调制冷系统产生振荡现象产生的原因及其解决措施，设计了一套名义制冷量为25kW的列间机房空调系统，并在100m长配管、30m高落差条件下进行无外扰性能实验，结果表明：

（1）长配管、正落差对于制冷系统有一定的正面效应，只要制冷剂充注量合理，保证系统不出现回液、回油障碍即可。

（2）长配管、负落差由于具有很大的压力损失，容易造成系统膨胀阀前压力过低，导致系统排气压力过高，容易造成制冷系统发生波动，同时容易发生系统膨胀阀前过冷度不足现象。

参考文献

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作者简介：黄德勇（1979年8月）男；民族：汉族；籍贯：广西；现供职单位：广东美的暖通设备有限公司；职称：工程师

学位：学士；研究方向：暖通空调。

（作者单位：广东美的暖通设备有限公司）