多联机高落差值理论分析

于艳翠

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

近年来，多联机发展迅速，广泛应用于商铺、写字楼、大型建筑，市场占有率高达52.3 %，是中国中央空调占有率最高的产品类型[1]，并且占有率还在不断提升，越来越受到市场的青睐。但是多联机也有其制约性的一面，例如性能衰减和安全问题，主要体现在连管长度和安装高落差，如果需要进一步适应较高建筑，对多联机组开发和控制带来了更大的挑战。

多联机内外机间高落差值和连管长度直接决定了机组的安装使用条件，高落差值属于内外机间连管长度的一部分，主要决定了机组的安全可靠运行范围，并对机组的性能产生负面影响[2～7]。本文从安装方式和运行模式出发给出不同安装方式和不同工况下多联机高落差理论计算方法，并分析了高落差的影响因素，给出了单冷机型和热泵机型在不同安装方式下如何调节机组参数以满足较高的落差要求，对机组开发和安装具有重要指导意义。

1 高落差值理论计算

多联机安装方式通常有两种，一是外机在内机上方，如图1所示，二是外机在内机下方，如图2所示，内机和外机的连通依靠液管和气管，高落差连接管属于连接管的一部分，两种安装方式对机组制冷和制热运行的参数影响不同，进而高落差值也不相同。

1.1 外机在内机上方

外机在内机上方安装方式下，忽略外机和内机内部管路压降和温度变化影响，仅考虑内外机间高落差连管影响，制冷运行和制热运行压焓图如图3所示[8]。

制冷模式下，高落差管中冷媒的温度和压力变化如图3（a）所示，高落差液管中高压液态冷媒由上向下流动，依据伯努利方程[9]，忽略液管中冷媒物性变化和摩擦损失，则存在如下关系式：

式中：

PH—外机高压压力；

H—高落差值。

由式（1）知，外机在上制冷模式下，高落差液管中冷媒流向向下，冷媒的压力不是减小，而是逐渐增大，冷媒温度高于环境温度，向外界散热。对采用R410A冷媒的系统，高落差液管底部压力取机组最大许可压力4.2 MPa，制冷工况下高压（即机组高压）取3.54 MPa，过冷度2 ℃，不考虑物性变化，则推算出机组的高落差最大值为75 m，如果机组安装高落差值超过最大值，则机组存在安全风险。

另外，外机在上制冷模式下，高落差气管中低压气态冷媒由下向上流动，低压气态冷媒在高落差气管中存在压降，且冷媒温度低于环境温度，使得压缩机吸气压力降低，吸气温度上升，机组能效降低，不影响机组安全运行，仅影响机组性能。

制热模式下，高落差管中冷媒的温度和压力变化如图3（b）所示，高落差液管中高压液态冷媒由下向上流动，依据伯努利方程，忽略液管中冷媒物性变化和摩擦损失，则存在关系式：

式中：

H—高落差值。

由式（2）知，外机在上制热模式下，高落差液管中冷媒流向向上，冷媒压力沿流向逐渐降低，冷媒温度高于环境温度，向外界散热。如果冷媒压力持续降低，在进入外机电子膨胀阀前会出现气液两相闪发现象，一方面会大大降低电子膨胀阀的流通能力，使得膨胀阀的工作不稳定，进而危及系统，另一方面也会造成外机换热器的供液不足，间接引起制热能力的大大降低。所以机组制热工况下高落差液管顶部压力存在最小值，即闪发压力，则对应机组安装高落差值存在最大值。

对采用R410A冷媒的系统，外机在上制热工况下，高落差液管底部压力（即机组高压，此处不等于压缩机排气压力）取3.2 MPa，过冷度7 ℃，不考虑物性变化，查压焓图得到高落差液管顶部压力存在最小值为2.734 MPa，则推算出机组的高落差最大值为50 m，如果机组安装高落差值超过最大值，则机组存在安全风险和严重的性能衰减。

另外，外机在上制热模式下，高落差气管中高压气态冷媒由上向下流动，高压气态冷媒在高落差气管中存在压降，且冷媒温度高于环境温度，使得压缩机排气压力升高，进入内机的高压气态冷媒温度下降，机组能效降低，不影响机组安全运行，仅影响机组性能。

综合以上分析，外机在内机上方安装方式，对于单冷机，结合机组运行情况，仅计算式（1）求取高落差值安全范围。对于热泵型机组，根据机组实际运行情况，需计算式（1）和式（2），求取交集，确保机组在制冷和制热工况下可靠运行。一般情况下，外机在内机上方安装方式，热泵型机组的高落差值取制热工况下计算所得的高落差值。

1.2 外机在内机下方

制冷模式下，高落差管中冷媒的温度和压力变化如图4（a）所示，高落差液管中高压液态冷媒由下向上流动，依据伯努利方程，忽略液管中冷媒物性变化和摩擦损失，则存在如式（2）关系式，即冷媒压力沿流向逐渐降低，冷媒温度高于环境温度，向外界散热。同样，机组高落差液管顶部压力存在最小值，即闪发压力，确保冷媒进入内机电子膨胀阀前是液态，无闪发现象。此时，对应机组安装高落差值存在最大值。

对于R410A空调系统，外机在下制冷工况下，高落差液管底部压力（即机组高压）取3.54 MPa，过冷度5 ℃，不考虑物性变化，查压焓图得到高落差液管顶部压力存在最小值为3.142 MPa，则推算出机组的高落差最大值为42 m，如果机组安装高落差值超过最大值，则机组存在安全风险和严重的性能衰减。

另外，外机在下制冷模式下，高落差气管中低压气态冷媒由上向下流动，低压气态冷媒在高落差气管中存在压降，而冷媒温度低于环境温度，使得压缩机吸气压力降低，吸气温度升高，机组能效降低，不影响机组安全运行，仅影响机组性能。

制热模式下，高落差管中冷媒的温度和压力变化如图4（b）所示，高落差液管中高压液态冷媒由上向下流动，依据伯努利方程，忽略液管中冷媒物性变化和摩擦损失，则存在如式（1）关系式，即冷媒压力沿流向逐渐升高，冷媒温度高于环境温度，向外界散热。同样，高落差液管底部存在压力最高值，对于R410A空调系统，高落差液管底部压力取机组最大许可压力4.2 MPa，高落差液管顶部压力（即机组高压，此处不等于压缩机排气压力）取3.2 MPa，过冷度7 ℃，不考虑物性变化，则推算出机组的高落差最大值为105 m，如果机组安装高落差值超过最大值，则机组存在安全风险。

另外，外机在下制热模式下，高落差气管中高压气态冷媒由下向上流动，高压气态冷媒在高落差气管中存在压降，且冷媒温度高于环境温度，使得压缩机排气压力升高，排气温度上升，进入内机的高压气态冷媒温度有所下降，机组能效降低，不影响机组安全运行，仅影响机组性能。

综合以上分析，外机在内机下方安装方式，对于单冷机，结合机组运行情况，仅计算式（2）求取高落差值安全范围。对于热泵型机组，根据机组实际运行情况，需计算式（1）和式（2），求取交集，确保机组在制冷和制热工况下可靠运行。一般情况下，外机在内机下方安装方式，热泵型机组的高落差值取制冷工况下计算所得的高落差值。

2 高落差值的影响因素

影响机组高落差值的主要因素有机组高压和过冷度。此处机组高压指冷凝压力，区别于压缩机排气压力，因制热工况下高落差气管冷媒存在压降，所以将机组高压和压缩机排气压力区分开。

2.1 机组高压

从安装方式和运行模式角度分析机组高压对高落差值的影响。已知制冷模式过冷度为7 ℃，制热模式过冷度为15 ℃，高落差值理论计算结果如图5所示。下文高压以对应饱和温度代替。

从图5看出，对于单冷机型，外机在内机上方安装，机组高压越高，所允许的高落差值反而越小；而外机在内机下方，机组高压越高，所允许的高落差值越大，但是增幅不大。相比于外机在下安装，外机在上的安装方式所允许的高落差值更大。

对于热泵机型，制冷和制热模式下高落差值与机组高压的关系相反。外机在上制热模式时，机组高压越高，所允许的高落差值越大，而制冷模式相反。

通常情况下，热泵机型名义工况下，外机在上安装，制冷模式高落差上限值要大于制热模式高落差上限值，例如某机型制冷模式下机组高压50 ℃，过冷度为7 ℃，运用上述理论计算对应高落差上限为116 m，而制热模式下机组高压45 ℃，过冷度为15 ℃，运用上述理论计算对应高落差上限为81 m，综合机组高落差值上限取81 m。而外机在下安装时，名义工况运行，制热模式高落差值要大于制冷模式高落差值，例如上述机型制冷模式下高落差上限为48 m，而制热模式下高落差上限为140 m，综合机组高落差值上限取48 m。

2.2 过冷度

仍从安装方式和运行模式角度分析机组过冷度对高落差值的影响。已知制冷模式机组高压为50 ℃，制热模式机组高压为45 ℃，高落差值理论计算结果如下图6所示。

从图6看出，对于单冷机型，外机在内机上方安装，过冷度的变化对高落差值影响不大，过冷度越大，高落差值略有越小。而外机在内机下方安装时，过冷度增加的同时，高落差值增大。

对于热泵机型，外机在内机上方安装时，过冷度变化主要影响制热工况的高落差值，过冷度越大，高落差值越大。外机在内机下方安装时，过冷度变化主要影响制冷工况的高落差值，过冷度越大，高落差值越大。

例如某单冷机型机组高压50 ℃，过冷度为5 ℃，运用上述理论计算，外机在上安装时高落差上限为118 m，外机在下安装时高落差上限为35 m。某热泵机型制热工况下机组高压45 ℃，过冷度为10 ℃，运用上述理论计算，外机在上安装时高落差上限为58 m，外机在下安装时高落差上限为144 m，如果制冷工况参数同上述单冷机参数，综合得出，此热泵机型外机在上安装时高落差上限为58 m，外机在下安装时高落差上限为35 m。

3 结论

本文从机组安装方式和运行模式角度给出了高落差理论计算方法，分析了高落差的影响因素，得出如下结论：

1）对于单冷机型，外机在内机上方安装所允许的高落差值远大于外机在内机下方安装高落差上限值。对于较高建筑，单冷机型外机在内机上方安装方式更为合适，但是对机组高压上限要有所控制，避免出现安全问题，对机组过冷度无特别要求，过冷度在此安装方式下影响不大。如果因场地限制，单冷机外机安装在内机下方，则需调高机组高压和过冷度，主要调高过冷度，以满足较高的落差要求。

2）对于热泵机型，一般情况下，外机在内机上方安装高落差值大小取决于制热工况的机组高压和过冷度，外机在内机下方安装高落差值大小取决于制冷工况的机组高压和过冷度，机组高压和过冷度与高落差值正相关。具体需要结合实际机组的设计参数和运行情况确定机组的高落差极限值。