中央空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

董濤濤

（克萊門特捷聯(lián)制冷設(shè)備（上海）有限公司，上海 201419）

隨著人們生活水平的不斷提高，中央空調(diào)行業(yè)的發(fā)展也越來越好，市場上中央空調(diào)的種類也越來越多，這也導(dǎo)致初入空調(diào)行業(yè)的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，能參與全新中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)會越來越少。作為中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，掌握空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是最基本的能力。

1 制冷系統(tǒng)簡介

眾所周知，空調(diào)制冷系統(tǒng)是基于朗肯循環(huán)的一種熱力學(xué)系統(tǒng)，對于風(fēng)冷冷水空調(diào)系統(tǒng)，其主要工作原理為：低溫低壓氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，變?yōu)楦邷馗邏簹鈶B(tài)制冷劑；沿著壓縮機(jī)排氣管路進(jìn)入冷凝器，在冷凝器散熱風(fēng)扇的作用下，向周圍大氣環(huán)境散熱，冷凝為高溫高壓液態(tài)制冷劑；然后沿著膨脹閥前液管通過節(jié)流膨脹閥，由于節(jié)流膨脹閥具有降溫降壓的特性，制冷劑會被節(jié)流為低溫低壓液態(tài)制冷劑；然后再沿著膨脹閥后液管進(jìn)入蒸發(fā)器，通過從蒸發(fā)器水側(cè)吸熱，制冷劑蒸發(fā)為低溫低壓氣態(tài)制冷劑；然后再沿著壓縮機(jī)吸氣管路進(jìn)入壓縮機(jī)，由此完成完整的工作循環(huán)。

本文主要介紹輕商型渦旋式風(fēng)冷冷水中央空調(diào)R410A 制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即：（1）壓縮機(jī)為渦旋壓縮機(jī)；（2）冷凝器為翅片式換熱器；（3）節(jié)流膨脹閥為電子膨脹閥或熱力膨脹閥；（4）蒸發(fā)器為板片式換熱器。其中選型過程中的運(yùn)行參數(shù)，如無特殊說明，均是指在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18430.1-2007 中額定制冷工況下的運(yùn)行參數(shù)，制冷系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 中央空調(diào)制冷系統(tǒng)原理圖

2 制冷部件選型

2.1 壓縮機(jī)選型

壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)四大部件的核心，要使空調(diào)制冷系統(tǒng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，壓縮機(jī)選型一定要準(zhǔn)確。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前壓縮機(jī)供應(yīng)商一般都開發(fā)了壓縮機(jī)的選型軟件，只需輸入壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，便可正確選出壓縮機(jī)的型號，這使得壓縮機(jī)的選型越來越方便。對于不同品牌的壓縮機(jī)選型軟件，都是只需要輸入壓縮機(jī)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過冷度、過熱度這四個(gè)基本參數(shù)，就可以準(zhǔn)確地選出合適的壓縮機(jī)型號。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般風(fēng)冷冷水中央空調(diào)壓縮機(jī)在額定制冷工況下的四個(gè)運(yùn)行參數(shù)分別為：蒸發(fā)溫度2.5℃、冷凝溫度50℃、過冷度5℃、過熱度5℃。上述參數(shù)可以滿足一般空調(diào)制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)的選型需求。針對一些特殊的制冷系統(tǒng)，可以通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整上述參數(shù)實(shí)現(xiàn)，例如，如果想要設(shè)計(jì)高能效制冷系統(tǒng)，可以適當(dāng)?shù)匕颜舭l(fā)溫度提高0.5～1.0℃、冷凝溫度降低1.0～2.0℃，但同時(shí)也要考慮提高制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器和冷凝器的換熱能力，使實(shí)際的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度可以真正地提高和降低。

2.2 翅片換熱器選型

翅片式換熱器是制冷系統(tǒng)四大部件中最復(fù)雜的部件，不同的翅片型式、銅管型式、風(fēng)量大小、流路分布、順流逆流等都會導(dǎo)致不同的選型結(jié)果。為方便說明，本文僅介紹常用的內(nèi)螺紋銅管、親水開窗翅片、相對空氣逆流作為冷凝器的翅片式換熱器。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，換熱器的換熱量為0.4～0.45kW/m2，其中面積為翅片換熱器上的翅片和銅管外表面與空氣的接觸面積。當(dāng)壓縮機(jī)的冷凝溫度選為50℃時(shí)，考慮管路壓降，翅片式換熱器的冷凝溫度一般比壓縮機(jī)冷凝溫度低0.5～1.0℃。

2.3 板式換熱器選型

板式換熱器具有換熱效率高、安裝體積小的優(yōu)點(diǎn)，一般用于渦旋壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中。本文主要介紹其在渦旋壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中作為蒸發(fā)器時(shí)的選型方法。

隨著板式換熱器技術(shù)的發(fā)展，市場上板式換熱器品牌越來越多，但各品牌一般都有對應(yīng)的選型軟件。對于不同品牌的選型軟件，都是只需確定：（1）進(jìn)水溫度；（2）出水溫度；（3）蒸發(fā)溫度；（4）過熱度；（5）水側(cè)壓降，即可選出合適的板式換熱器型號。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般進(jìn)水溫度為12℃、出水溫度為7℃、蒸發(fā)溫度為3℃、過熱度為3℃、水側(cè)壓降為30～50kPa。如果想要設(shè)計(jì)高能效的制冷系統(tǒng)，一般會把蒸發(fā)溫度增大0.5～1.0℃。另外，雖然不同品牌的板式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異很大，但不同板式換熱器單位面積換熱量基本都是12.5～15.5kW/m2，此經(jīng)驗(yàn)值也可用于復(fù)核軟件選型結(jié)果是否準(zhǔn)確。

2.4 節(jié)流膨脹閥選型

在中央空調(diào)制冷系統(tǒng)中，常用的節(jié)流膨脹閥一般有兩種型式：電子膨脹閥和熱力膨脹閥。目前市場上各膨脹閥生產(chǎn)廠家都有用于膨脹閥選型的樣本資料，通過提前確定的設(shè)計(jì)參數(shù)，可以很方便地通過樣本數(shù)據(jù)，選出合適的膨脹閥型號。對于不同的膨脹閥品牌和膨脹閥型式，選型所需的設(shè)計(jì)參數(shù)都是相同的。

2.4.1 選型參數(shù)

膨脹閥選型過程中所需的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）所使用的制冷劑類型：R410A；

（2）冷凝溫度Tc（℃）：壓縮機(jī)排氣口的飽和冷凝溫度，一般為50℃；

（3）蒸發(fā)溫度Te（℃）：壓縮機(jī)吸氣口的飽和蒸發(fā)溫度，一般為2.5℃；

（4）額定制冷量Cap（kW）：額定制冷工況下機(jī)組的換熱量；

（5）壓降ΔPH（bar）：壓縮機(jī)排氣口到膨脹閥進(jìn)口之間管路的壓降，一般取0.6bar；

（6）壓降ΔPL（bar）：膨脹閥出口到壓縮機(jī)吸氣口之間管路的壓降，一般取0.8bar；

（7）壓降ΔH（m）：冷凝器高度減去膨脹閥高度（對于本文所描述系統(tǒng)，蒸發(fā)器與膨脹閥的高度差比較小，忽略不計(jì)），一般壓降取0.1bar/m；

（8）閥前溫度Tl（℃）：膨脹閥入口的制冷劑溫度，該溫度等于翅片冷凝器的冷凝溫度減去過冷度，一般為44～44.5℃。

2.4.2 選型方法

膨脹閥選型方法如下：

（1）根據(jù)蒸發(fā)溫度Te 和冷凝溫度Tc，在樣本上查出壓縮機(jī)吸排氣口的壓頭ΔPC（bar）。

（2）根據(jù)如下公式，計(jì)算出膨脹閥前后的壓降ΔPV（bar）：

（3）根據(jù)閥前溫度Tl，在樣本上查出機(jī)組額定制冷量的修正系數(shù)Cf（額定制冷工況下，Cf 一般等于0.9），計(jì)算出膨脹閥的等效制冷量C（kW）=1.25×Cf×Cap（kW）。

（4）根據(jù)蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度和ΔPV，在樣本上查出制冷量為C 的膨脹閥，此閥即為本次選型所需的膨脹閥。

3 系統(tǒng)管徑設(shè)計(jì)

本文上半部分主要介紹了制冷系統(tǒng)四大部件的選型方法；但部件選好之后，要確保各部件能按設(shè)計(jì)的參數(shù)正常應(yīng)用，就必須要使各部件之間連接銅管的管徑尺寸合適。本文下半部分主要介紹如何設(shè)計(jì)各部件之間的系統(tǒng)管徑。

3.1 壓縮機(jī)排氣管

壓縮機(jī)排氣管是指圖1 中的a 管路，此段管路管徑的大小，主要是由壓縮機(jī)排出的氣態(tài)制冷劑流速確定的。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，排氣管中氣體制冷劑流速一般設(shè)計(jì)為10～12m/s。如果氣態(tài)制冷劑流速太高，會導(dǎo)致管路阻力增大，輸送氣體損耗的功率也會增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低；如果氣態(tài)制冷劑流速太低，會導(dǎo)致制冷劑流動(dòng)的動(dòng)能不足，無法完成穩(wěn)定的制冷系統(tǒng)循環(huán)。

在壓縮機(jī)選型過程中，軟件中會計(jì)算出制冷劑的質(zhì)量流量，當(dāng)制冷劑流速確定后，可以利用質(zhì)量流量與制冷劑密度和速度關(guān)系，計(jì)算出管徑；也可以使用Danfoss 的選型軟件Coolselector，輸入機(jī)組運(yùn)行參數(shù)后，軟件會顯示不同管徑下的制冷劑流速，選擇制冷劑流速接近10～12m/s 的管徑即可。

3.2 壓縮機(jī)吸氣管

壓縮機(jī)排氣管是指圖1 中的d 管路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，吸氣管中氣體制冷劑流速一般設(shè)計(jì)為12～15m/s。如果氣態(tài)制冷劑流速太高，會使系統(tǒng)管路中阻力增大，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低；如果氣態(tài)制冷劑流速太低，會導(dǎo)致系統(tǒng)中的油無法被帶回壓縮機(jī)。其中，管徑計(jì)算方法與上述壓縮機(jī)排氣管中介紹的方法相同。

3.3 膨脹閥前液管

膨脹閥前液管是指圖1 中的b 管路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，膨脹閥前液管中液態(tài)制冷劑流速一般設(shè)計(jì)為1.2～1.5m/s。同樣地，如果液態(tài)制冷劑流速太高，會使系統(tǒng)管路中阻力增大，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能降低；如果制冷劑流速太低，也會導(dǎo)致油附著在管路內(nèi)壁，無法被帶回壓縮機(jī)。其中，管徑計(jì)算方法與上述壓縮機(jī)排氣管中介紹的方法相同。

3.4 膨脹閥后液管

膨脹閥后液管是指圖1 中的c 管路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果制冷系統(tǒng)為單制冷系統(tǒng)，閥后液管管徑比閥前液管管徑大一檔，因?yàn)橹评鋭┕?jié)流時(shí)會閃發(fā)出部分氣體，導(dǎo)致閥后氣液混合制冷劑體積增大，所以管徑同步增大一檔；但如果制冷系統(tǒng)為熱泵系統(tǒng)，即既可以制冷也可以制熱系統(tǒng)，閥后液管管徑一般設(shè)計(jì)成與閥前相同。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了輕商型渦旋式風(fēng)冷冷水中央空調(diào)R410A 制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，但對于同類型的其他形式的中央空調(diào)制冷系統(tǒng)，比如壓縮機(jī)為螺桿壓縮機(jī)、制冷劑為R134a、換熱器為殼管式換熱器等，制冷系統(tǒng)四大部件的選型方法可能會有區(qū)別，但機(jī)組在各部件中的運(yùn)行參數(shù)基本都是相同的。

本文中所用的制冷系統(tǒng)原理圖是簡化圖，實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)不同功能，各管路中可能會增加一些其他零部件，但是主體管路中制冷劑流速不變，管徑的設(shè)計(jì)方法也不變。