高落差长配管安装形式对空调系统的影响

一、引言

家用空调器在室内外机高差较大，配管长度较长的安装条件下，对空调系统性能有一定的影响。

目前，国内主要空调厂商对家用空调器在室内外机安装高差和连接配管长度方面没有统一的限制，类似可供参考的试验结果及分析比较少。故本文通过实际安装的空调器进行试验分析。

本文重点介绍空调器在高落差长配管的安装形式下，管路压损对空调系统的影响，并且提出相应的对策。同时介绍高落差长配管安装情况下的压缩机回油及压缩机启动现象分析。

二、高落差长配管安装形式对空调系统的影响

空调器的高落差长配管有两种安装形式：室外机在下、室内机在上和室外机在上、室内机在下。对上述两种安装形式对空调系统的影响及相应的对策归纳如表1所示。

表1

三、高落差长配管安装形式下空调器的试验

这次进行高落差长配管试验的空调器有两台：分别为室外机低置和室外机高置两种形式。图1为上述两台空调器连接管路的温度、压力测压点布置示意。

进行试验的空调器均选取为3.8kW定速柜机，压缩机选用3.8kW滚动转子式压缩机。

图1 试验空调器安装示意

根据3.8kW定速柜机的安装要求，室外机高置形式的空调器：每隔一定的高度设置一回油弯，保证空调器停机后启动瞬间，压缩机能吸到足够的润滑油，而不至于发生缺油咬缸现象。同时确定其加液量：一定管长（20m）以内不需增加制冷机；该长度以外的，按照每米增加120g制冷剂的要求添加冷媒量。以上内容见表2所列。

表2

四、高落差长配管安装形式下空调器试验结果分析

高落差长配管安装形式下的两台3.8kW空调器：室外机低置和室外机高置两种形式，分别安装在不同地点进行寿命考核。

上述两台高落差长配管安装形式下空调器的制冷运行工况，室外工况条件：28～37℃，两台空调器运行时间为5月份～8月份。表3为制冷运行的一些数据测试结果，数据采集点位置见图1所示。以下分析制冷工况下，室内外机连接的管路压损。

1. 通过lgP－h图分析制冷工况压损对空调系统影响室外机在下、室内机在上的高低落差长配管试验中，上下连接管的管路压损是系统中的主要压损。制冷工况下，由于上下连接管路大落差，管路较长，受重力影响的压损占上下管路压损的绝大部分，该压损使蒸发压力大幅下降（见表3），进一步使蒸发温度下降，压缩机吸气比容u1上升，制冷剂单位容积制冷能力下降。同时，在高落差长配管试验中，一般会通过多增加制冷剂来保证空调器冷量，这就使压缩机排气压力上升。

压缩机单位容积制冷能力 ，因比容v1增大，h1-h4减小，故单位容积制冷能力qv下降。 同时压缩机排气压力上升，空调系统冷凝压力上升，压缩机功耗wc= h2'-h1'增加，压缩机制冷能效比 下降。

图2 lgP-h图

故空调系统制冷量和能效比同样下降，空调器整体制冷性能下降。

2. 高落差长配管安装形式对空调系统影响

(1) 空调器实际运行中管路大压损对空调系统的影响

① 室内外机安装形式不同，管路压损影响程度不同。

表3

由于制冷机流向不同，液态制冷机受重力影响的重力压损对管路压损的作用不同。由上述数据推算，室外机低置安装形式的高落差长配管空调系统的竖直管路每米平均压损较室外机高置安装形式的高落差长配管空调系统的竖直管路每米平均压损大，前者的竖直管每米平均压损为0.016MPa/m，而后者为0.009MPa/m，相对小些。

由此可知，室外机低置安装形式的高落差长配管空调系统可适当地降低安装高度，减轻压缩机排气压力的负担。

② 管路大压损使压缩机运行条件苛刻

高落差长配管安装形式的空调器，由于配管较长，高度相差较大，为了保证空调器的制冷量，一般会多增加制冷机，这就使压缩机排气压力升高，在恶劣（超高温气候）工况下，空调系统易发生频繁保护停机现象。

同时，高落差长配管试验中，由于配管较长，管路大压损使压缩机吸气压力、吸气温度较低，室外机高置安装形式的高落差长配管试验中，室内外机连接管路较长（45～50m），管路压损较大：液管平均压损为0.007MPa/m，气管平均压损为0.0018MPa/m，压缩机吸气平均压力为0.36MPa（绝对压力），吸气平均温度为-4℃。过低的吸气温度，不利于压缩机长期运转，并且使空调系统整体性能下降。

高落差长配管试验中的压缩机压比较大（排气压力较高、吸气压力较低），增加压缩机的设计成本。表3中，室外机高置形式的空调器制冷运行，压缩机压比达5.1。

其解决方法为：

(a) 提高压缩机可靠性设计

压缩机设计中，适当提高压缩机的耐高压能力。同时在满足压缩机的高压比情况下，充分考虑压缩机的性能、结构设计等。

在设计中，可参考以下关系式：空调过负荷工况下的排气压力（焓差室测得）＋每米落差平均压损×落差高度值＋每米水平平均压损×水平配管长度（焓差室测试以外新增加的水平配管长度）≤压缩机设计的过负荷压力。

(b) 适当放大空调器室外侧换热器的面积

空调系统设计过程中，适当放大室外侧换热器面积，在一定范围内可降低压缩机排气压力。

(2) 室外机低置安装形式的高落差长配管空调器易发生冷媒侵入现象

室外机在下，室内机在上，空调器制冷运行停机后，未进入室内蒸发器的液体氟利昂流入处于低位的室外机换热器。由于高低落差大（13～15m），长配管内的液体氟利昂较多，在重力影响下，大量液态氟利昂进入压缩机腔体，发生冷媒侵入现象，压缩机启动时易造成液击现象。防止启动瞬间液击现象的方法为：

(a) 压缩机配置电加热带

空调器停机开启前，对压缩机壳底进行预热，使压缩机腔体内的液态氟利昂能气化为气态氟利昂，避免启动瞬间的液击现象。

(b) 空调系统添加辅助储液器

可考虑在室外换热器（冷凝器）出口节流装置后加设一辅助储液器。停机后，长配管液管内未来得及蒸发的液态氟利昂可倒流入辅助储液器，防止进入压缩机腔体内造成液击现象，见图3（a）。

同时也可考虑在压缩机吸气储液器前加设一辅助储液器。停机后，回气管内大量液态氟利昂可流入辅助储液器，而不是进入压缩机腔体造成积液，可防止压缩机启动时的因积液而造成的液击现象发生，见图3（b）。

在高落差长配管、室外机低置安装形式的试验中，观察到视镜压缩机在启动前的油液分层现象。

（a）冷凝器后增辅助储液器

（b）压缩机前辅助储液器

图3 添加辅助储液器示意

分析压缩机腔体内启动前的油液分层原因：

空调器长时间停机，随着夜间温度的降低，气态氟利昂冷凝为液体状态，大量液体氟利昂与冷冻油互溶，积聚在压缩机腔体下部。常温状态（20℃）下，氟利昂密度1.21×103kg/m ³ 大于冷冻油密度0.92×103kg/m ³ ，长时间的停置，使油液逐渐发生分层现象。

压缩机腔体内发生油、液发生分层现象后，压缩机再次启动时因液击缺油而堵转（集尘圈高度的位置是液态氟利昂，油泵上的是液态氟利昂，而不是油），该种现象对压缩机可靠性危害较大。

故对于较大的空调系统（充液量较多、配管长度较长的空调系统），压缩机宜配置电加热既可防止压缩机启动瞬间的液击现象，又可防止压缩机腔体内油液分层现象的发生。

(3) 室外机高置形式的高落差长配管空调系统回油较苛刻

制冷运行工况，因室外机位于高位，室内机向高位的室外机上行回气需克服大落差造成的重力压损，回油较困难。

室外机高置安装形式下，改善压缩机回油困难的方法：

(a) 压缩机排气侧加设油分离器，减少润滑油在空调系统内的循环；

(b) 空调系统定期进行回油操作；

(c) 压缩机吸气管尽量设置成“粗、大、低”的形式，保障启动供油；

(d) 室内外机竖向的连接管每隔一定的高度设置一回油弯。室外机高置的安装形式中，竖向连接管每隔10m设置一折弯半径为50~150mm的S形回油弯。同时在室外机进管处，同样设置一折弯半径为50~150mm的U形回油弯，保障压缩机启动瞬间能吸到充分的润滑油，压缩机能正常启动运转。

上述室外机低置和室外机高置两种安装形式下的高落差长配管试验中，空调系统回油情况良好，运转至今无回油不良现象发生（压缩机咬缸现象）。

五、小结

1. 高落差长配管试验管路压损情况

总的来说，高落差长配管试验中管路压损较大，压缩机吸气压力、吸气温度过低，压缩机压比上升，空调系统性能下降。

(1) 室外机低置安装形式的高落差长配管试验中，制冷工况下的重力压损对竖直管路压损是递增作用，对空调系统影响较大，制热工况下的重力压损对竖直管路压损是递减作用，对空调系统影响相对较小。

(2) 室外机高置安装形式的高落差长配管试验中，制热工况下的重力压损对空调系统影响较大，制冷工况下的重力压损对空调系统影响相对较小。

2. 高落差长配管试验液击情况

高落差长配管安装形式的空调器，长时间停机后的启动瞬间易发生压缩机液击现象。

(1) 吸气侧添加大容量的辅助储液器可减轻液击现象的发生。

(2) 压缩机配置电加热可防止压缩机腔体内油液分层现象发生，同时也可减轻压缩机启动瞬间液击现象的发生。

3. 高落差长配管试验空调系统回油情况

室外机高置安装形式的高落差长配管空调器回油相对较困难。

在竖直安装管路较长的情况下，宜每隔一定的高度（10m左右）设置一回油弯，保证压缩机启动瞬间的供油情况。