趙路平

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司

風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)，按照規(guī)范定義屬于計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)的一種[1]，規(guī)范中規(guī)定了機(jī)組制冷量的試驗(yàn)方法，其中有一條試驗(yàn)條件需要特別說(shuō)明下，即試驗(yàn)條件中規(guī)定了室內(nèi)外機(jī)組的冷媒管連接管長(zhǎng)為5～7.5 m[2]。筆者咨詢了多個(gè)機(jī)房空調(diào)廠家，機(jī)組測(cè)試時(shí)也是按照冷媒管長(zhǎng)5～7.5 m的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試并作為機(jī)組名義工況下的參數(shù)，同時(shí)各廠家也會(huì)給出推薦的管長(zhǎng)應(yīng)用范圍，多數(shù)如下：?jiǎn)纬汤涿焦茏畲笪锢砉荛L(zhǎng)為60 m，當(dāng)冷凝器在室內(nèi)機(jī)上方時(shí)，室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)安裝的垂直最大距離為20 m，在下時(shí)，垂直最大距離為5 m。且在此范圍內(nèi)制冷量滿足規(guī)范中規(guī)定的不小于名義制冷量的95%。對(duì)于通信建筑多數(shù)在推薦的應(yīng)用范圍內(nèi)，然不排除有些項(xiàng)目受制于建筑本身制約，尤其是一些老舊機(jī)房空調(diào)替換和擴(kuò)容項(xiàng)目會(huì)不得不超出廠家推薦的管長(zhǎng)范圍，此時(shí)就不得不考慮超長(zhǎng)條件下對(duì)空調(diào)冷量的影響。從制冷原理分析，機(jī)組的制冷衰減量隨著管長(zhǎng)的增加而增大，當(dāng)應(yīng)用管長(zhǎng)超過(guò)60 m時(shí)，由于制冷衰減量不得而知且不可忽視，這給空調(diào)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)很大的難度。通信機(jī)房不同于常規(guī)民用建筑，對(duì)空調(diào)的依賴和要求更高，如果對(duì)此因素考慮不足，很有可能造成設(shè)備選型的制冷量不足，影響電子設(shè)備正常運(yùn)行，嚴(yán)重者可能造成較大經(jīng)濟(jì)損失或者公共場(chǎng)所秩序混亂。因此，對(duì)于風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)在冷媒管超長(zhǎng)管路下的設(shè)計(jì)和選型，顯得很有必要研究和思考。

1 項(xiàng)目概況

上海某通信機(jī)房建筑樓層共5層，二層為通信電子設(shè)備間，建筑面積約2000 m2，其余4層為辦公樓層，二層層高7 m，三、四、五層高為4 m。設(shè)計(jì)為風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)，室外風(fēng)冷冷凝器布置于建筑屋頂，內(nèi)機(jī)布置于二層各電子設(shè)備間，機(jī)組示意圖見(jiàn)圖1所示。由于建筑內(nèi)沒(méi)有空調(diào)管路井可用，只能從建筑的屋頂經(jīng)建筑外立面再進(jìn)入機(jī)房，導(dǎo)致部分空調(diào)管長(zhǎng)超出廠家的推薦范圍，經(jīng)測(cè)算，冷媒管單程物理管長(zhǎng)在70～80 m范圍內(nèi)。經(jīng)咨詢多個(gè)設(shè)備廠家，均表示冷媒管長(zhǎng)雖然超出了推薦的應(yīng)用范圍，但機(jī)組也能正常運(yùn)行，至于冷量衰減多少，目前行業(yè)內(nèi)很少能準(zhǔn)確提供。與此同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)安裝空間受限和預(yù)算制約，作為設(shè)計(jì)人員也不能無(wú)條件無(wú)依據(jù)的選型較大冷量的機(jī)組。如果按照計(jì)算冷負(fù)荷選取，有可能冷媒管超長(zhǎng)制冷量衰減較大，導(dǎo)致實(shí)際制冷量不足?；诿媾R的問(wèn)題，筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)和咨詢相關(guān)專業(yè)人員，形成了如下的分析和解決思路。

圖1 機(jī)房專用空調(diào)示意圖

2 冷媒管路超長(zhǎng)條件下問(wèn)題分析

機(jī)房專用空調(diào)冷媒管超長(zhǎng)時(shí)，主要產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題，一是制冷量衰減，二是壓縮機(jī)潤(rùn)滑油回油困難。

1）制冷量衰減

從制冷循環(huán)的角度，可分析出冷量衰減的原因主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是冷媒管過(guò)長(zhǎng)時(shí)，冷媒液管的沿程阻力損失增大，加上與外界的換熱升溫，將會(huì)造成部分冷媒提前汽化，導(dǎo)致進(jìn)入蒸發(fā)器中液態(tài)冷媒減少，引起制冷量下降。另一方面冷媒管過(guò)長(zhǎng)時(shí)，冷媒汽管的壓降也會(huì)增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣壓力升高，從而使壓縮機(jī)的壓比增大，容積效率降低，制冷效率降低，制冷量減少[3]。借助壓焓圖，能更加直觀的看出制冷量減少，見(jiàn)圖2所示，ABDE為標(biāo)準(zhǔn)管長(zhǎng)的制冷循環(huán)，aBde為超長(zhǎng)管長(zhǎng)的制冷循環(huán)，在室外換熱量一定的條件下，單位質(zhì)量的冷媒制冷量由AB減小為aB，且A點(diǎn)的干度小于a點(diǎn)，意味著用于制冷的液態(tài)冷媒量減少，兩者疊加后總的制冷量更加減少。

圖2 冷媒管管長(zhǎng)變化的壓焓圖

2）壓縮機(jī)潤(rùn)滑油回油

除冷量衰減外，冷媒管過(guò)長(zhǎng)時(shí)，壓縮機(jī)潤(rùn)滑油回油的問(wèn)題也不容忽視。據(jù)了解，目前行業(yè)各廠家的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組多數(shù)都不配置油分離器，潤(rùn)滑油的流動(dòng)是伴隨著冷媒一起循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)冷媒管較長(zhǎng)時(shí)，潤(rùn)滑油的循環(huán)路徑越長(zhǎng)，對(duì)壓縮機(jī)越不利，尤其是當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，汽管中的油滴在重力作用下沉積到底部水平管或者壓縮機(jī)出口。當(dāng)系統(tǒng)再次啟動(dòng)時(shí)，壓縮機(jī)排氣口冷媒帶動(dòng)油滴經(jīng)過(guò)整個(gè)循環(huán)管路才能再次回到壓縮機(jī)內(nèi)，路徑較長(zhǎng)時(shí)很有可能造成壓縮機(jī)缺油而損壞，故潤(rùn)滑油回油的問(wèn)題也是機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素之一。在沒(méi)有油分離器的情況下，目前廠家推薦的做法是在汽管上加裝存油彎，汽管垂直高度上每隔5～10 m內(nèi)設(shè)置一個(gè)存油彎。存油彎的工作原理：當(dāng)系統(tǒng)停止運(yùn)行后，汽管中的油滴分段暫存在存油彎中，當(dāng)系統(tǒng)再次運(yùn)行時(shí)，存油彎中的油滴在冷媒的帶動(dòng)下，循環(huán)流動(dòng)再次回到壓縮機(jī)內(nèi)。同不設(shè)置存油彎相比，潤(rùn)滑油的循環(huán)路徑縮短了相當(dāng)于垂直高度的距離，可減少了回油困難。如果有選擇的情況下，建議設(shè)置設(shè)置油分離器，回油效果更優(yōu)。

3 超長(zhǎng)管路下系統(tǒng)機(jī)組容量選型和管路的設(shè)計(jì)

經(jīng)以上分析，可知工程設(shè)計(jì)人員主要面臨著該如何把握冷媒管超長(zhǎng)衰減量的問(wèn)題。筆者查閱了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，如《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174，《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD5003等，《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736等均未提及超長(zhǎng)條件下機(jī)組容量選型該如何考慮[4-6]?！队?jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理機(jī)房用單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》GBT19413也沒(méi)有規(guī)定設(shè)備廠家需要提供冷媒管長(zhǎng)度對(duì)冷量衰減的修正系數(shù)。故不妨換個(gè)思路來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題，多聯(lián)機(jī)的系統(tǒng)形式和工作原理，同風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)相似，主要區(qū)別在于多聯(lián)機(jī)的壓縮機(jī)在室外機(jī)側(cè)，從前面的分析可知，冷量的衰減主要取決于冷媒循環(huán)流動(dòng)中的沿程阻力。對(duì)于相同管長(zhǎng)條件下，無(wú)論壓縮機(jī)在室外機(jī)側(cè)還是在室內(nèi)機(jī)側(cè)，汽管和液管的管長(zhǎng)并沒(méi)有發(fā)生變化，冷量的衰減應(yīng)該呈現(xiàn)相似的規(guī)律，這為借鑒多聯(lián)機(jī)的衰減系數(shù)提供了可能性。依據(jù)《多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》JGJ174中的相關(guān)說(shuō)明，多聯(lián)機(jī)行業(yè)冷媒管最大管長(zhǎng)能達(dá)到150 m，垂直高差50 m[7]。他們是如何解決超長(zhǎng)引起冷量衰減的問(wèn)題，從規(guī)范《多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組》GB/T 18837-2002到2015的升版內(nèi)容對(duì)比，新版增加了冷媒管長(zhǎng)修正的相關(guān)規(guī)定[8-9]，其目的就是為滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)需要，期望制造商提供機(jī)組性能衰減與連接管長(zhǎng)的修正數(shù)據(jù)?；诙嗦?lián)機(jī)冷媒管超長(zhǎng)修正從無(wú)到有的過(guò)程來(lái)看，筆者相信風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)相關(guān)規(guī)范的再升版也會(huì)提出相關(guān)規(guī)定，不妨先借鑒多聯(lián)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用到風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)上。

3.1 多聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)方法借鑒

《多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組》GB/T 18837-2015中明確的規(guī)定廠家需給出不同長(zhǎng)配管下機(jī)組制冷量修正系數(shù)，見(jiàn)圖3所示?！抖嗦?lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》JGJ174中也明確提出了機(jī)組容量選型應(yīng)考慮室內(nèi)外機(jī)溫度，室內(nèi)外機(jī)負(fù)荷比，冷媒管管長(zhǎng)和高差，融霜的修正。對(duì)比風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)，由于是一對(duì)一的室內(nèi)外機(jī)，以及機(jī)房專用空調(diào)常年處于制冷工況，故室內(nèi)外機(jī)負(fù)荷比和融霜無(wú)需考慮，則剩下另外兩個(gè)因素，即室內(nèi)外機(jī)溫度，冷媒管長(zhǎng)和高差需要考慮。

對(duì)于溫度修正系數(shù)來(lái)說(shuō)，機(jī)房專用空調(diào)試驗(yàn)工況室外側(cè)空氣溫度為35 ℃[10]，從全國(guó)熱工分區(qū)來(lái)看，嚴(yán)寒地區(qū)，寒冷地區(qū)，夏熱冬冷地區(qū)，夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)的夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度多數(shù)都低于35 ℃，少數(shù)地區(qū)在35～36 ℃范圍內(nèi)，極個(gè)別的高出36 ℃，如重慶36.5 ℃，浙江麗水36.8 ℃，吐魯番40.3 ℃[6]。綜合來(lái)看，全國(guó)大部分地區(qū)幾乎無(wú)需考慮修正，個(gè)別地區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況考慮修正。

圖3 冷媒管長(zhǎng)度對(duì)機(jī)組制冷量的修正系數(shù)

對(duì)于管長(zhǎng)的修正則屬于共性存在問(wèn)題，不妨借鑒多聯(lián)機(jī)管長(zhǎng)的修正系數(shù)，多聯(lián)機(jī)和機(jī)房專用空調(diào)修正系數(shù)理論上是不完全相同的，如前所述由于兩者系統(tǒng)形式和運(yùn)行特性十分接近，呈現(xiàn)出來(lái)趨勢(shì)是相似的，修正系數(shù)也是比較接近的。尤其對(duì)于當(dāng)前缺少設(shè)計(jì)參考和依據(jù)的條件下，有較大的參考意義和價(jià)值。同時(shí)，筆者查閱對(duì)比了某多聯(lián)機(jī)廠家不同型號(hào)的機(jī)組給出的管長(zhǎng)修正系數(shù)，多數(shù)都要高于規(guī)范GB/T 18837-2015給出的參考值，為了保證選取的機(jī)組容量足夠可靠，取最不利的修正系數(shù)圖，即圖3作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

另本項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多次與廠家溝通，廠家做了大量模擬計(jì)算，最終給出的80 m管長(zhǎng)修正系數(shù)值是0.895，60 m管長(zhǎng)修正系數(shù)為0.948。對(duì)比圖3查得80 m修正系數(shù)為0.868和60 m為0.896，兩者對(duì)比來(lái)看，多聯(lián)機(jī)的衰減系數(shù)更大些，從設(shè)計(jì)的角度來(lái)講偏差基本能夠接受且采用多聯(lián)機(jī)的修正系數(shù)機(jī)組制冷容量保障性更高。對(duì)于不同項(xiàng)目在應(yīng)用時(shí)，也可依據(jù)實(shí)際情況，在此修正系數(shù)圖的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際修正系數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

除了管路超長(zhǎng)冷量衰減外，連接室內(nèi)外機(jī)的冷媒管路設(shè)計(jì)布置也需要注意，如下三個(gè)方面尤其要關(guān)注：冷媒管徑選擇，潤(rùn)滑油回油，壓縮機(jī)運(yùn)行。

冷媒管管徑選型一般廠家會(huì)推薦一個(gè)范圍值，對(duì)于超長(zhǎng)管路可適當(dāng)取較大的冷媒管徑，這樣可以減少沿程阻力損失，對(duì)冷量衰減進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償。但也不能不加限制的增大，冷媒管徑太大，流速會(huì)降低，不利于壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的回油，因此要兼顧考慮。

根據(jù)分析，潤(rùn)滑油回油需要設(shè)置存油彎，具體見(jiàn)圖4所示。

圖4 機(jī)房專用空調(diào)冷媒管路示意圖

壓縮機(jī)運(yùn)行主要考慮當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，一方面冷凝器中冷媒液體在重力作用下，反向流動(dòng)積聚到壓縮機(jī)出口管路上，再次啟機(jī)時(shí)，將會(huì)引起壓縮機(jī)排氣口高壓報(bào)警，故可在冷凝器入口設(shè)置單向閥，防止冷媒液體倒流；另一方面冷媒液體在重力作用下流入到蒸發(fā)器內(nèi)，再次啟機(jī)時(shí)很有可能造成液體來(lái)不及蒸發(fā)進(jìn)入到壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)生液擊風(fēng)險(xiǎn)，故可在蒸發(fā)器入口設(shè)置電磁閥，防止冷媒液體進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)。單向閥和電磁閥都一般不屬于設(shè)備廠家標(biāo)準(zhǔn)配件，對(duì)于超長(zhǎng)管路是需要設(shè)計(jì)人員額外提出需求配置，見(jiàn)圖4所示。另外，也可在冷凝器汽液管上分別設(shè)置反向U形彎，汽管上的U形彎和單向閥的功能相同，起到雙重保護(hù)的作用。液管上的U形彎作用是系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，減少作用在各部件的靜壓，如視液鏡，膨脹閥等，延長(zhǎng)使用壽命。但是多設(shè)計(jì)一個(gè)U形彎對(duì)系統(tǒng)來(lái)講，就多增加一個(gè)局阻部件，冷量衰減就會(huì)更多，對(duì)于設(shè)計(jì)人員，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，權(quán)衡利弊，選擇是否設(shè)置。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)通信機(jī)房空調(diào)設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題，進(jìn)行分析總結(jié)，為后續(xù)設(shè)計(jì)人員提供一些思路，同時(shí)也提出了可供參考的設(shè)計(jì)方法，并形成如下結(jié)論：

1）從制冷循環(huán)的角度，系統(tǒng)地分析了冷媒管路在超長(zhǎng)條件下，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生哪些問(wèn)題和弊端，并提出了相應(yīng)的解決措施。

2）從多聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)方法類比的角度，提出了風(fēng)冷機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)超長(zhǎng)管路下的設(shè)計(jì)選型方法，以及可供參考使用的超長(zhǎng)管路下機(jī)組冷量的修正系數(shù)圖。

3）在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，從節(jié)能減排的角度考慮，設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡量縮短冷媒管長(zhǎng)。對(duì)于某些不得不采用超長(zhǎng)管長(zhǎng)的項(xiàng)目，在沒(méi)有相關(guān)修正系數(shù)可用時(shí)，本文提出修正方法也不失為一種設(shè)計(jì)依據(jù)補(bǔ)充。