【技术】中央空调制冷系统设计方法

本文主要介绍在工作中可行的风冷冷水中央空调的系统设计方法，包含制冷部件选型方法、系统管径设计方法等。

1、制冷系统简介

众所周知，空调制冷系统是基于朗肯循环的一种热力学系统，对于风冷冷水空调系统，其主要工作原理为：低温低压气态制冷剂经压缩机压缩，变为高温高压气态制冷剂；沿着压缩机排气管路进入冷凝器，在冷凝器散热风扇的作用下，向周围大气环境散热，冷凝为高温高压液态制冷剂；然后沿着膨胀阀前液管通过节流膨胀阀，由于节流膨胀阀具有降温降压的特性，制冷剂会被节流为低温低压液态制冷剂；然后再沿着膨胀阀后液管进入蒸发器，通过从蒸发器水侧吸热，制冷剂蒸发为低温低压气态制冷剂；然后再沿着压缩机吸气管路进入压缩机，由此完成完整的工作循环。

本文主要介绍轻商型涡旋式风冷冷水中央空调R410A 制冷系统的设计方法，即：

（1）压缩机为涡旋压缩机；

（2）冷凝器为翅片式换热器；

（3）节流膨胀阀为电子膨胀阀或热力膨胀阀；

（4）蒸发器为板片式换热器。其中选型过程中的运行参数，如无特殊说明，均是指在标准GB/T 18430.1-2007中额定制冷工况下的运行参数，制冷系统原理图如图1所示。

2、制冷部件选型

2.1 压缩机选型

压缩机是制冷系统四大部件的核心，要使空调制冷系统性能满足设计要求，压缩机选型一定要准确。随着互联网技术的飞速发展，目前压缩机供应商一般都开发了压缩机的选型软件，对于不同品牌的压缩机选型软件，都是只需要输入压缩机的蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度这四个基本参数，就可以准确地选出合适的压缩机型号。根据经验，一般风冷冷水中央空调压缩机在额定制冷工况下的四个运行参数分别为：蒸发温度2.5℃、冷凝温度50℃、过冷度5℃、过热度5℃。上述参数可以满足一般空调制冷系统中压缩机的选型需求。针对一些特殊的制冷系统，可以通过适当的调整上述参数实现，例如，如果想要设计高能效制冷系统，可以适当地把蒸发温度提高0.5~1.0℃、冷凝温度降低1.0~2.0℃，但同时也要考虑提高制冷系统中蒸发器和冷凝器的换热能力，使实际的蒸发温度和冷凝温度可以真正地提高和降低。

2.2 翅片换热器选型

翅片式换热器是制冷系统四大部件中最复杂的部件，不同的翅片型式、铜管型式、风量大小、流路分布、顺流逆流等都会导致不同的选型结果。为方便说明，本文仅介绍常用的内螺纹铜管、亲水开窗翅片、相对空气逆流作为冷凝器的翅片式换热器。根据经验，换热器的换热量为0.4~0.45kW/m2，其中面积为翅片换热器上的翅片和铜管外表面与空气的接触面积。当压缩机的冷凝温度选为50℃时，考虑管路压降，翅片式换热器的冷凝温度一般比压缩机冷凝温度低0.5~1.0℃。

2.3 板式换热器选型

板式换热器具有换热效率高、安装体积小的优点，一般用于涡旋压缩机制冷系统中。本文主要介绍其在涡旋压缩机制冷系统中作为蒸发器时的选型方法。

随着板式换热器技术的发展，市场上板式换热器品牌越来越多，但各品牌一般都有对应的选型软件。对于不同品牌的选型软件，都是只需确定：

（1）进水温度；

（2）出水温度；

（3）蒸发温度；

（4）过热度；

（5）水侧压降，即可选出合适的板式换热器型号。

根据经验，一般进水温度为12℃、出水温度为7℃、蒸发温度为3℃、过热度为3℃、水侧压降为30~50kPa。如果想要设计高能效的制冷系统，一般会把蒸发温度增大0.5~1.0℃。另外，虽然不同品牌的板式换热器内部结构差异很大，但不同板式换热器单位面积换热量基本都是12.5~15.5kW/m2，此经验值也可用于复核软件选型结果是否准确。

2.4 节流膨胀阀选型

在中央空调制冷系统中，常用的节流膨胀阀一般有两种型式：电子膨胀阀和热力膨胀阀。目前市场上各膨胀阀生产厂家都有用于膨胀阀选型的样本资料，通过提前确定的设计参数，可以很方便地通过样本数据，选出合适的膨胀阀型号。对于不同的膨胀阀品牌和膨胀阀型式，选型所需的设计参数都是相同的。

2.4.1 选型参数

膨胀阀选型过程中所需的设计参数如下：

（1）所使用的制冷剂类型：R410A；

（2）冷凝温度Tc（℃）：压缩机排气口的饱和冷凝温度，一般为50℃；

（3）蒸发温度Te（℃）：压缩机吸气口的饱和蒸发温度，一般为2.5℃；

（4）额定制冷量Cap（kW）：额定制冷工况下机组的换热量；

（5）压降△PH（bar）：压缩机排气口到膨胀阀进口之间管路的压降，一般取0.6bar；

（6）压降△PL（bar）：膨胀阀出口到压缩机吸气口之间管路的压降，一般取0.8bar；

（7）压降△H（m）：冷凝器高度减去膨胀阀高度（对于本文所描述系统，蒸发器与膨胀阀的高度差比较小，忽略不计），一般压降取0.1bar/m；

（8）阀前温度Tl（℃）：膨胀阀入口的制冷剂温度，该温度等于翅片冷凝器的冷凝温度减去过冷度，一般为44~44.5℃。

2.4.2 选型方法

膨胀阀选型方法如下：

（1）根据蒸发温度Te 和冷凝温度Tc，在样本上查出压缩机吸排气口的压头△PC（bar）。

（2）根据如下公式，计算出膨胀阀前后的压降△PV（bar）：

△PV=△PC-△PH-△PL+0.1×△H

（3）根据阀前温度Tl，在样本上查出机组额定制冷量的修正系数Cf（额定制冷工况下，Cf 一般等于0.9），计算出膨胀阀的等效制冷量C（kW）=1.25×Cf×Cap（kW）。

（4）根据蒸发器中蒸发温度和△PV，在样本上查出制冷量为C的膨胀阀，此阀即为本次选型所需的膨胀阀。

3、系统管径设计

本文上半部分主要介绍了制冷系统四大部件的选型方法；但部件选好之后，要确保各部件能按设计的参数正常应用，就必须要使各部件之间连接铜管的管径尺寸合适。本文下半部分主要介绍如何设计各部件之间的系统管径。

3.1 压缩机排气管

压缩机排气管是指图1中的a管路，此段管路管径的大小，主要是由压缩机排出的气态制冷剂流速确定的。根据经验，排气管中气体制冷剂流速一般设计为10~12m/s。如果气态制冷剂流速太高，会导致管路阻力增大，输送气体损耗的功率也会增大，从而导致系统的性能降低；如果气态制冷剂流速太低，会导致制冷剂流动的动能不足，无法完成稳定的制冷系统循环。

在压缩机选型过程中，软件中会计算出制冷剂的质量流量，当制冷剂流速确定后，可以利用质量流量与制冷剂密度和速度关系，计算出管径，软件会显示不同管径下的制冷剂流速，选择制冷剂流速接近10~12m/s的管径即可。

3.2 压缩机吸气管

压缩机排气管是指图1中的d管路。根据经验，吸气管中气体制冷剂流速一般设计为12~15m/s。如果气态制冷剂流速太高，会使系统管路中阻力增大，导致系统的性能降低；如果气态制冷剂流速太低，会导致系统中的油无法被带回压缩机。其中，管径计算方法与上述压缩机排气管中介绍的方法相同。

3.3 膨胀阀前液管

膨胀阀前液管是指图1中的b管路。根据经验，膨胀阀前液管中液态制冷剂流速一般设计为1.2~1.5m/s。同样地，如果液态制冷剂流速太高，会使系统管路中阻力增大，导致系统的性能降低；如果制冷剂流速太低，也会导致油附着在管路内壁，无法被带回压缩机。其中，管径计算方法与上述压缩机排气管中介绍的方法相同。

3.4 膨胀阀后液管

膨胀阀后液管是指图1中的c管路。根据经验，如果制冷系统为单制冷系统，阀后液管管径比阀前液管管径大一档，因为制冷剂节流时会闪发出部分气体，导致阀后气液混合制冷剂体积增大，所以管径同步增大一档；但如果制冷系统为热泵系统，即既可以制冷也可以制热系统，阀后液管管径一般设计成与阀前相同。

本文中所用的制冷系统原理图是简化图，实际应用中，为实现不同功能，各管路中可能会增加一些其他零部件，但是主体管路中制冷剂流速不变，管径的设计方法也不变。