一、 引言

多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)(Variable Refrigerant Volume,VRV)是由日本大金公司在上世紀(jì)80年代首先開發(fā)的新型空調(diào)系統(tǒng)[1]。與傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)相比,多聯(lián)機(jī)空調(diào)在節(jié)能、舒適、靈活等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此在villa、辦公、商業(yè)等建筑得到廣泛應(yīng)用[2]。近年來(lái),隨著建筑節(jié)能的需求日益迫切,多聯(lián)機(jī)空調(diào)憑借其突出的節(jié)能性能,占據(jù)了越來(lái)越大的市場(chǎng)份額。數(shù)據(jù)顯示,2019年我國(guó)多聯(lián)機(jī)空調(diào)的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到350億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)15%[3]。但與此同時(shí),在多聯(lián)機(jī)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域,由于缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和實(shí)踐總結(jié),使得一些問(wèn)題頻頻出現(xiàn),如室內(nèi)機(jī)選型不當(dāng)、冷媒管道設(shè)計(jì)不合理等,嚴(yán)重影響了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性[4]。因此,加強(qiáng)對(duì)多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究,對(duì)于提高暖通空調(diào)工程的質(zhì)量和效益具有重要意義。
二、多聯(lián)機(jī)的系統(tǒng)特點(diǎn)   

2.1 系統(tǒng)組成
多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)由室外機(jī)、室內(nèi)機(jī)、分歧管和連接管組成。室外機(jī)采用變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥,可根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)制冷量。室內(nèi)機(jī)種類豐富,如嵌入式、壁掛式、落地式等,可靈活組合,滿足不同空間的使用要求。分歧管將室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)冷媒分配。連接管路包括氣管、液管,使用銅管并保溫處理[5]。

2.2 運(yùn)行特點(diǎn)
多聯(lián)機(jī)空調(diào)采用直接蒸發(fā)式制冷,冷媒在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng),室外機(jī)側(cè)的冷凝熱直接排放到室外,免去了冷卻水系統(tǒng)。通過(guò)變頻壓縮機(jī)調(diào)節(jié)回路內(nèi)冷媒流量,進(jìn)而調(diào)節(jié)室內(nèi)機(jī)的供冷供熱量,代替了傳統(tǒng)空調(diào)的熱水、冷水輸送系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冷媒變流量運(yùn)行,在滿足室內(nèi)負(fù)荷的同時(shí),大幅度降低了能耗。多聯(lián)機(jī)空調(diào)還具有同時(shí)供冷供熱的功能。室外機(jī)通過(guò)四通換向閥切換冷媒流向,使部分室內(nèi)機(jī)供冷的同時(shí),另一部分供熱,靈活方便,有效解決了過(guò)渡季的空調(diào)使用問(wèn)題[7]。由于冷熱負(fù)荷可以互補(bǔ),供冷供熱同時(shí)運(yùn)行也進(jìn)一步提高了能效水平。
三、多聯(lián)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)   

3.1 變頻控制技術(shù)
變頻壓縮機(jī)是實(shí)現(xiàn)多聯(lián)機(jī)變流量調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備。通過(guò)改變壓縮機(jī)電機(jī)的工作頻率,可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而改變冷媒的流量和制冷量。常用的變頻方式有轉(zhuǎn)子調(diào)速和定子調(diào)速兩種[8]。其中,轉(zhuǎn)子調(diào)速響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)精度高,已成為主流技術(shù)。室外機(jī)根據(jù)各室內(nèi)機(jī)的冷熱需求,通過(guò)變頻器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí),頻率下降,轉(zhuǎn)速減小,制冷量減少;當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),反之亦然。通過(guò)變頻調(diào)節(jié),使冷媒流量與負(fù)荷匹配,壓縮機(jī)始終在高效區(qū)運(yùn)行,可節(jié)省大量電能。研究表明,采用變頻控制的多聯(lián)機(jī)空調(diào),在部分負(fù)荷工況下的綜合能效比(IPLV)可達(dá)到6.0以上[9],接近一級(jí)能效。

3.2 電子膨脹閥技術(shù)
電子膨脹閥(EEV)安裝在室內(nèi)機(jī)進(jìn)液管處,可根據(jù)蒸發(fā)器的過(guò)熱度不斷調(diào)節(jié)開度,控制進(jìn)入蒸發(fā)器的冷媒流量。與傳統(tǒng)的毛細(xì)管相比,EEV調(diào)節(jié)精度高,響應(yīng)速度快,能更好地適應(yīng)負(fù)荷變化[10]。在多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)中,每臺(tái)室內(nèi)機(jī)配備一個(gè)EEV。室內(nèi)機(jī)通過(guò)測(cè)量蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度,計(jì)算過(guò)熱度,將其控制在最佳范圍,一般為5~8K[11]。過(guò)熱度過(guò)大,回氣溫度高,壓縮機(jī)耗功增加;過(guò)熱度過(guò)低,有回液的風(fēng)險(xiǎn),影響壓縮機(jī)壽命。EEV通過(guò)PID控制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的過(guò)熱度調(diào)節(jié),保證了系統(tǒng)在變工況下高效安全運(yùn)行。

3.3 油量平衡技術(shù)
壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)有部分潤(rùn)滑油被冷媒帶出,隨冷媒一起在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。若油量分布不均,可能引起壓縮機(jī)油量不足或系統(tǒng)堵塞等故障[12]。多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門的油平衡機(jī)構(gòu),如氣液分離器、回油彎管等,確保潤(rùn)滑油及時(shí)可靠地返回壓縮機(jī)。此外,多聯(lián)機(jī)還采用了變壓比控制策略,通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)外機(jī)的膨脹閥開度,動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)高低壓,使?jié)櫥驮谥亓蛪翰钭饔孟马樌氐綁嚎s機(jī)[13]。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)高差超過(guò)20m時(shí),采用變壓比控制可使回油效率提高15%以上[14],有效避免了壓縮機(jī)燒毀等事故。
四、多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)常見問(wèn)題 

4.1 室內(nèi)機(jī)選型問(wèn)題
室內(nèi)機(jī)選型是多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù),直接影響到系統(tǒng)的cooling comfort和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)踐中常見以下問(wèn)題:(1)冷量不足。一味追求初投資的降低,而忽視了室內(nèi)機(jī)的冷量匹配,導(dǎo)致房間得不到有效cooling。(2)機(jī)型不當(dāng)。未充分考慮房間的形狀、面積等因素,盲目選用大型室內(nèi)機(jī),造成short cycling等運(yùn)行問(wèn)題。(3)風(fēng)速設(shè)置不合理。風(fēng)速過(guò)低,影響送風(fēng)距離和制冷效果;風(fēng)速過(guò)高,噪音大,舒適性差。針對(duì)以上問(wèn)題,室內(nèi)機(jī)選型應(yīng)遵循以下原則:(1)冷量匹配原則。室內(nèi)機(jī)的額定制冷量應(yīng)與房間cooling load基本匹配,偏差控制在10%以內(nèi)。cooling load的計(jì)算可參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[15]。(2)因地制宜原則。充分考慮房間的裝修風(fēng)格、布局等,選擇恰當(dāng)?shù)臋C(jī)型。如吊頂較低的房間適合薄型嵌入式,而大空間如會(huì)議室則需要采用落地式或多聯(lián)布置[16]。(3)合理調(diào)節(jié)原則。根據(jù)房間朝向、人員密度等因素,合理設(shè)定風(fēng)速檔位。初始風(fēng)速可按cooling load的60%~80%選擇,再根據(jù)實(shí)際使用效果微調(diào)[17]。
4.2 冷媒管道設(shè)計(jì)問(wèn)題
冷媒管道是連接室內(nèi)外機(jī)的紐帶,其設(shè)計(jì)的合理性直接影響系統(tǒng)性能。管道設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題:(1)壓降過(guò)大。管徑偏小或管路過(guò)長(zhǎng),使得冷媒壓降超過(guò)允許值,降低了蒸發(fā)溫度,制冷量不足。(2)油流速度低。水平管段較長(zhǎng),且管徑偏大,使冷媒流速降低,潤(rùn)滑油容易積聚在管道低處,影響回油。(3)噪音振動(dòng)。冷媒高速流動(dòng),產(chǎn)生的噪音通過(guò)管道傳遞放大;管卡固定不牢,引起共振。冷媒管道設(shè)計(jì)應(yīng)把握以下要點(diǎn):(1)平衡壓降與成本。在滿足許用壓降的前提下,盡量選擇小管徑,節(jié)省initial cost。R410A系統(tǒng)壓降不宜超過(guò)0.2MPa[18]。(2)控制流速。氣管流速宜控制在12~15m/s,液管流速不宜低于0.5m/s[19]。實(shí)際工程中可通過(guò)調(diào)整管徑、局部加大管徑等措施來(lái)優(yōu)化。(3)合理敷設(shè)。盡量減少?gòu)濐^、三通等局部阻力;水平管段長(zhǎng)度不宜超過(guò)10m,坡度應(yīng)大于1/200[20];穿墻或樓板處加裝保護(hù)套管。(4)加強(qiáng)固定。管卡間距不宜大于1.5m,且宜采用彈性棉套等減振材料[21]。

4.3 系統(tǒng)capacity平衡問(wèn)題
多聯(lián)機(jī)空調(diào)由多臺(tái)室內(nèi)機(jī)組成,負(fù)荷分布往往不均衡。若室外機(jī)和分歧管選型不當(dāng),可能出現(xiàn)以下問(wèn)題:(1)室外機(jī)capacity不足。滿足不了高負(fù)荷房間的cooling需求,影響舒適度。(2)室外機(jī)capacity過(guò)剩。在低負(fù)荷時(shí)頻繁啟停,縮短使用壽命。(3)分歧管分配不均。導(dǎo)致各室內(nèi)機(jī)冷媒流量失調(diào),遠(yuǎn)端機(jī)組cooling不足。因此,系統(tǒng)capacity平衡是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。應(yīng)采取以下對(duì)策:(1)模塊化組合。采用多模塊室外機(jī),根據(jù)各區(qū)域負(fù)荷實(shí)際情況靈活調(diào)配capacity[22]。(2)變流量分配。采用電子分歧管,根據(jù)室內(nèi)機(jī)冷媒需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量分配[23],克服了機(jī)械分歧管分配不均的弊端。(3)雙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于負(fù)荷差異大的區(qū)域,可劃分為兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng),分別與室外機(jī)連接[24],從而實(shí)現(xiàn)整體的capacity平衡。
五、多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

5.1 cooling load計(jì)算
cooling load計(jì)算是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),影響室內(nèi)外機(jī)的選擇。一般采用逐時(shí)cooling load計(jì)算法[25],考慮以下熱源:(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱。包括屋頂、外墻、外窗等得熱或失熱。(2)內(nèi)部得熱。包括人員、設(shè)備、照明等散熱。(3)新風(fēng)負(fù)荷。室外新風(fēng)引入的顯熱和潛熱。(4)附加冷量。如管路冷量損失、高區(qū)透過(guò)日radiation等,宜按cooling load的5%~10%估算[26]。在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)注意:(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)按實(shí)際材料和尺寸輸入,傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)等參數(shù)宜實(shí)測(cè)獲取。(2)內(nèi)部散熱量應(yīng)根據(jù)房間function的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算,如辦公區(qū)日常有人時(shí)段為8:00~18:00。(3)新風(fēng)量應(yīng)滿足人員衛(wèi)生需求,我國(guó)規(guī)范要求人均30m3/h以上[27]。(4)對(duì)于大空間,應(yīng)劃分十幾個(gè)冷負(fù)荷區(qū)域分別計(jì)算,提高計(jì)算精度。
5.2 室內(nèi)機(jī)選型
在cooling load計(jì)算的基礎(chǔ)上,進(jìn)行室內(nèi)機(jī)選型計(jì)算。一般步驟如下:(1)確定室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)。如室溫、相對(duì)濕度等,宜參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[28]。(2)計(jì)算室內(nèi)機(jī)所需冷量。在逐時(shí)cooling load的基礎(chǔ)上,考慮各區(qū)域的不同時(shí)使用率。(3)選擇室內(nèi)機(jī)型號(hào)。根據(jù)所需冷量和機(jī)型特性,確定型號(hào)和臺(tái)數(shù)。(4)校核選型結(jié)果。核對(duì)所選型號(hào)的額定制冷量是否滿足要求,必要時(shí)調(diào)整。在選型過(guò)程中應(yīng)注意:(1)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取應(yīng)考慮房間function和人員舒適需求,如會(huì)議室可適當(dāng)降低溫度。(2)對(duì)于open space,室內(nèi)機(jī)的額定制冷量之和應(yīng)大于cooling load peak值的120%左右[29]。(3)室內(nèi)機(jī)的臺(tái)數(shù)不宜過(guò)多,一般不超過(guò)10臺(tái),以免管路復(fù)雜。(4)對(duì)于容量匹配難以兼顧的房間,如equipment用房,宜單獨(dú)設(shè)置。
5.3 室外機(jī)選型
根據(jù)各室內(nèi)機(jī)所需冷量,進(jìn)行室外機(jī)選型計(jì)算。步驟如下:(1)匯總室內(nèi)機(jī)額定制冷量。將各室內(nèi)機(jī)的額定制冷量相加,作為室外機(jī)的cooling capacity要求。(2)考慮同時(shí)使用系數(shù)。各室內(nèi)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的冷量需求存在差異,宜乘以同時(shí)使用系數(shù),一般取0.7~0.9[30]。(3)選擇室外機(jī)組合。根據(jù)所需總冷量,在產(chǎn)品樣本中選擇滿足要求的室外機(jī)組合方案。(4)校核選型結(jié)果。核算室外機(jī)的額定制冷量、額定功耗等參數(shù)是否匹配,必要時(shí)調(diào)整。在室外機(jī)選型中應(yīng)注意:(1)宜選擇能效等級(jí)高的產(chǎn)品,如APF≥4.0、IPLV≥6.0[31],以提高系統(tǒng)綜合能效。(2)合理考慮冷量富裕量,一般在室內(nèi)機(jī)總冷量的105%~120%之間[32]。冷量偏小,滿足不了cooling需求;冷量過(guò)大,頻繁啟停,影響壽命。(3)充分利用模塊組合的靈活性,選用多臺(tái)小容量機(jī)組,而不是一臺(tái)大機(jī)組,以提高分區(qū)控制性能。(4)室外機(jī)的臺(tái)數(shù)不宜超過(guò)5臺(tái)[33],以免系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。
六、工程案例分析   

以某辦公樓多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程和效果。該建筑總面積5600m2,共5層,高3.6m,框架結(jié)構(gòu)。經(jīng)cooling load計(jì)算,夏季空調(diào)cooling load為70.5kW。按上述室內(nèi)機(jī)選型流程,各房間cooling需求為:辦公區(qū)1350W,會(huì)議室2100W,服務(wù)區(qū)840W等,共需要48臺(tái)室內(nèi)機(jī)。按上節(jié)室外機(jī)選型流程,選定室外機(jī)總冷量為78kW,采用3臺(tái)PUHY-P250YJM-A模塊化組合。按本文所述冷媒管道設(shè)計(jì)要點(diǎn),氣管采用Ф22,液管采用Ф9.5。管路總長(zhǎng)度210m,最大落差30m,壓降0.18MPa,滿足要求。經(jīng)計(jì)算分歧管采用12個(gè)CMY-Y202-G2,冷媒分配合理。該系統(tǒng)于2018年投入使用,連續(xù)兩年暑期進(jìn)行了能耗測(cè)試。結(jié)果表明,多聯(lián)機(jī)空調(diào)的綜合能效比IPLV達(dá)6.8,比常規(guī)中央空調(diào)系統(tǒng)提高46%[34]。室內(nèi)溫度波動(dòng)≤1℃,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[35]。通過(guò)合理設(shè)計(jì),多聯(lián)機(jī)空調(diào)的節(jié)能效果和舒適性得到有效保障。