土壤源VRF空調系統冬季運行部分負荷特性實驗研究

閆俐君 張 旭 趙德印 武佳琛

(同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804)

土壤源VRF空調系統冬季運行部分負荷特性實驗研究

閆俐君 張 旭 趙德印 武佳琛

(同濟大學機械與能源工程學院 上海 201804)

利用土壤源VRF空調系統實驗臺，對冬季制熱工況進行實驗研究，分析單位面積小時功耗、機組性能系數、系統性能系數隨部分負荷率(PLR)的變化規律。研究表明：冬季制熱工況下部分負荷率主要集中在40%～70%范圍內，單位面積小時功耗隨部分負荷率呈下凹曲線分布，機組性能系數和系統性能系數隨部分負荷率變化存在呈上凸趨勢的性能域。

土壤源VRF空調系統；部分負荷率；冬季運行；實驗研究

變制冷劑流量多聯機空調系統，也稱VRF系統(Variable Refrigerant Flow System，VRFS)，是通過控制制冷劑流量，適時地滿足室內冷熱負荷要求的直接蒸發式制冷系統[1]，具有良好的獨立調節性、在部分負荷工況有較高的能效比以及便于控制管理的特點[2]。土壤源VRF空調系統(Ground Source Variable Refrigerant Flow System，GSVRFS)作為新一代的VRF空調系統，集合了變制冷劑流量空調系統和土壤源熱泵空調系統二者的優點，利用低品位熱源——土壤源中的熱能進行制冷供暖，克服了傳統風冷VRF系統存在的噪聲大、受外界氣溫影響大、長連管大落差的限制等缺點，具有能效比高、機組性能穩定、不受氣候影響等特點[3]。

目前多聯機已經成為我國中央空調的一種主要形式，其中風冷VRF所占份額較大，因此國內外學者對風冷VRF系統研究較多，包括運行特性[4-5]、除霜特性、節能特性[6]、部分負荷特性[2, 7-8]等方面。但土壤源VRF空調系統在我國的應用剛剛起步，對該系統運行特性的研究仍處于初步探索階段。我國學者在該技術的理論和實驗研究方面取得了一些成果，主要包括系統運行特性[9-10]、能耗對比[11-12]等方面，但對土壤源VRF空調系統部分負荷特性研究較少。而土壤源VRF空調系統大部分時間都在部分負荷工況下運行，對部分負荷率分布及部分負荷率對系統能耗影響的研究十分關鍵。

對土壤源VRF空調系統冬季制熱連續運行工況進行了實驗研究，根據實測數據分析該工況下部分負荷率的分布以及部分負荷率對土壤源VRF空調系統運行能耗的影響。

1 實驗臺及空調系統介紹

實驗臺地源側主要包括10口埋深80 m的地埋管井(編號1#～10#)和2口埋深100 m的地埋管井(編號11#、12#)，鋪設在建筑物周圍的綠化帶下方。地埋管換熱器的形式為單U型PE管，內徑25 mm，外徑32 mm。

該空調系統主要由地埋管換熱器、VRF機組、室內機、管道系統等組成，如圖1所示，滿足2間面積均為100 m2辦公用房的空調和供暖需求。

一拖四土壤源VRF空調系統的主要設備參數如表1和表2所示。

注：1)土壤源VRF機組名義制冷工況，組合容量系數100%，地源側循環水流量80 L/min，進水溫度30 ℃，室內濕球溫度19 ℃；名義制熱工況，組合容量系數100%，地源側循環水流量100 L/min，進水溫度20 ℃，室內干球溫度20 ℃。

2 測試方法與原理

2.1 測試系統

測試系統包括測量部分和數據采集部分，測量系統主要包括溫度、流量、耗電功率等參數的探測元件。

1)溫度測試包括氣溫、水溫和土壤溫度的測試。氣溫測試采用WZY-1溫度自計議，誤差 ± 0.3 ℃，測量室內外空氣溫度；水溫測試采用Pt100鉑電阻傳感器，誤差為 ± 0.15 ℃，設置在地埋管換熱器進出口、VRF機組水環路和制冷劑環路進出口、板式換熱器進出口，測量各部位的水溫。

2)流量測試。采用LWGY-25-B渦輪流量計測量機組地源側的循環水流量，標準量程為2～10 m3/h，誤差為 ± 0.2%；采用LWGY-10-B渦輪流量計測量各地埋管換熱器環路的水流量，標準量程為0.2～1.2 m3/h，誤差為 ± 0.5%。

3)耗電量的測量分兩類，一類為變頻電機耗電量的測量，包括VRF機組(主要是變頻壓縮機)和地源側循環水泵，采用阿爾泰DAM-3505電量采集模塊(電壓量程400 V，電流量程50 A，測量精度±0.2%)，實現耗電量的實時采集。另一類包括四臺室內機耗電量及主循環水泵(定頻泵)耗電量的測量，采用功率分析儀測定耗電量。

4)數據采集系統主要構成有工控機、數據采集模塊、通訊模塊等，數據采集模塊將采集到的信號通過現場總線RS485傳輸至通訊模塊ADAM4520，工控機與通訊模塊ADAM4520通過RS232連接。利用專用組態軟件對采集到的數據進行集成，實現對測量溫度、流量、耗電量等數據的采集、存儲和顯示，數據存儲時間間隔設為10 min。

2.2 測試方法

冬季工況實驗從2014年2月11日進行到2014年3月15日，空調系統全天連續運行。實驗期間地源側開啟1#、2#、3#、6#、11#地埋管井，為VRF機組提供熱量。4臺室內機均以最大風量開啟。室內設定溫度為20 ℃，室內實測溫度在17.58～23.42 ℃范圍內。

(1)

(2)

其中系統輸入功率主要包括VRF機組輸入功率Wu、水泵的輸入功率Wp、室內機風機的輸入功率Wf，即：

W=Wu+Wp+Wf

(3)

機組性能系數和系統性能系數分別按照公式(4)和式(5)計算。

(4)

(5)

3 測試結果及分析

美國ASHRAE手冊將部分負荷率PLR(part load ratio)定義為實際負荷與相應非設計工況下滿負荷容量的比例。而在工程應用中將部分負荷率定義為實際制熱(冷)量與設備額定容量(即銘牌上的制冷/制熱容量數值)的比例。相關研究表明，這兩種部分負荷率定義值的誤差在7%以內，使用工程定義的部分負荷率可以滿足工程應用中的精度要求[13]。因此采用工程定義的部分負荷率來分析土壤源VRF空調系統的部分負荷特性，同時工程定義的部分負荷率可在一定程度上反映實際制熱(冷)量的相對大小。

圖2～圖3為逐時部分負荷率與逐時室外溫度變化。由圖2可知：部分負荷率隨室外溫度在一定區域內變化，總體上看，部分負荷率隨室外溫度的增加而減小。室外溫度變化會導致空調區域的負荷變化，機組將根據總負荷的大小提供相應的制熱量。由圖3可知：室外溫度隨時間的變化以日為單位有明顯的周期性，部分負荷率隨時間的變化周期性不明顯。在實驗期間，部分負荷率最小值為0.33，出現在2014年3月15日13:00，此時的室外溫度為18.9 ℃；部分負荷率最大值為0.72，出現在2014年2月14日20:50，此時的室外溫度為4.7 ℃。

實驗期間共記錄了761 h的數據，圖4給出了部分負荷率分布情況，可以看出，實驗期間部分負荷率主要集中在0.4～0.7范圍內，占實驗總小時數的96%左右。其中共有373 h，部分負荷率在0.4～0.5范圍內占實驗總小時數的49.01%； 共有118 h，部分負荷率在0.5～0.6范圍內，占實驗總小時數的15.50%；共有238 h，部分負荷率在0.6～0.7范圍內，占實驗總小時數的31.27%。了解部分負荷率的分布情況能夠更具針對性地減小所占比重較大范圍內的部分負荷率的耗電量，提高對應范圍內機組和系統的COP，從而進一步提高土壤源VRF空調系統的節能性。

3.2 不同范圍部分負荷率的比較

除了對實驗期間部分負荷率的分布進行了分析以外，還考察了實驗期間不同范圍內部分負荷率對系統能耗特性的影響。根據圖4部分負荷率分布可以看出：部分負荷率主要集中在0.4～0.7之間，因此下文對部分負荷率在0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7范圍內分段進行分析。分析內容包括：不同部分負荷率范圍內單位面積小時功耗的分布情況；不同部分負荷率范圍內機組制熱COP的分布情況；不同部分負荷率范圍內系統制熱COP的分布情況。

1)單位面積小時功耗分析

單位面積小時功耗是以供暖面積為計算依據，即1 h內系統總輸入功率與供暖面積之比，其中系統總輸入功率包括VRF機組及水泵和末端風機等動力設備功率[14]。單位面積小時功耗可供系統方案選擇階段估算系統能耗之用。

當室內溫度的變化忽略不計時(約20 ℃)單位面積小時功耗受部分負荷率、機組地源側進水溫度等影響。在整個實驗期間，地源側進水溫度在13.89～17.28 ℃范圍內變化，變化范圍不大，因此單位面積小時功耗主要隨部分負荷率變化。圖5給出了單位面積小時功耗隨部分負荷率變化的情況，可以看出：單位面積小時功耗隨部分負荷率的增加先減小后增大，呈現下凹的趨勢。以單位面積小時功耗(e)為因變量，部分負荷率(PLR)為自變量進行一元二項式回歸，得到如下結果：

（1）路面的抗滑性能受輪胎與路面的組成材料、級配類型等耦合作用的影響。當級配類型為AC—13時，光滑輪胎的抗滑能力最好；當級配類型為OGFC—13時，輪胎花紋較大的RSD2A的摩擦系數最大；SMA—13在四種輪胎花紋下的摩擦系數相當，說明SMA—13級配混合料對輪胎花紋不敏感。

e=168.62·PLR2-145.78·PLR+48.55

(6)

由Origin輸出的R-Square，即決定系數r2值為0.90096，說明單位面積小時功耗與部分負荷率有較大相關性。

從圖5還可以看出，部分負荷率在0.4～0.5范圍內，單位面積小時功耗主要集中在16～19 W/m2，部分負荷率小于0.44時，單位面積小時功耗隨部分負荷率的增大而減小，部分負荷率大于0.44時，單位面積小時功耗隨部分負荷率的增大而增大。部分負荷率在0.5～0.6范圍內時，單位面積小時功耗主要集中在18～22 W/m2，此范圍內，單位面積小時功耗隨部分負荷率的增大而增大。部分負荷率在0.6～0.7范圍內時，單位面積小時功耗主要集中在21～28 W/m2，此范圍內，單位面積小時功耗隨部分負荷率的增大而增大。

2)土壤源VRF機組的性能系數分析

土壤源VRF空調系統并不是工作在完全的穩態，而是一個周期循環的較為穩定的動態過程，一個周期大約耗時10～15 min[2]。考慮到室外環境溫度在1 h內基本能維持某一溫度，而機組地源側進口水溫在1 h溫度波動更小，因此可以用機組COP的時均值來表征土壤源VRF機組的性能，下文中的系統COP也以時均值來表征土壤源VRF空調系統的性能。

由于多聯機具有多室內機特征，當機組地源側進水溫度一定時，土壤源VRF機組在實際運行中存在一個由部分負荷率PLR和負荷不均勻指數UI所決定的“性能域”[5,15]。圖6給出了不同機組地源側進水溫度的“性能域”的重疊域。由于機組地源側進水溫度變化不大，圖6可以顯示土壤源VRF機組COP隨部分負荷率變化的情況。隨著部分負荷率的增大，機組COP先增大后減小，呈現出上凸曲線的變化趨勢，機組最大COP值出現在45%～52%區間內，此趨勢與文獻[11]的測試結果基本一致。

從圖6還可以看出：部分負荷率在0.4～0.5范圍內時，機組COP主要集中在4.1～6.9，隨部分負荷率的增大而增大，在部分負荷率為0.46時，機組COP達到最大值隨后基本穩定在最大值。部分負荷率在0.5～0.6范圍內時，機組COP分散地分布在5.1～7.0，隨部分負荷率的增大有減小的趨勢。部分負荷率在0.6～0.7范圍內時，機組COP分布也較為分散，分布在5.4～6.5范圍內。由此可以說明，土壤源VRF空調機組在部分負荷工況運行時具有很好的節能特性。

3)土壤源VRF空調系統的性能系數分析

系統COP是表征整個空調系統運行情況的指標，有別于機組COP。分析部分負荷率下系統COP的變化情況對于土壤源VRF空調系統能效特性具有重要意義。與機組COP相同，土壤源VRF空調系統在實際運行中也存在“性能域”。圖7給出了不同機組地源側進水溫度條件下的“性能域”的重疊域。圖7可以顯示土壤源VRF空調系統的性能系數隨部分負荷率變化的情況。隨著部分負荷率的增大，系統COP先增大后減小，與機組COP相近，呈現出上凸曲線的變化趨勢，最大系統COP出現在45%～65%區間內。

從圖7還可以看出，部分負荷率在0.4～0.5范圍內，系統COP主要集中在3.4～4.5，隨部分負荷率的增大而增大。部分負荷率在0.5～0.6范圍內，系統COP分散地分布在3.5～4.5之間。部分負荷率在0.6～0.7范圍內，系統COP分布主要集中在3.5～4.5范圍內。

與土壤源VRF機組COP相比，土壤源VRF空調系統COP有明顯的減小，其原因在于土壤源VRF空調系統需要地源側循環水泵提供熱源介質循環所需動力，水泵輸入功耗占系統輸入功耗的20%～40%，所以系統輸入功耗相比機組輸入功耗有很大增加，相應系統COP比機組COP有明顯下降。因此建議地源側循環水泵采用變頻水泵，以提高土壤源VRF空調系統的性能。

4 結論

在室內實測溫度17.58～23.42 ℃，機組地源側進水溫度13.89～17.28 ℃，多聯機連接管路長度為8 m條件下，得到下列結論：

1)部分負荷率的分布受到室外溫度、使用情況等影響，從測試結果看，部分負荷率分布主要集中在0.4～0.7范圍內。

2)單位面積小時功耗隨部分負荷率變化呈現出二次函數關系，部分負荷率在0.4～0.5范圍內，單位面積小時功耗主要集中在16～19 W/m2；部分負荷率在0.5～0.6范圍內時，單位面積小時功耗主要集中在18～22 W/m2；部分負荷率在0.6～0.7范圍內時，單位面積小時功耗主要集中在21～28 W/m2。

3)機組COP隨部分負荷率的增大先增大后減小，變化范圍在4.1～7.0，機組最大COP值出現在45%～52%區間內。

4)土壤源VRF空調系統在部分負荷工況下運行具有較高的COP，系統COP隨部分負荷率的增大先增大后減小，呈現出上凸曲線的變化趨勢，變化范圍在2.74～5.2，最大系統COP值出現在45%～65%區間內。

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About the corresponding author

Zhang Xu, male, professor, Dr. director of Department of HVAC and Thermal Engineering, Tongji University,+86 21-65983605,E-mail:zhangxu-hvac@tongji.edu.cn.Research fields: energy conservation and renewable energy in building, LCA, low-energy in rural area, ventilation in complicated space.

Experiments on Part Load Performance of Ground Source Variable Refrigerant Flow System in Winter

Yan Lijun Zhang Xu Zhao Deyin Wu Jiachen

(College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai, 201804, China)

Based on the measured data of the ground source variable refrigerant flow system (GSVRFS) in the heating season, this research analyzes the variation of hourly system power consumption per square meter, coefficient of performance (COP) of unit and COP of system along with the change of part load ratio (PLR). The results show that the PLR is distributed mainly from 40% to 70%. Hourly power consumption per square meter varies with PLR in concave form. The COPs of the unit and system vs. the system part load ratio are within a convex performance domain.

ground source variable refrigerant flow system; part load ratio; operation in winter; experiment research

0253- 4339(2015) 01- 0113- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.113

2014年6月22日

TU831.3; TK523

A

張旭，男，教授，博士生導師，同濟大學暖通空調及燃氣研究所所長，(021)65983605，E-mail: zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。研究方向：建筑節能及新能源在建筑系統的應用，建筑物能量系統生命周期評價方法及評價指標體系的研究，面向小城鎮及農村的低成本能源系統的技術集成和新能源綜合利用，復雜空間通風技術。