土壤源VRF空调系统冬季运行部分负荷特性实验研究

闫俐君 张 旭 赵德印 武佳琛

(同济大学机械与能源工程学院 上海 201804)

土壤源VRF空调系统冬季运行部分负荷特性实验研究

闫俐君 张 旭 赵德印 武佳琛

(同济大学机械与能源工程学院 上海 201804)

利用土壤源VRF空调系统实验台，对冬季制热工况进行实验研究，分析单位面积小时功耗、机组性能系数、系统性能系数随部分负荷率(PLR)的变化规律。研究表明：冬季制热工况下部分负荷率主要集中在40%～70%范围内，单位面积小时功耗随部分负荷率呈下凹曲线分布，机组性能系数和系统性能系数随部分负荷率变化存在呈上凸趋势的性能域。

土壤源VRF空调系统；部分负荷率；冬季运行；实验研究

变制冷剂流量多联机空调系统，也称VRF系统(Variable Refrigerant Flow System，VRFS)，是通过控制制冷剂流量，适时地满足室内冷热负荷要求的直接蒸发式制冷系统[1]，具有良好的独立调节性、在部分负荷工况有较高的能效比以及便于控制管理的特点[2]。土壤源VRF空调系统(Ground Source Variable Refrigerant Flow System，GSVRFS)作为新一代的VRF空调系统，集合了变制冷剂流量空调系统和土壤源热泵空调系统二者的优点，利用低品位热源——土壤源中的热能进行制冷供暖，克服了传统风冷VRF系统存在的噪声大、受外界气温影响大、长连管大落差的限制等缺点，具有能效比高、机组性能稳定、不受气候影响等特点[3]。

目前多联机已经成为我国中央空调的一种主要形式，其中风冷VRF所占份额较大，因此国内外学者对风冷VRF系统研究较多，包括运行特性[4-5]、除霜特性、节能特性[6]、部分负荷特性[2, 7-8]等方面。但土壤源VRF空调系统在我国的应用刚刚起步，对该系统运行特性的研究仍处于初步探索阶段。我国学者在该技术的理论和实验研究方面取得了一些成果，主要包括系统运行特性[9-10]、能耗对比[11-12]等方面，但对土壤源VRF空调系统部分负荷特性研究较少。而土壤源VRF空调系统大部分时间都在部分负荷工况下运行，对部分负荷率分布及部分负荷率对系统能耗影响的研究十分关键。

对土壤源VRF空调系统冬季制热连续运行工况进行了实验研究，根据实测数据分析该工况下部分负荷率的分布以及部分负荷率对土壤源VRF空调系统运行能耗的影响。

1 实验台及空调系统介绍

实验台地源侧主要包括10口埋深80 m的地埋管井(编号1#～10#)和2口埋深100 m的地埋管井(编号11#、12#)，铺设在建筑物周围的绿化带下方。地埋管换热器的形式为单U型PE管，内径25 mm，外径32 mm。

该空调系统主要由地埋管换热器、VRF机组、室内机、管道系统等组成，如图1所示，满足2间面积均为100 m2办公用房的空调和供暖需求。

一拖四土壤源VRF空调系统的主要设备参数如表1和表2所示。

注：1)土壤源VRF机组名义制冷工况，组合容量系数100%，地源侧循环水流量80 L/min，进水温度30 ℃，室内湿球温度19 ℃；名义制热工况，组合容量系数100%，地源侧循环水流量100 L/min，进水温度20 ℃，室内干球温度20 ℃。

2 测试方法与原理

2.1 测试系统

测试系统包括测量部分和数据采集部分，测量系统主要包括温度、流量、耗电功率等参数的探测元件。

1)温度测试包括气温、水温和土壤温度的测试。气温测试采用WZY-1温度自计议，误差 ± 0.3 ℃，测量室内外空气温度；水温测试采用Pt100铂电阻传感器，误差为 ± 0.15 ℃，设置在地埋管换热器进出口、VRF机组水环路和制冷剂环路进出口、板式换热器进出口，测量各部位的水温。

2)流量测试。采用LWGY-25-B涡轮流量计测量机组地源侧的循环水流量，标准量程为2～10 m3/h，误差为 ± 0.2%；采用LWGY-10-B涡轮流量计测量各地埋管换热器环路的水流量，标准量程为0.2～1.2 m3/h，误差为 ± 0.5%。

3)耗电量的测量分两类，一类为变频电机耗电量的测量，包括VRF机组(主要是变频压缩机)和地源侧循环水泵，采用阿尔泰DAM-3505电量采集模块(电压量程400 V，电流量程50 A，测量精度±0.2%)，实现耗电量的实时采集。另一类包括四台室内机耗电量及主循环水泵(定频泵)耗电量的测量，采用功率分析仪测定耗电量。

4)数据采集系统主要构成有工控机、数据采集模块、通讯模块等，数据采集模块将采集到的信号通过现场总线RS485传输至通讯模块ADAM4520，工控机与通讯模块ADAM4520通过RS232连接。利用专用组态软件对采集到的数据进行集成，实现对测量温度、流量、耗电量等数据的采集、存储和显示，数据存储时间间隔设为10 min。

2.2 测试方法

冬季工况实验从2014年2月11日进行到2014年3月15日，空调系统全天连续运行。实验期间地源侧开启1#、2#、3#、6#、11#地埋管井，为VRF机组提供热量。4台室内机均以最大风量开启。室内设定温度为20 ℃，室内实测温度在17.58～23.42 ℃范围内。

(1)

(2)

其中系统输入功率主要包括VRF机组输入功率Wu、水泵的输入功率Wp、室内机风机的输入功率Wf，即：

W=Wu+Wp+Wf

(3)

机组性能系数和系统性能系数分别按照公式(4)和式(5)计算。

(4)

(5)

3 测试结果及分析

美国ASHRAE手册将部分负荷率PLR(part load ratio)定义为实际负荷与相应非设计工况下满负荷容量的比例。而在工程应用中将部分负荷率定义为实际制热(冷)量与设备额定容量(即铭牌上的制冷/制热容量数值)的比例。相关研究表明，这两种部分负荷率定义值的误差在7%以内，使用工程定义的部分负荷率可以满足工程应用中的精度要求[13]。因此采用工程定义的部分负荷率来分析土壤源VRF空调系统的部分负荷特性，同时工程定义的部分负荷率可在一定程度上反映实际制热(冷)量的相对大小。

图2～图3为逐时部分负荷率与逐时室外温度变化。由图2可知：部分负荷率随室外温度在一定区域内变化，总体上看，部分负荷率随室外温度的增加而减小。室外温度变化会导致空调区域的负荷变化，机组将根据总负荷的大小提供相应的制热量。由图3可知：室外温度随时间的变化以日为单位有明显的周期性，部分负荷率随时间的变化周期性不明显。在实验期间，部分负荷率最小值为0.33，出现在2014年3月15日13:00，此时的室外温度为18.9 ℃；部分负荷率最大值为0.72，出现在2014年2月14日20:50，此时的室外温度为4.7 ℃。

实验期间共记录了761 h的数据，图4给出了部分负荷率分布情况，可以看出，实验期间部分负荷率主要集中在0.4～0.7范围内，占实验总小时数的96%左右。其中共有373 h，部分负荷率在0.4～0.5范围内占实验总小时数的49.01%； 共有118 h，部分负荷率在0.5～0.6范围内，占实验总小时数的15.50%；共有238 h，部分负荷率在0.6～0.7范围内，占实验总小时数的31.27%。了解部分负荷率的分布情况能够更具针对性地减小所占比重较大范围内的部分负荷率的耗电量，提高对应范围内机组和系统的COP，从而进一步提高土壤源VRF空调系统的节能性。

3.2 不同范围部分负荷率的比较

除了对实验期间部分负荷率的分布进行了分析以外，还考察了实验期间不同范围内部分负荷率对系统能耗特性的影响。根据图4部分负荷率分布可以看出：部分负荷率主要集中在0.4～0.7之间，因此下文对部分负荷率在0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7范围内分段进行分析。分析内容包括：不同部分负荷率范围内单位面积小时功耗的分布情况；不同部分负荷率范围内机组制热COP的分布情况；不同部分负荷率范围内系统制热COP的分布情况。

1)单位面积小时功耗分析

单位面积小时功耗是以供暖面积为计算依据，即1 h内系统总输入功率与供暖面积之比，其中系统总输入功率包括VRF机组及水泵和末端风机等动力设备功率[14]。单位面积小时功耗可供系统方案选择阶段估算系统能耗之用。

当室内温度的变化忽略不计时(约20 ℃)单位面积小时功耗受部分负荷率、机组地源侧进水温度等影响。在整个实验期间，地源侧进水温度在13.89～17.28 ℃范围内变化，变化范围不大，因此单位面积小时功耗主要随部分负荷率变化。图5给出了单位面积小时功耗随部分负荷率变化的情况，可以看出：单位面积小时功耗随部分负荷率的增加先减小后增大，呈现下凹的趋势。以单位面积小时功耗(e)为因变量，部分负荷率(PLR)为自变量进行一元二项式回归，得到如下结果：

（1）路面的抗滑性能受轮胎与路面的组成材料、级配类型等耦合作用的影响。当级配类型为AC—13时，光滑轮胎的抗滑能力最好；当级配类型为OGFC—13时，轮胎花纹较大的RSD2A的摩擦系数最大；SMA—13在四种轮胎花纹下的摩擦系数相当，说明SMA—13级配混合料对轮胎花纹不敏感。

e=168.62·PLR2-145.78·PLR+48.55

(6)

由Origin输出的R-Square，即决定系数r2值为0.90096，说明单位面积小时功耗与部分负荷率有较大相关性。

从图5还可以看出，部分负荷率在0.4～0.5范围内，单位面积小时功耗主要集中在16～19 W/m2，部分负荷率小于0.44时，单位面积小时功耗随部分负荷率的增大而减小，部分负荷率大于0.44时，单位面积小时功耗随部分负荷率的增大而增大。部分负荷率在0.5～0.6范围内时，单位面积小时功耗主要集中在18～22 W/m2，此范围内，单位面积小时功耗随部分负荷率的增大而增大。部分负荷率在0.6～0.7范围内时，单位面积小时功耗主要集中在21～28 W/m2，此范围内，单位面积小时功耗随部分负荷率的增大而增大。

2)土壤源VRF机组的性能系数分析

土壤源VRF空调系统并不是工作在完全的稳态，而是一个周期循环的较为稳定的动态过程，一个周期大约耗时10～15 min[2]。考虑到室外环境温度在1 h内基本能维持某一温度，而机组地源侧进口水温在1 h温度波动更小，因此可以用机组COP的时均值来表征土壤源VRF机组的性能，下文中的系统COP也以时均值来表征土壤源VRF空调系统的性能。

由于多联机具有多室内机特征，当机组地源侧进水温度一定时，土壤源VRF机组在实际运行中存在一个由部分负荷率PLR和负荷不均匀指数UI所决定的“性能域”[5,15]。图6给出了不同机组地源侧进水温度的“性能域”的重叠域。由于机组地源侧进水温度变化不大，图6可以显示土壤源VRF机组COP随部分负荷率变化的情况。随着部分负荷率的增大，机组COP先增大后减小，呈现出上凸曲线的变化趋势，机组最大COP值出现在45%～52%区间内，此趋势与文献[11]的测试结果基本一致。

从图6还可以看出：部分负荷率在0.4～0.5范围内时，机组COP主要集中在4.1～6.9，随部分负荷率的增大而增大，在部分负荷率为0.46时，机组COP达到最大值随后基本稳定在最大值。部分负荷率在0.5～0.6范围内时，机组COP分散地分布在5.1～7.0，随部分负荷率的增大有减小的趋势。部分负荷率在0.6～0.7范围内时，机组COP分布也较为分散，分布在5.4～6.5范围内。由此可以说明，土壤源VRF空调机组在部分负荷工况运行时具有很好的节能特性。

3)土壤源VRF空调系统的性能系数分析

系统COP是表征整个空调系统运行情况的指标，有别于机组COP。分析部分负荷率下系统COP的变化情况对于土壤源VRF空调系统能效特性具有重要意义。与机组COP相同，土壤源VRF空调系统在实际运行中也存在“性能域”。图7给出了不同机组地源侧进水温度条件下的“性能域”的重叠域。图7可以显示土壤源VRF空调系统的性能系数随部分负荷率变化的情况。随着部分负荷率的增大，系统COP先增大后减小，与机组COP相近，呈现出上凸曲线的变化趋势，最大系统COP出现在45%～65%区间内。

从图7还可以看出，部分负荷率在0.4～0.5范围内，系统COP主要集中在3.4～4.5，随部分负荷率的增大而增大。部分负荷率在0.5～0.6范围内，系统COP分散地分布在3.5～4.5之间。部分负荷率在0.6～0.7范围内，系统COP分布主要集中在3.5～4.5范围内。

与土壤源VRF机组COP相比，土壤源VRF空调系统COP有明显的减小，其原因在于土壤源VRF空调系统需要地源侧循环水泵提供热源介质循环所需动力，水泵输入功耗占系统输入功耗的20%～40%，所以系统输入功耗相比机组输入功耗有很大增加，相应系统COP比机组COP有明显下降。因此建议地源侧循环水泵采用变频水泵，以提高土壤源VRF空调系统的性能。

4 结论

在室内实测温度17.58～23.42 ℃，机组地源侧进水温度13.89～17.28 ℃，多联机连接管路长度为8 m条件下，得到下列结论：

1)部分负荷率的分布受到室外温度、使用情况等影响，从测试结果看，部分负荷率分布主要集中在0.4～0.7范围内。

2)单位面积小时功耗随部分负荷率变化呈现出二次函数关系，部分负荷率在0.4～0.5范围内，单位面积小时功耗主要集中在16～19 W/m2；部分负荷率在0.5～0.6范围内时，单位面积小时功耗主要集中在18～22 W/m2；部分负荷率在0.6～0.7范围内时，单位面积小时功耗主要集中在21～28 W/m2。

3)机组COP随部分负荷率的增大先增大后减小，变化范围在4.1～7.0，机组最大COP值出现在45%～52%区间内。

4)土壤源VRF空调系统在部分负荷工况下运行具有较高的COP，系统COP随部分负荷率的增大先增大后减小，呈现出上凸曲线的变化趋势，变化范围在2.74～5.2，最大系统COP值出现在45%～65%区间内。

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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

张旭，男，教授，博士生导师，同济大学暖通空调及燃气研究所所长，(021)65983605，E-mail: zhangxu-hvac@tongji.edu.cn。研究方向：建筑节能及新能源在建筑系统的应用，建筑物能量系统生命周期评价方法及评价指标体系的研究，面向小城镇及农村的低成本能源系统的技术集成和新能源综合利用，复杂空间通风技术。