郑晓薇 张旭 赵德印 罗仲

（同济大学机械与能源工程学院 上海 201804）

土壤源VRF空调系统冬季运行特性实验研究

郑晓薇 张旭 赵德印 罗仲

（同济大学机械与能源工程学院 上海 201804）

以土壤源VRF空调系统为研究对象，利用土壤源VRF实验台对其冬季运行特性进行了实验研究，分析在不同开机率时，小时制热量、小时耗功量、机组COP随部分负荷率的变化规律。结果表明：小时制热量与小时耗功量随开机率的升高基本呈现增大趋势，且耗功量对开机率的变化更为敏感；不论室内机的开启率为何值，小时制热量随部分负荷率的增大而增大，小时耗功量、机组COP随部分负荷率的增加呈现下凹、上凸的变化趋势，即土壤源VRF空调机组在部分负荷运行条件下具有较为良好的节能性。

土壤源VRF空调系统；开机率；部分负荷率；冬季运行

变制冷剂流量多联机系统，也称VRF（variable refrigerant flow）空调系统，它是采用制冷剂蒸发冷却空气或冷凝加热空气，通过控制制冷剂流量实时地满足室内冷、热负荷要求的高效率系统空调［1］。土壤源VRF空调系统作为新一代的VRF空调系统，集合了VRF空调系统和地埋管地源热泵空调系统的优点，既能实现智能化控制又具有高效节能性，延伸了传统多联机系统的适用范围，克服了传统多联机系统连管长、室内外高度差大的缺点，有效节约铜管用量，拓展了多联机的使用范围和发展空间，具有巨大的市场潜力和广阔的应用前景［2］。

土壤源VRF空调在我国的应用刚刚起步，对该系统的运行特性仍处于初步探索中。国内外关于该方面的研究主要集中在系统运行特性［3-7］、能耗对比分析［8-13］、部分负荷特性［14］等方面，但对于土壤源VRF空调系统实际运行方面的研究还不够深入，缺乏实验的支撑。

因此，本文通过现场实测土壤源VRF空调系统在冬季制热连续运行工况的基础上，针对多联机系统的室内机具有个性化调节的特点，从开机率方面来分析其部分负荷条件下的运行特性，其结果为该类型系统的性能优化与能耗计算提供了实验依据。

1 实验系统简介

实验系统由地源侧、机组侧和用户侧三部分组成，系统的构成见图1［3］。

地源侧主要包括10口埋深80 m的地埋管井和2口埋深100 m的地埋管井，铺设在同济大学嘉定校区机械与能源工程学院大楼外的绿化带下方。钻孔孔径均为135 mm，采用单U型PE地埋管，内径25 mm，外径32 mm。

图1 测试系统图Fig.1 Testing system

机组侧的核心部分是由某公司提供的水冷VRF机组（型号RWXYQ10AY1），其主要设备参数见表1。

表1 土壤源VRF机组设计参数Tab.1 Design parameters of VRF unit

用户侧主要包括两个实验用房（A214和A314），建筑面积均为100 m2，坐南朝北，各自选用两台天花板嵌入式室内机，其主要参数见表2。

表2 室内机技术参数Tab.2 Technical parameters of indoor unit

2 测试系统

测试系统包括测量系统和数据采集系统。

测量系统主要包括温度、流量、耗电功率等参数的探测元件。室外气温测试采用 WZY-1温度自计议，误差为±0.3℃；室内气温采用温湿度自记仪WSZYW-1，误差为±0.3℃，根据《室内空气质量标准》（GB／T 18883—2002）［15］布置5个测点并成梅花式均匀分布；机组地源侧的循环水流量采用LWGY-25-B涡轮流量，标准量程为2～10 m3／h，误差为±0.2%；各地埋管换热器环路的水流量采用LWGY-10-B涡轮流量计，标准量程为0.2～1.2 m3／h，误差为±0.5%；VRF机组（主要是变频压缩机）和地源侧循环水泵的耗电量采用阿尔泰DAM-3505电量采集模块（电压量程 400 V，电流量 50 A，测量精度±0.2%）；四台室内机耗电量及主循环水泵（定频泵）耗电量采用功率分析仪测定。

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，工控机与通讯模块通过RS232连接。利用专用组态软件（力控ForceControl16.1）对采集到的数据进行集成，实现对测量温度、流量、温湿度、压力、耗电量等数据的采集并存储，实时数据显示，数据存储时间间隔设为1 min。

3 测试方法

冬季工况实验测试时间为2016年1月1日至2016年1月31日，实验期间地源侧开启1#、2#、3#、6#、7#、8#、10#、11#、12#地埋管井，为VRF机组提供热量。每个实验工况时间周期设定为24 h，各工况时间段为当天8：00—第二天8：00。在各种工况中，室内机和室外机的风量均保持不变（4台室内机以最大风量HH开启），室内设定温度为25℃。

土壤源VRF多联机空调系统可以根据实际能耗需要灵活组合，因此设计实验时，按照开满4台、3台、2台和1台室内机来搭配出不同的工作容量，即定义实验过程中所开启室内机的额定制热量之和与全部室内机额定制热量之和的比值为开机率［16］。本实验台将4台室内机组合成不同开机率的工况进行研究，具体组合方式见表3。

本文通过连续测量各台室内机送回风的干球温度来得到相应的制热量。在室内机送回风口布置温湿度测点，采用温湿度自记仪，型号为WZY-1，测量精度±0.3℃，测量送回风口的干球温度。室内机实际处理的风量应等于送风量或回风量，但由于送风口为条形，不便测量风量，因此在回风口处测量风量，本文采用套帽式风量罩（TSI8375）测量。根据式（1）来计算实验中各台室内机的实际制热量。

表3 室内机的开启与开机率Tab.3 The opening of indoor unit and operation rate

式中：q为各台室内机的实际制热量，kW；Qn为室内机处理的风量，kg／s；cp为空气的定压比热容，取1.01 kJ／（kg·℃）；Tri为各个室内机回风干球温度，℃；Tsi为各个室内机送风干球温度，℃。

采用机组水流量法在机组进出口水管上布置测点，分别测量机组地源侧进出口水温和循环水流量，根据式（2）、式（3）可以计算得到机组地源侧实际取热量Q′和系统实际制热量Q：

式中：Q′为机组实际取热量，kW；Q为系统实际制热量，kW；cp′为水的定压比热，J／（kg·℃）；ρ为水的密度，kg／m3；V′为循环水流量，m3／h；to′ut、ti′n为机组地源侧出进口温度，℃；W为系统总输入功率，kW。

系统总输入功率主要包括以下三部分：

式中：Wunit为水冷 VRF机组制热的实时功率，kW；Wp为水泵的输入功率，kW；Wf为室内机风机的输入功率，kW。

机组的瞬时能效比COP按照式（5）计算。

4 实验结果分析

部分负荷特性是指室内外工况一定时，多联机所服务的空调区域的负荷变化对其性能参数的影响规律［17］，由于多联机系统的室内机具有个性化调节的特点，开机率以及室内机负荷均匀性将直接影响室内机的能力输出，从而影响多联机的运行性能［18］。因此，本文主要从开机率方面来分析其部分负荷条件下的运行特性。

ASHRAE手册将部分负荷率（partial load ratio）定义为实际制热（冷）量与该工况下满负荷时的制热（冷）量之比，而在实际工程中则将其定义为实际制热（冷）量与设备额定容量（即铭牌上的制热／制冷容量数值，对于某一固定具体的设备，其值为定值）之比。相关研究表明［19］这两种部分负荷率定义值的误差7%以内，使用工程界中常用的部分负荷率的定义完全可以满足工程应用的精度。因此本文采用工程上所使用的部分负荷率的定义，此法在一定程度上可以反映实际制热（冷）量的大小。

图2 不同开机率下部分负荷率的分布情况Fig.2 The distribution of part load ratio at different operation rates

在实验期间对不同开机率下部分负荷率的分布进行统计，图2给出了部分负荷率分布情况。由图2可知，当开机率为15.97%和100%，其部分负荷率主要集中在0.4～0.6之间；当开机率为52.07%和84.03%，其部分负荷率主要在0.4～0.5之间；当开机率为36.1%、68.05%，其部分负荷率主要集中在0.5～0.7之间。了解部分负荷率的分布情况能够更具针对性地减小占比较大范围的部分负荷率的耗电量，提高对应范围内机组的COP，从而进一步提高土壤源VRF空调系统的节能性［14］。故本文对部分负荷率在0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7 ～0.8范围内进行分析讨论。

1）开机率相同

在冬季制热工况下，室内设定温度25℃（室内实测温度在20.7℃上下波动，幅度较小），选取机组蒸发器进水温度（即地埋管出水温度）为10℃、12℃、14℃、16℃（在正常工况下，机组蒸发器都工作在12～17℃，进水温度在10℃以下为极限工况），开机率为100%时，将实验结果拟合得到一拖四的土壤源VRF空调机组COP随部分负荷率的拟合曲线如图3所示。

由图3可知，在开机率为100%，地埋管出口水温为16℃时，部分负荷率处在0.31～0.48的范围内，机组的COP随着部分负荷率的增加而增加，在0.45～0.55的范围内趋于稳定并达到最大值（限值），在0.55～0.76的范围内，机组的COP随着部分负荷率的增加而逐渐减少，整体机组COP随部分负荷率的变化呈现上凸的曲线分布，其与文献［13-14］的测试结果基本一致，在实际运行过程中存在一个由部分负荷率PLR和负荷不均匀指数UI（直接反映室内负荷的不均匀程度）所决定的“性能域”［17］。同时也说明土壤源VRF空调机组在部分负荷的运行条件下具有较为良好的节能特性。这是因为随着部分负荷率的不断减小，压缩机的输出容量不断减小，使蒸发压力升高、冷凝压力降低，压缩机的耗功量随之减少，然而压缩机的效率随着压力比的降低逐渐增大，而增大的程度随着压力比的不断减小而相应的降低，导致压缩机耗功量减少的速率与部分负荷率降低的速率不一致，使曲线呈现上凸的变化趋势。

图3 开机率100%时机组COP随部分负荷率的变化情况Fig.3 COP variation of the unit with partial load ratio changes at 100%operation rate

从图3还可以看出，机组的COP随着地埋管的出水温度的逐渐升高而逐步增大，但增长速率较缓慢。在蒸发器进水温度为10℃，部分负荷率处于0.31～0.48、0.61～0.75时，机组的COP较低，均在6以下。这主要与地埋管换热能力有关，并且随着地埋管出水温度的降低，制冷剂的温度波动越大，机组的压缩比增大导致机组工作不稳定使COP下降。

2）开机率不同

在冬季制热工况下，室内设定温度25℃（室内实测温度在20.7℃上下波动幅度较小），室外温度约为7℃，选取36.1%，52.07%，84.03%，100%的开机率进行研究，将实验结果拟合得到一拖四的土壤源VRF空调机组的小时制热量、系统的小时耗功量及机组COP随部分负荷率的曲线如图4～图6所示。

由图4、图5可知，土壤源VRF空调机组的小时制热量与系统的小时耗功量随开机率的升高基本呈现增大趋势，且耗功量对开机率的变化更为敏感，这与文献［3，5］的测试结果基本一致。当房间内的室内机开启数量减少时，机组的小时制热量和系统小时耗功量都随之减少，且当部分负荷率处在0.1～0.4时，开机率对机组的小时制热量的作用更为明显，当部分负荷率集中在0.15～0.65之间时，开机率对系统的小时耗功量的影响更大。这是因为较低的开机率使得制冷剂的流量不断减少，进而制热量逐步减少。

图4 机组小时制热量随部分负荷率的变化情况Fig.4 The variation of hourly heating capacity of unit with different partial load ratio

图5 系统小时耗功量随部分负荷率的变化情况Fig.5 The variation of hourly system power consumption with different partial load ratio

从图4、图5还可以看出，当室内外工况一定时，不论室内机的开启率为何值，土壤源VRF空调机组的小时制热量均随部分负荷率的增大呈线性增长趋势；而系统的小时耗功量均随部分负荷率的增加呈现下凹的变化规律，室内机全开时，当部分负荷率小于0.39时，系统的小时耗功量随部分负荷率的增大而减小，当部分负荷率大于0.39时，系统的小时耗功量随部分负荷率的增大而增大，且随着开机率逐渐增大，系统小时耗功量的最低点逐渐向右侧偏移，由开机率为36.01%时的0.31偏移至开机率为100%时的0.39。

在评价VRF系统的制热（冷）能耗特性时，一般采用瞬时能效比IEER（instantaneous energy efficiency rate），定义为：空调系统在某一时刻系统总制冷量与空调系统总耗电量的比值［20］；而在土壤源VRF空调系统中，其运行并不完全处于稳态，它是一个周期约为10～15 min的较为稳定的动态过程，在非稳态运行的情况下瞬时状态对于表征系统性能是没有意义的［21］，由于室外干球温度在20 min内基本保持不变，因此用20 min内的机组和系统COP的平均值来评价土壤源空调系统的性能。

图6 不同开机率机组COP随部分负荷率的变化情况Fig.6 COP variation of the unit with partial load ratio changes at different operation rate

由图6可知，在部分负荷率相同时，由于开机率不同而引起的机组COP变化并不显著，差异相对较小，仅在部分负荷率处于0.53～0.75，100%开机率的拟合曲线略高于84.03%的工况，这是因为由于室内机的关闭，土壤源VRF系统蒸发器的面积减小，削弱了换热效果，机组的COP有所降低，当室内机开启数量增加时，压缩机调节其输出容量使得已开启的室内机的蒸发器面积得到充分地利用，故而机组COP有所增加。此外，无论开机率如何变化，机组COP随部分负荷率的变化仍然呈现上凸的变化趋势。

5 结论

通过对土壤源VRF系统冬季制热运行的现场测试，得到如下结论：

1）在冬季制热工况，室内设定温度为25℃，开机率为100%的实验条件下：整体机组COP随部分负荷率的变化呈现上凸的曲线分布，且机组的COP随着地埋管出水温度的逐渐升高而逐步增大，但增长速率较为缓慢。

2）在冬季制热工况，室内设定温度为25℃，开机率为36.1%，52.07%，84.03%，100%的实验条件下：小时制热量与小时耗功量随开机率的升高基本呈现增大趋势，且耗功量对开机率的变化更为敏感。

当室内外工况一定时，不论室内机的开启率为何值，土壤源VRF空调机组的小时制热量均随部分负荷率的增大呈线性增长趋势；而系统的小时耗功量均随部分负荷率的增加呈现下凹的变化规律，且随着开机率的增大，小时耗功量的最低点逐渐向右偏移。

在开机率不同时，部分负荷率相同的情况下，由于开机率不同而引起的机组COP变化并不显著，差异相对较小，且并不影响机组COP随部分负荷率的变化趋势。

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About the corresponding author

Zhang Xu，male，professor，doctoral supervisor，director of Department of HVAC and Thermal Engineering，School of Mechanical 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.

Experimental Study on Operating Performance of Ground Source Variable Refrigerant Flow System in W inter

Zheng Xiaowei Zhang Xu Zhao Deyin Luo Zhong

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

The operational characteristics of ground source variable refrigerant flow（GSVRF）system in winter was investigated based on the measured data in GSVRF test rig.The variations of hourly heating capacity，hourly system power consumption and coefficient of performance（COP）of unit under different operation rate and part load ratio（PLR）were obtained.The results of the experiments indicate that the hourly heating capacity and hourly system power consumption increased substantially with the growing amount of operation rate，and the amount of hourly system power consumption is more sensitive to changes in the operating rate；regardless of the operation rate，hourly heating capacity increases with the rise of PLR；hourly system power consumption and COP of unit exhibits concave and convex trends with the rise of PLR，which shows that GSVRF system has more favorable energy efficiency at part load operating conditions.

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

TU831.3

A

0253-4339（2016）06-0049-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.049

简介

张旭，男，教授，博士生导师，同济大学机械工程学院，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和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。

2016年3月18日