風(fēng)冷式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域

李子愛　宋鵬遠(yuǎn)　黃文宇　石文星

(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系　北京　100084)

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風(fēng)冷式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域

李子愛宋鵬遠(yuǎn)黃文宇石文星

(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系北京100084)

本文針對基于產(chǎn)品名義工況能效比確定的多聯(lián)機(jī)作用域的不足，提出多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的概念和基于空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比(SEER)和全年性能系數(shù)(APF)的多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的確定方法；對此闡述了基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能模型的構(gòu)建方法；以南京地區(qū)辦公建筑為例，應(yīng)用GB/T 18837《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組》(報(bào)批稿)給定的建筑負(fù)荷模型、制冷與制熱季節(jié)各溫度發(fā)生時間模型，計(jì)算分析了不同名義工況能效比(EER和COP)的多聯(lián)機(jī)以SEER和APF為指標(biāo)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域。本文提出的多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域確定方法不僅為多聯(lián)機(jī)工程設(shè)計(jì)規(guī)范的完善提供一種思路，而且也可指導(dǎo)具體工程的方案選擇和設(shè)備選型。

多聯(lián)機(jī)；風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組；全工況性能；季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域

風(fēng)冷式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)(本文簡稱：多聯(lián)機(jī))是一種控制性能優(yōu)越、安裝管理方便、容易實(shí)現(xiàn)行為節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，在國內(nèi)經(jīng)歷近20年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為中央空調(diào)系統(tǒng)的主要形式之一，廣泛應(yīng)用于中小型商用建筑和部分大面積住宅建筑中，大型辦公建筑中也有很多多聯(lián)機(jī)的應(yīng)用工程案例[1-4]。

與其結(jié)構(gòu)和功能最為接近的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)相比，多聯(lián)機(jī)減少了一次換熱環(huán)節(jié)，且省去了冷(熱)水泵的輸配能耗，故被普遍認(rèn)為是一種更為高效的空調(diào)系統(tǒng)。但是，多聯(lián)機(jī)依靠壓縮機(jī)提供制冷劑的輸配動力，室內(nèi)、外機(jī)組之間的連接管將導(dǎo)致系統(tǒng)性能衰減，若連接管路過長還會影響系統(tǒng)的安全性、調(diào)節(jié)性、舒適性和運(yùn)行效率。對此，文獻(xiàn)[5-6]提出了多聯(lián)機(jī)的作用域概念并進(jìn)行定量研究，以不同能效等級的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的整體效率為比較基準(zhǔn)，確定不同名義制冷能效比(EER)與名義制熱性能系數(shù)(COP)條件下的R22和R410A多聯(lián)機(jī)的合理連接管長度(稱之為名義工況下的“經(jīng)濟(jì)性作用域”)，并指出當(dāng)多聯(lián)機(jī)的連接管長度小于該經(jīng)濟(jì)性作用域時，多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的性能優(yōu)于風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)。該研究工作得到了行業(yè)的廣泛關(guān)注，其思想已被現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]和國家標(biāo)準(zhǔn)[8]采納。

多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)作用域概念的提出對產(chǎn)品的合理應(yīng)用和規(guī)范設(shè)計(jì)起到了重要的推動作用。但是，上述經(jīng)濟(jì)性作用域是以兩類空調(diào)系統(tǒng)的名義制冷和名義制熱能效比為基準(zhǔn)給出的。而實(shí)際空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)時間運(yùn)行在變工況和部分負(fù)荷條件下，有必要考察整個制冷季節(jié)、制熱季節(jié)或全年運(yùn)行條件下的運(yùn)行能效比，在此基礎(chǔ)上確定多聯(lián)機(jī)的作用域才更能反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行能效，也才能與不同類型空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行等同比較。目前關(guān)于多聯(lián)機(jī)的季節(jié)或全年能耗的研究以及與其他空調(diào)系統(tǒng)的能耗對比分析的文獻(xiàn)大多是針對一些特定規(guī)模的工程項(xiàng)目進(jìn)行的[9-11]，尚未從季節(jié)或全年能效比的角度給出多聯(lián)機(jī)合理連接管長度的研究方法和可資參考的結(jié)論。

因此，本文提出多聯(lián)機(jī)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的確定方法和步驟，以南京地區(qū)辦公建筑為例，介紹計(jì)算多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的具體流程。本文提出的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的確定方法不僅可為多聯(lián)機(jī)工程的性能評價和應(yīng)用設(shè)計(jì)規(guī)范的制修訂提供一定的參考，也適用于具體工程的方案選擇和設(shè)備選型。

1　季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域確定方法

本文所述的多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域，是指多聯(lián)機(jī)的季節(jié)能效比(或全年性能系數(shù))不低于風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比(或全年性能系數(shù))的最大連接管長度，用Leco表示。

多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域有兩個應(yīng)用方向：1)為多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范等指導(dǎo)性文件確定合理的連接管長度限值；2)針對某一實(shí)際工程比較不同空調(diào)方案的經(jīng)濟(jì)性，指導(dǎo)方案選擇和設(shè)備選型。

下面以前者為對象，給出多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的確定方法和具體步驟。圖1所示為確定Leco的總體流程，步驟如下：

1)構(gòu)建建筑冷熱負(fù)荷模型及空調(diào)運(yùn)行時間分布模型，并選擇空調(diào)機(jī)組容量。采用GB/T 18837《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組》(報(bào)批稿)中給定的典型建筑的冷(熱)負(fù)荷線性模型及制冷(熱)季節(jié)需要制冷(熱)的各溫度發(fā)生時間[12](等同采用GB/T 17758——2010《單元式空氣調(diào)節(jié)機(jī)》[13]中的模型)。

圖1　確定多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域的方法Fig.1 Determination method of seasonal efficiency region of multi-split air conditioning system

2)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立空調(diào)系統(tǒng)制冷(熱)全工況性能模型及系統(tǒng)性能與管路長度的關(guān)系模型?？照{(diào)系統(tǒng)全工況性能是計(jì)算季節(jié)能效評價指標(biāo)的基礎(chǔ)，對多聯(lián)機(jī)(在本文公式和圖中用“VRF”表示)全工況性能的描述以整套系統(tǒng)為對象，對風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)(在本文公式和圖中用“WCUS”表示)的全工況性能描述主要包括風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤管、水泵三類部件。

3)計(jì)算不同管路長度L下兩類空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比(SEER、HSPF)或全年性能系數(shù)(APF)。管路長度L指多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組和最遠(yuǎn)室內(nèi)機(jī)之間的連接管長度，或風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)最不利水環(huán)路管路長度的1/2。基于建筑負(fù)荷模型及空調(diào)運(yùn)行時間模型，并結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)制冷與制熱全工況性能模型及系統(tǒng)性能與管路長度L的關(guān)系模型，可計(jì)算季節(jié)能效比或全年性能系數(shù)：

(1)

(2)

式中：SEER、HSPF、APF分別為空調(diào)系統(tǒng)的制冷季節(jié)能效比、制熱季節(jié)能效比、全年性能系數(shù)；CSTL、HSTL分別為空調(diào)系統(tǒng)的制冷季節(jié)總負(fù)荷、制熱季節(jié)總負(fù)荷，kW·h；CSTE、HSTE分別為空調(diào)系統(tǒng)制冷季節(jié)總耗電量、制熱季節(jié)總耗電量，kW·h。

4)確定多聯(lián)機(jī)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域Leco。計(jì)算SEERVRF(L)≥SEERWCUS(L)或APFVRF(L)≥APFWCUS(L)時的最大連接管長度L，此時的L即為Leco。對于只用于制冷或極短時間用于制熱的熱泵型多聯(lián)機(jī)，采用SEER來確定Leco，而對供冷和供熱均采用多聯(lián)機(jī)時，采用APF來確定Leco。

在實(shí)際工程方案選擇過程中，仍采用圖1所示的方法確定與其他形式的空調(diào)系統(tǒng)相比，各型號的多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)分別在多大的配管長度以內(nèi)，季節(jié)能效比更高，進(jìn)而選擇具體的空調(diào)形式或設(shè)備型號，但需注意的是，此時需采用建筑的逐時負(fù)荷及各類設(shè)備的全工況性能數(shù)據(jù)(或曲線)進(jìn)行逐時能耗分析，最后統(tǒng)計(jì)獲得制冷季節(jié)能效比或全年性能系數(shù)。

2　兩類空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能模型

為了計(jì)算不同類型空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)性能系數(shù)，核心問題是獲得考慮連接管長度在內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能。下面分別闡述兩類系統(tǒng)的全工況性能模型的建立方法。

2.1 多聯(lián)機(jī)的全工況性能

2.1.1 多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品的全工況性能

多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品的運(yùn)行性能主要受室內(nèi)外工況、機(jī)組負(fù)荷率和室內(nèi)負(fù)荷分布的影響[14]，一般都是在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管長條件下進(jìn)行測試得到的。文獻(xiàn)[15]基于對多聯(lián)機(jī)進(jìn)行35個工況的制冷與制熱性能實(shí)驗(yàn)，提出描述多聯(lián)機(jī)產(chǎn)品全工況運(yùn)行性能模型的方法。當(dāng)室內(nèi)工況和室內(nèi)機(jī)開啟狀態(tài)給定，且忽略室外濕球溫度對性能的影響時，多聯(lián)機(jī)的全工況性能可用無量綱能效比來表示。即：

y1=f1(tao,PLR)

(3)

REERVRF=EERVRF/EERVRF0

(4)

RCOPVRF=COPVRF/COPVRF0

(5)

式中：y1為無量綱能效比，即REERVRF或RCOPVRF；tao為室外干球溫度，℃；PLR為負(fù)荷率，即多聯(lián)機(jī)的實(shí)際制冷(熱)量與名義制冷(熱)量之比值；REERVRF、RCOPVRF分別為多聯(lián)機(jī)在外溫tao、負(fù)荷率PLR下的無量綱制冷能效比、無量綱制熱性能系數(shù)；EERVRF、COPVRF分別為多聯(lián)機(jī)在外溫tao、負(fù)荷率PLR下的制冷能效比、制熱性能系數(shù)；EERVRF0、COPVRF0分別為多聯(lián)機(jī)在名義制冷工況下(室外干球溫度為35 ℃，室內(nèi)干/濕球溫度為27 ℃/19 ℃)的制冷能效比、名義制熱工況下(室外干/濕球溫度為7 ℃/6 ℃，室內(nèi)干球溫度為20 ℃)的制熱性能系數(shù)。

目前多聯(lián)機(jī)多采用轉(zhuǎn)速可控型壓縮機(jī)，由于有最低轉(zhuǎn)速的限制，實(shí)際上當(dāng)建筑冷(熱)負(fù)荷小于多聯(lián)機(jī)最小制冷(熱)量時，多聯(lián)機(jī)也將啟停斷續(xù)運(yùn)行。本文為簡化起見，未考慮多聯(lián)機(jī)最低轉(zhuǎn)速限制問題，假定在建筑冷(熱)負(fù)荷很小的情況下多聯(lián)機(jī)的制冷(熱)量均能滿足需求且連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1.2管路長度對多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)性能的影響

安裝在建筑中的多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，室內(nèi)外機(jī)組之間的連接管長度均遠(yuǎn)大于產(chǎn)品性能測試時的長度。故當(dāng)考察實(shí)際多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)時，需要根據(jù)連接管長度對多聯(lián)機(jī)的能力和效率進(jìn)行修正，即需獲得如下的函數(shù)關(guān)系：

c1=g1(LVRF)

(6)

c2=g2(LVRF)

(7)

LVRF=kLm+Lb

(8)

式中：c1為名義制冷量或名義制熱量的修正系數(shù)；c2為多聯(lián)機(jī)制冷能效比或制熱性能系數(shù)的修正系數(shù)；LVRF、Lm、Lb為多聯(lián)機(jī)室外機(jī)組和最遠(yuǎn)室內(nèi)機(jī)之間、室外機(jī)組與第一分歧管之間、第一分歧管與最遠(yuǎn)室內(nèi)機(jī)之間的等效連接管長度，m；k為以性能實(shí)驗(yàn)所用的標(biāo)準(zhǔn)配管尺寸為基準(zhǔn)，室外機(jī)組與第一分歧管之間的連接管擴(kuò)大管徑時的修正系數(shù)。工程中，當(dāng)?shù)刃нB接管總長度LVRF超過90 m時，需增加室外機(jī)組與第一分歧管之間的氣體和液體連接管管徑，以減小氣液連接集管的阻力，降低多聯(lián)機(jī)在較長連接管長度下的制冷(熱)量衰減率。

因此，多聯(lián)機(jī)在等效連接管總長度LVRF條件下的無量綱制冷能效比(或無量綱制熱性能系數(shù))y1s由公式(3)和公式(7)確定，即：

y1s=c2y1=g2(LVRF)f1(tao,PLR)

(9)

2.2 風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能

2.2.1 風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組

目前，與一套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)名義制冷量相當(dāng)?shù)娘L(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組一般采用定速壓縮機(jī)，性能主要受室外工況、供水流量、供水溫度的影響。與上述多聯(lián)機(jī)的全工況性能描述方法類似，對風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組(在式中用“WCU”表示)的全工況性能的描述也可采用無量綱能效比。當(dāng)水流量和供水溫度一定時，無量綱能效比可近似表示成室外溫度tao的函數(shù)，以制冷工況為例：

RCCWCU=CCWCU/CCWCU0=f2(tao)

(10)

REERWCU=EERWCU/EERWCU0=f3(tao)

(11)

式中：CCWCU為風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組在外溫tao下的制冷量，kW；RCCWCU為機(jī)組在外溫tao下的無量綱制冷量；EERWCU為機(jī)組在外溫tao下的制冷能效比；REERWCU為機(jī)組在外溫tao下的無量綱制冷能效比；CCWCU0為機(jī)組在名義制冷工況(室外干球溫度為35 ℃；冷水流量為0.172 m3/h，出水溫度為7 ℃[16])下的制冷量，kW；EERWCU0為機(jī)組在名義制冷工況下的能效比。

當(dāng)運(yùn)行工況一定時，定轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的制冷(熱)能力也為定值。故當(dāng)機(jī)組的制冷(熱)能力大于建筑負(fù)荷時，機(jī)組將啟停斷續(xù)運(yùn)行，為建筑提供與冷(熱)負(fù)荷相等的制冷(熱)量。由于機(jī)組存在啟停損失，能效比將有所衰減，衰減率采用文獻(xiàn)[16-17]中給出的方法計(jì)算：

dw=1-CD(1-Xw)

(12)

式中：dw為風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組啟停斷續(xù)運(yùn)行時的能效比與連續(xù)運(yùn)行時的能效比之比；CD為性能衰減系數(shù)，通常取CD=0.25；Xw為冷(熱)量需求比，即某工況下建筑的需求制冷(熱)量與機(jī)組輸出的制冷(熱)量之比。

2.2.2 水泵和風(fēng)機(jī)盤管

目前的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)主要采用定水量系統(tǒng)，為方便計(jì)算，對定頻水泵和風(fēng)機(jī)盤管均引入能效比的概念。以制冷工況為例，水泵和風(fēng)機(jī)盤管的供冷能效比計(jì)算式如下：

EERp=Qcp/Wp=3.6η1η2Qcp/(ρgVpH)

(13)

EERf=Qcf/Wf

(14)

式中：EERp、EERf分別為水泵、風(fēng)機(jī)盤管的供冷能效比；Qcp、Qcf分別為水泵、風(fēng)機(jī)盤管的供冷量，kW；H為水泵揚(yáng)程，m；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Wp為水泵電機(jī)的輸入功率，kW；Vp為水泵的水流量，m3/h；η1、η2分別為水泵效率、電機(jī)效率；Wf為風(fēng)機(jī)盤管的風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入功率，kW。

2.2.3 管路長度對風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)冷(熱)水量和出水溫度一定時，水系統(tǒng)管路長度的增加與風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的制冷(熱)量和能效比無關(guān)，但將導(dǎo)致冷(熱)水系統(tǒng)的沿程阻力增大，水泵電機(jī)的輸入功率增加。管路長度與水泵揚(yáng)程的關(guān)系式如下：

H=φ[RmLw(1+β)+Δpm+Δpd+Δpt]/(ρg)

(15)

式中：φ為選型安全系數(shù)；Rm為水管路比摩阻，Pa/m；Lw為最不利水環(huán)路的等效管路長度，m；β為最不利水環(huán)路的局部阻力與摩擦阻力的比值；Δpm、Δpd、Δpt分別為風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組阻力、分集水器和除污器等部件阻力、末端風(fēng)機(jī)盤管阻力，Pa。

將公式(15)代入公式(13)即可獲得長管路條件下的水泵耗功或能效比EERp。

3　示例與分析

3.1 建筑負(fù)荷、空調(diào)容量配置及空調(diào)運(yùn)行時間分布

1)建筑負(fù)荷模型：以南京辦公建筑為例，采用GB/T 18837《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組》(報(bào)批稿)給定的建筑冷熱負(fù)荷模型，如圖2所示。圖中，BLc(tj)和BLh(tj)分別為代表建筑的冷熱負(fù)荷線。

圖2 辦公建筑的冷負(fù)荷和熱負(fù)荷模型Fig.2 Cooling and heating load model of office building

2)確定空調(diào)機(jī)組容量：由于夏熱冬冷地區(qū)辦公建筑的冷負(fù)荷往往大于熱負(fù)荷，因此按照夏季工況確定空調(diào)系統(tǒng)容量，再對冬季工況進(jìn)行校核。取南京地區(qū)的夏季和冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度分別為34.8 ℃和-4 ℃[18]，夏季室內(nèi)計(jì)算干/濕球溫度分別取27 ℃/19 ℃，冬季空調(diào)室內(nèi)計(jì)算干球溫度為20 ℃。以夏季工況和建筑負(fù)荷確定多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的容量，為簡化計(jì)算，本文按系統(tǒng)名義制冷量等于BLc(35)選配多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)。

3)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時間：兩類空調(diào)系統(tǒng)在不同外溫下的運(yùn)行小時數(shù)分布采用GB/T 18837《多聯(lián)式空調(diào)(熱泵)機(jī)組》(報(bào)批稿)給定的制冷(熱)季節(jié)需要制冷(熱)的各溫度發(fā)生時間模型。

在上述條件基礎(chǔ)上，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能模型即可對兩類空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比或全年性能系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

3.2 包含連接管長度影響的空調(diào)系統(tǒng)全工況性能模型

3.2.1 多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)

首先，根據(jù)對多聯(lián)機(jī)的制冷、制熱全工況性能測試結(jié)果，采用其中室內(nèi)負(fù)荷分布最不均勻情況(室內(nèi)機(jī)隨機(jī)組負(fù)荷率的增加逐臺開啟)的數(shù)據(jù)擬合獲得公式(3)的具體形式和性能模型；再根據(jù)企業(yè)的《產(chǎn)品技術(shù)手冊》給定的多聯(lián)機(jī)室外機(jī)制冷(熱)容量隨等效連接管長的修正系數(shù)圖擬合得到公式(6)的具體形式和性能模型；根據(jù)文獻(xiàn)[6]中R410A多聯(lián)機(jī)的EER和COP隨管長變化的數(shù)據(jù)擬合得到式(7)具體形式和模型系數(shù)。多聯(lián)機(jī)全工況性能模型及管長影響模型見表1。

3.2.2 風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)

根據(jù)風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組樣本中的性能數(shù)據(jù)，對名義制冷水流量、供水溫度為7 ℃時的數(shù)據(jù)和名義制熱水流量、供水溫度為45 ℃時的數(shù)據(jù)分別擬合獲得式(10)和式(11)的具體形式和模型系數(shù)。風(fēng)機(jī)盤管的額定能效比參考國家標(biāo)準(zhǔn)[19]計(jì)算取值，為簡化起見，變工況運(yùn)行時均按額定能效比計(jì)算。各模型見表2。

表1多聯(lián)機(jī)的全工況性能模型及管長影響模型

Tab.1Full condition performance model of multi-split air conditioning system and effect of pipe length

全工況性能模型(LVRF=10m)CCVRF0=66kW;CHVRF0=70kW;EERVRF0=3.0;COPVRF0=3.3y1=a0+a1tao+a2tao2+a3tao3+a4PLR+a5PLR2+a6PLR3+a7taoPLR+a8tao2PLR+a9taoPLR2y1a0a1a2a3a4REERVRF2.663.65×10-2-5.35×10-38.02×10-51.03RCOPVRF3.76×10-11.04×10-2-1.39×10-4-1.12×10-41.51y1a5a6a7a8a9REERVRF-3.054.76×10-14.49×10-2-8.37×10-43.36×10-2RCOPVRF-1.362.30×10-17.23×10-21.61×10-3-5.61×10-2管長影響模型制冷:c1c=5×10-6LVRF2-2.3×10-3LVRF+1.02;c2c=4×10-6LVRF2-2.1×10-3LVRF+1.02;k=0.5制熱:c1h=1,LVRF≤110m;c2h=1×10-6LVRF2-1.1×10-3LVRF+1.01;k=0.4

表2風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的全工況性能模型及管長影響模型

Tab.2Full condition performance model of air-cooled water chiller & heater unit plus fan-coil air conditioning system and the effect of pipe length

冷(熱)水機(jī)組全工況性能模型(Lw=20m)CCWCU0=66kW;CHWCU0=70kW;EERWCU0=3.4;COPWCU0=3.6制冷供水溫度為7℃,制熱供水溫度為45℃;冷(熱)水量為11.4m3/hRCCWCU=-1.91×10-4tao2+4.86×10-3tao+1.06REERWCU=1.13×10-4tao2-3.35×10-2tao+2.04RHCWCU=6.94×10-5tao2+1.99×10-2tao+0.95 tao≤5.5℃-1.1×10-3tao2+4.56×10-2tao+0.75 tao>5.5℃{RCOPWCU=-3.53×10-5tao2+1.65×10-2tao+0.96 tao≤5.5℃-1.47×10-3tao2+6.26×10-2tao+0.63 tao>5.5℃{水泵和風(fēng)機(jī)盤管η1=70%;η2=90%;EERf=50;COPf=75;φ=1.1Rm=173Pa/m;β=50%;Δpm=35kPa;Δpd=40kPa;Δpt=40kPa

3.3 季節(jié)性能指標(biāo)的計(jì)算基準(zhǔn)

結(jié)合上述模型和南京地區(qū)辦公建筑制冷(熱)季節(jié)需要制冷(熱)的各溫度發(fā)生時間[13]，根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算不同管路長度下兩類空調(diào)系統(tǒng)的季節(jié)能效比或全年性能系數(shù)。由于管路長度增加時，冷(熱)水機(jī)組的名義制冷(熱)量不變，但多聯(lián)機(jī)的名義制冷(熱)量將衰減，為公平比較，特做如下假設(shè)：

1)管路長度增加后，用作參考比較的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的名義制冷(熱)量也同步減小并與多聯(lián)機(jī)名義制冷(熱)量相等；

2)多聯(lián)機(jī)采用轉(zhuǎn)速可控型壓縮機(jī)，在各溫度下能夠提供與建筑冷(熱)負(fù)荷相匹配的制冷(熱)量；

3)在風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)中，在部分負(fù)荷下，冷(熱)水機(jī)組采用啟停控制以適應(yīng)建筑負(fù)荷需求，在停機(jī)階段冷(熱)水泵繼續(xù)運(yùn)行，通過管道中水的熱容量向建筑供冷(熱)。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

不同EERVRF0的多聯(lián)機(jī)和不同EERWCU0的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)在不同L下的SEER計(jì)算結(jié)果(虛線是不擴(kuò)大管徑的計(jì)算結(jié)果，用“N”標(biāo)記)如圖3所示，由此可得到多聯(lián)機(jī)以SEER為指標(biāo)的Leco值。從圖中可以看出，在管路長度L≤90 m或L>90 m的范圍內(nèi)，SEERVRF隨L的衰減梯度均大于SEERWCUS隨L的衰減梯度。在實(shí)際工程中，為了減少多聯(lián)機(jī)連接管長度增加所導(dǎo)致的性能衰減，通常在多聯(lián)機(jī)的等效連接管長度超過90 m時，增大室外機(jī)組與第一分歧管之間的氣體和液體連接管管徑以減小阻力。故圖中在L=90 m處SEERVRF出現(xiàn)階躍性增大，換言之，當(dāng)增加該段管路的管徑，可增大多聯(lián)機(jī)的Leco值。對于不同EERVRF0的多聯(lián)機(jī)，當(dāng)采用不同EERWCU0的冷(熱)水機(jī)組作為比較基準(zhǔn)時，Leco有較大差別，EERVRF0越高或者EERWCU0越低，多聯(lián)機(jī)以SEER為指標(biāo)的Leco值越大。

圖3 多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的SEER值比較Fig.3 Comparison of SEER between multi-split air conditioning system and air-cooled water chiller & heater unit plus fan-coil air conditioning system

圖4所示為不同COPVRF0的多聯(lián)機(jī)和不同COPWCU0的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)在不同L下的HSPF計(jì)算結(jié)果(虛線是不擴(kuò)大管徑且認(rèn)為多聯(lián)機(jī)名義制熱量在L≤190 m范圍內(nèi)修正系數(shù)等于1的計(jì)算結(jié)果，用“N”標(biāo)記)?？捎?jì)算得到不同EERVRF0和不同COPVRF0的多聯(lián)機(jī)與不同EERWCU0和不同COPWCU0的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)在不同L下的APF計(jì)算結(jié)果(如圖5所示)。

圖4 多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的HSPF值比較Fig.4 Comparison of HSPF between multi-split air conditioning system and air-cooled water chiller & heater unit plus fan-coil air conditioning system

圖5 多聯(lián)機(jī)和風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)的APF值比較Fig.5 Comparison of APF between multi-split air conditioning system and air-cooled water chiller & heater unit plus fan-coil air conditioning system

從圖5中可以看出，多聯(lián)機(jī)的名義工況能效比越高或者作為比較基準(zhǔn)的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的名義工況能效比越低，則多聯(lián)機(jī)以APF為指標(biāo)的Leco值越大。而且，對多聯(lián)機(jī)進(jìn)行管徑增大處理可以有效增大多聯(lián)機(jī)以APF為指標(biāo)的Leco值。

綜合圖3～圖5還可以看出，對于名義工況下系統(tǒng)能效比相近的兩類空調(diào)系統(tǒng)，例如，對于EERVRF0=3.0、COPVRF0=3.3的多聯(lián)機(jī)與TEERWCUS0=3.08、TCOPWCUS0=3.33(其中冷(熱)水機(jī)組的EERWCU0=3.4、COPWCU0=3.6)的風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組+風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)而言，多聯(lián)機(jī)以SEER為指標(biāo)的Leco>190 m，以HSPF為指標(biāo)的Leco≈30 m，以APF為指標(biāo)的Leco(不進(jìn)行管徑增大處理)≈140 m，可見多聯(lián)機(jī)在制熱季節(jié)的全工況性能制約了其以APF為指標(biāo)的Leco值，這主要是因?yàn)閮深惪照{(diào)系統(tǒng)的全工況性能特點(diǎn)存在差異。根據(jù)系統(tǒng)的性能模型可知，多聯(lián)機(jī)在外溫很低、負(fù)荷率很小的條件下的制熱COP有較大程度的衰減，在上述模型條件下，多聯(lián)機(jī)在制熱季節(jié)約有38%的時間在負(fù)荷率小于30%的工況下運(yùn)行，因而其HSPF值較小，從而制約了多聯(lián)機(jī)的全年運(yùn)行性能。

4　結(jié)論

多聯(lián)機(jī)是目前集中空調(diào)系統(tǒng)的主要應(yīng)用形式之一，合理的連接管長度是保證多聯(lián)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中高效運(yùn)行的重要因素。本文提出了多聯(lián)機(jī)季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域概念并給出計(jì)算方法，重點(diǎn)闡述了考慮連接管長度影響的多聯(lián)機(jī)全工況性能模型的構(gòu)建方法。提出季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域確定方法，以南京地區(qū)辦公建筑為例，對不同能效水平的多聯(lián)機(jī)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：多聯(lián)機(jī)的名義工況能效比越高或者風(fēng)冷式冷(熱)水機(jī)組的名義工況能效比越低，多聯(lián)機(jī)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域就越大；由于受多聯(lián)機(jī)制熱季節(jié)全工況性能的制約，多聯(lián)機(jī)以APF為指標(biāo)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域小于以SEER為指標(biāo)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域。該方法不僅可為多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范確定連接管長度限值時提供參考依據(jù)，也可指導(dǎo)實(shí)際工程的方案選擇和設(shè)備選型。

需要指出的是，本文所用的建筑負(fù)荷、空調(diào)使用時間分布模型、空調(diào)系統(tǒng)全工況性能等模型只反映了這一類建筑和空調(diào)系統(tǒng)的一般特性，而對于具體工程而言，則需要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、空調(diào)使用特點(diǎn)、當(dāng)?shù)貧庀髼l件和空調(diào)產(chǎn)品的實(shí)際性能等信息來計(jì)算多聯(lián)機(jī)的季節(jié)經(jīng)濟(jì)性作用域。

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About the corresponding author

Shi Wenxing, male, Ph.D., professor, Department of Building Science, Tsinghua University, +86 10-62796114, E-mail: wxshi@tsinghua.edu.cn. Research fields: refrigeration and heat pump; energy storage and utilization of renewable energy.

Seasonal Efficiency Region of Air-cooled Multi-split Air Conditioning System

Li Zi′aiSong PengyuanHuang WenyuShi Wenxing

(Department of Building Science, Tsinghua University, Beijing, 100084, China)

In view of the imperfection of present efficiency region of multi-split air conditioning system based on energy efficiency ratio at nominal working condition, a concept and a determination method of seasonal efficiency region of multi-split air conditioning system based on seasonal energy efficiency (SEER) and annual performance factor (APF) were proposed. The construction approaches of full condition performance models of multi-split air conditioning system and air-cooled water chiller & heater unit plus fan-coil air conditioning system based on experimental data were illustrated. Using the building load model and air conditioning hours at various temperatures in cooling and heating season in GB/T 18837 (draft for approval), the seasonal efficiency region of multi-split air conditioning system with different nominal energy efficiency ratio (EER and COP) in office building in Nanjing was calculated as an application example. The proposed concept and determination method of seasonal efficiency region of multi-split air conditioning system can not only provide an option to improve the code for engineering design of multi-split air conditioning system, but also offer guidance for the selection of air conditioning system and equipment in a practical project.

multi-split air conditioning system; air-cooled water chiller& heater unit; full condition performance; seasonal efficiency region

0253-4339(2016) 01-0038-08

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.038

國家自然科學(xué)基金(51176084)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51176084).)

2015年5月26日

TU831.3；TU831.4

A

簡介

石文星，男，博士，教授，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，(010)62796114，E-mail: wxshi@tsinghua.edu.cn。研究方向：制冷與熱泵技術(shù)、蓄能與可再生能源利用技術(shù)。