張文軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安　710043)

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空調(diào)負(fù)荷率對地埋管水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

張文軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 西安710043)

摘要：埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)具有很好的節(jié)能、環(huán)保效益,是一種新型水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng),但由于其系統(tǒng)運(yùn)行特性相關(guān)資料缺乏,嚴(yán)重影響其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。為了解埋管式水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性,以某建筑埋管式水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)為研究對象,采用試驗(yàn)方法對其性能進(jìn)行測試,測試結(jié)果表明：系統(tǒng)負(fù)荷率越大,水冷多聯(lián)機(jī)組進(jìn)出水溫度越高；機(jī)組耗電量和制冷量隨系統(tǒng)負(fù)荷率增大而增大,系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組性能系數(shù)的影響較??；該系統(tǒng)與常規(guī)風(fēng)冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)相比,其在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能性好。

關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)；水冷多聯(lián)機(jī)；試驗(yàn)測試；地埋管換熱器

多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)從誕生到現(xiàn)在，一直受到廣泛關(guān)注[1]。對于埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，其克服了風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)冬季工況除霜能耗過高、供熱量衰減等缺點(diǎn)，拓展了水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源范圍[2]，是一種新型熱泵系統(tǒng)。

目前，對于埋管式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行性能研究較少，大部分研究主要集中在單純多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)。如文獻(xiàn)[1]研究了變流量多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)控制方式，分析了系統(tǒng)各熱力參數(shù)的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了室內(nèi)溫度對各室內(nèi)機(jī)的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[3]搭建了多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，對多聯(lián)機(jī)夏季工況能耗特性進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析，得出了夏季工況時(shí)多聯(lián)機(jī)室內(nèi)機(jī)制冷量和壓縮機(jī)輸入功率的變化。同時(shí)，文獻(xiàn)[4]對風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行特性進(jìn)行試驗(yàn)，分析了室內(nèi)溫度、開機(jī)率對機(jī)組的小時(shí)能效比和小時(shí)供熱性能系數(shù)的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]提出了埋管式多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，針對其在實(shí)際工程中的發(fā)展及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。上述文獻(xiàn)綜述表明，將多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)與土壤源熱泵系統(tǒng)結(jié)合組成新的系統(tǒng)形式，具有良好的節(jié)能環(huán)保效益，其發(fā)展前景廣闊；同時(shí)由于其部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能耗低，全年運(yùn)行費(fèi)用低以及節(jié)省建筑空間等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于小型辦公樓具有很好的節(jié)能價(jià)值，但是目前尚無對相關(guān)系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)。

本文將對埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)原理進(jìn)行分析，并以某建筑埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為測試對象，對其夏季工況進(jìn)行性能測試，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了系統(tǒng)負(fù)荷率對水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組進(jìn)出水溫度、機(jī)組耗電量以及其性能系數(shù)的影響規(guī)律。

1系統(tǒng)運(yùn)行原理

埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)是一種新式的熱泵耦合系統(tǒng)，其將水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)與土壤源熱泵水系統(tǒng)相結(jié)合[6]，克服了風(fēng)冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)室內(nèi)外落差大和配管長度的問題[7]，具有土壤源熱泵系統(tǒng)與多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)共同優(yōu)點(diǎn)。其主要由埋管式換熱器[8]構(gòu)成的閉式循環(huán)水系統(tǒng)和多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)組成。多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)由水冷多聯(lián)機(jī)、制冷劑輸送管道和室內(nèi)機(jī)組成。其中水冷多聯(lián)機(jī)由壓縮機(jī)組、板式換熱器(冷凝器)、四通換向閥、氣液分離器等組成[9]；由埋管式換熱器構(gòu)成的閉式循環(huán)水系統(tǒng)主要由定壓水箱、水泵、分集水器和雙U形地埋管換熱器組成[10，11]。水冷多聯(lián)機(jī)的壓縮機(jī)將制冷劑氣體壓縮并使其在制冷劑管路系統(tǒng)循環(huán)，制冷劑氣體沿氣管流經(jīng)冷凝器，將其冷凝后輸送到各個(gè)房間室內(nèi)機(jī)；制冷劑消除房間負(fù)荷使制冷劑汽化，氣相冷劑沿管路系統(tǒng)回到水冷多聯(lián)機(jī)的板式換熱器，在板式換熱器內(nèi)換熱，把制冷劑從室內(nèi)吸收的熱量傳遞給埋管式閉式循環(huán)水系統(tǒng)，然后制冷劑再沿各自支管回到房間，開始下一輪制冷循環(huán)。水冷多聯(lián)機(jī)內(nèi)板式換熱器的水流將制冷劑的熱量(來自空調(diào)房間)吸收后沿多聯(lián)機(jī)出水管流入埋管式循環(huán)水系統(tǒng)分水器，然后進(jìn)入地埋管換熱器進(jìn)行換熱，被冷卻的水沿地埋管換熱器回水管流回水系統(tǒng)集水器，最后再沿水系統(tǒng)主干管流經(jīng)水泵，并進(jìn)入水冷多聯(lián)機(jī)板式換熱器與制冷劑氣體進(jìn)行換熱，其原理如圖1所示。

圖1　埋管式多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)原理

2系統(tǒng)性能測試

以某建筑埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為測試對象進(jìn)行性能試驗(yàn)，該建筑共3層，其中地下一層，地上兩層，總建筑面積為960 m2。地下室建筑面積340 m2，設(shè)5個(gè)房間；首層建筑面積為310 m2，層高3 m，共4個(gè)房間；二層建筑面積為310 m2，共4個(gè)房間。該建筑埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中室內(nèi)機(jī)參數(shù)見表1～表3。

表1　地下室室內(nèi)機(jī)參數(shù)

表2　首層室內(nèi)機(jī)參數(shù)

表3　二層室內(nèi)機(jī)參數(shù)

該系統(tǒng)性能測試中，通過三相四線制電流表測量水泵電流來間接實(shí)現(xiàn)對水泵功率的測量，其精度±1%；室內(nèi)機(jī)耗電通過單相電能表進(jìn)行間接測量，其精度為1級；多聯(lián)機(jī)電流采用三相電子式電能表測量，其精度為1級；水系統(tǒng)流量采用電磁流量計(jì)測量，其精度±0.1%；多聯(lián)機(jī)組進(jìn)出水溫度采用JWB/PT100型一體化溫度變送器測量，其量程為0～50 ℃，精度為±0.1 ℃。

3水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)性能評價(jià)方法

對于埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)負(fù)荷率是表征其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的主要參數(shù)。所以本文研究了系統(tǒng)負(fù)荷率對水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)性能的影響。其中，系統(tǒng)負(fù)荷率是指在實(shí)際室內(nèi)外熱濕條件下各室內(nèi)機(jī)實(shí)際制冷量之和與各室內(nèi)機(jī)最大制冷量之和之比，即

(1)

式中，qi為第i臺(tái)室內(nèi)機(jī)實(shí)際制冷量，kW；qmax.i為第i臺(tái)室內(nèi)機(jī)該時(shí)刻最大制冷量，kW。

系統(tǒng)負(fù)荷率主要由室內(nèi)熱濕負(fù)荷和室外氣象參數(shù)的影響，當(dāng)室外溫度相對穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷率主要受室內(nèi)熱濕負(fù)荷影響，室溫與開機(jī)率是決定房間熱濕負(fù)荷的主要因素。在保持室內(nèi)溫度恒定時(shí)，可依據(jù)室外溫度的變化規(guī)律通過調(diào)節(jié)室內(nèi)機(jī)開機(jī)率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)荷率，所以通過調(diào)節(jié)開機(jī)率從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷率，來研究系統(tǒng)負(fù)荷率對水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響。開機(jī)率定義為開啟室內(nèi)機(jī)額定制冷量之和與全部室內(nèi)機(jī)額定制冷量之和之比，即

(2)

式中，qei為定i臺(tái)室內(nèi)機(jī)額定制冷量，kW；n為開啟室內(nèi)機(jī)的臺(tái)數(shù)；Q為全部室內(nèi)機(jī)額定制冷量之和。

4結(jié)果分析

4.1開機(jī)率與系統(tǒng)負(fù)荷率的關(guān)系

本文將通過調(diào)節(jié)室內(nèi)機(jī)開機(jī)率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷率，從而研究系統(tǒng)負(fù)荷率對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，為了測試過程中便于通過調(diào)節(jié)室內(nèi)機(jī)開機(jī)率來調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷率的變化，本文所有測試時(shí)的室溫維持在18 ℃。通過試驗(yàn)測試了系統(tǒng)負(fù)荷率與室內(nèi)機(jī)開機(jī)率的變化關(guān)系，圖2結(jié)果表明，開機(jī)率越大，系統(tǒng)負(fù)荷率越大，并且其近似成線性關(guān)系，所以在水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，完全可以通過調(diào)節(jié)室內(nèi)機(jī)的開機(jī)率來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)負(fù)荷率的調(diào)節(jié)。

圖2　負(fù)荷率與開機(jī)率的關(guān)系

4.2系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組進(jìn)出水溫度的影響

對于水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組空調(diào)系統(tǒng)，機(jī)組進(jìn)出水溫度是影響機(jī)組以及系統(tǒng)性能的主要參數(shù)，圖3為室內(nèi)溫度為18 ℃時(shí)，機(jī)組進(jìn)出水溫度隨系統(tǒng)負(fù)荷率的變化規(guī)律。結(jié)果表明，由于系統(tǒng)負(fù)荷率越大系統(tǒng)制冷量越大，從而使室內(nèi)向水冷多聯(lián)機(jī)水系統(tǒng)排放熱量增多，從而導(dǎo)致機(jī)組出水溫度隨系統(tǒng)負(fù)荷率增大而升高。同時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷率越大系統(tǒng)制冷量越大，多聯(lián)機(jī)空調(diào)水系統(tǒng)通過埋管換熱器向土壤排放熱量越多，使地埋管換熱器熱交換層逐漸向土壤深處延伸，從而降低了埋管式換熱器換熱能力；同時(shí)由于埋管式換熱器周圍土壤的熱惰性，短時(shí)間內(nèi)不能使熱量在土壤內(nèi)散失掉，從而使埋管式換熱器出水溫度升高，最終導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)水溫度升高，所以隨系統(tǒng)負(fù)荷率增大水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組進(jìn)出水溫度都升高。同時(shí)圖3表明系統(tǒng)負(fù)荷率由17%調(diào)高到30%，機(jī)組的進(jìn)出水溫度分別升高了1.08 ℃、1.48 ℃；系統(tǒng)負(fù)荷率由30%調(diào)高到49%，機(jī)組進(jìn)出水溫度分別才升高了0.31 ℃、0.23 ℃，說明系統(tǒng)負(fù)荷率越低時(shí)，機(jī)組進(jìn)出水溫度隨系統(tǒng)負(fù)荷率增大而升高越快。

圖3　系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組進(jìn)出水溫度的影響

4.3系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組耗電量和制冷量的影響

水冷多聯(lián)機(jī)的能耗對埋管式水冷多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)能耗產(chǎn)生很大影響，圖4是室內(nèi)溫度為18 ℃時(shí)機(jī)組耗電量和制冷量隨系統(tǒng)負(fù)荷率的變化規(guī)律，結(jié)果表明埋管式水冷多聯(lián)機(jī)的機(jī)組耗電量和制冷量隨系統(tǒng)負(fù)荷率升高而增加；并且機(jī)組制冷量隨系統(tǒng)負(fù)荷率變化斜率大于機(jī)組耗電量變化曲線斜率，說明系統(tǒng)負(fù)荷率對制冷量影響較明顯，對機(jī)組耗電量的影響較小，該系統(tǒng)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)大的建筑其節(jié)能性能好。

圖4　系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組耗電量和制冷量的影響

4.4系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組性能的影響

水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組性能是影響埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)性能的主要因素之一，圖5是室溫18 ℃時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組性能的影響規(guī)律。在室溫為18 ℃時(shí)，機(jī)組性能系數(shù)隨系統(tǒng)負(fù)荷率的增加而增大，但增幅較小，其機(jī)組性能系數(shù)在3.0以上，系統(tǒng)負(fù)荷率都比較低(系統(tǒng)負(fù)荷率變化范圍為8%～47%)，所以機(jī)組性能系數(shù)不算很低；所以該系統(tǒng)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷隨機(jī)性大的建筑，其系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用低。

圖5　系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組性能的影響

5結(jié)論

本文介紹了埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)的基本原理，并以某建筑埋管式水冷多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)為測試對象，對其性能進(jìn)行測試，基于測試數(shù)據(jù)分析了系統(tǒng)負(fù)荷率對其系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，結(jié)論如下。

(1)隨著系統(tǒng)負(fù)荷率增大水冷多聯(lián)機(jī)進(jìn)出水溫度均呈增大趨勢，其是由于系統(tǒng)負(fù)荷率不同系統(tǒng)制冷量不同，從而導(dǎo)致埋管式換熱器換熱性能不同所致；同時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷率越低時(shí)，機(jī)組進(jìn)出水溫度隨系統(tǒng)負(fù)荷率增大而升高的越快。

(2)水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組耗電量和制冷量越大，系統(tǒng)負(fù)荷率越大；但系統(tǒng)負(fù)荷率對機(jī)組制冷量的影響明顯，所以該系統(tǒng)應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷隨機(jī)性大的建筑，具有較好的節(jié)能性。

(3)系統(tǒng)負(fù)荷率對水冷多聯(lián)機(jī)機(jī)組性能系數(shù)的影響較小，因此與常規(guī)的風(fēng)冷多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)具有調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行費(fèi)用低以及節(jié)能性好等特點(diǎn)。

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Impact of Air Conditioning Load on the Performance of Buried-tube Water-cooled Variable Multi System ZHANG Wen-jun

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：As an air conditioning system, the Buried-tube Water-cooled Variable Multi System is of energy saving and environmental protection. Due to the lack of relevant information for system operational characteristics, its application is restricted in practical engineering. In order to understand the performances of Buried-tube Water-cooled Variable Multi System, the performances are tested with reference to a construction site. The relationship between the system load rate and system performance is analyzed. The results show that the water temperature rises at the import and export as the system load increases. The system power consumption and refrigerating capacity grow with system load rate, but the impact of system load rate is small on system performance coefficient. Compared with conventional air conditioning systems, the Buried-tube Water-cooled Variable Multi System is low in operation cost and good in energy saving.

Key words：Air conditioning system, Water digital-scroll variable multi, Test, Buried tube heat exchanger

中圖分類號：U270.38+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.030

文章編號：1004-2954(2015)01-0118-04

作者簡介：張文軍(1959—)，男，工程師，E-mail：624247359@qq.com。

收稿日期：2014-04-04； 修回日期：2014-05-12