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VRF与GSHP系统的能效对比

   2012-03-12 《地源热泵》杂志41170
    编者按:为扩大读者视野,开拓思路,《地源热泵》杂志特地编译部分国外GSHP领域的最新研究成果,以期对国内同仁有所裨益,促进我国地源热泵行业向着更加节能环保的方向发展。
 
VRF与GSHP系统的能效对比

                 【美】Xiaobing Liu  译:《地源热泵》杂志/杨文斐

    如今,人们青睐于更高能效的建筑,许多技术因其显著的能效而得以推广。其中变制冷剂流量(VRF)系统和地源热泵(GSHP)系统大概是最具竞争力的两种技术。然而,几乎没有已出版的文献对这两种系统的能效进行对比。本文就此问题进行了模拟研究,并得到了初步的结果:当用于小的办公建筑时,GSHP系统比VRF系统节省36%的电能。
 
   
引言
 
    对高能效建筑的青睐带给暖通空调制冷(HVAC&R)行业巨大的挑战和机遇,许多暖通空调制冷技术因其显著的能效而得以推广。其中变制冷剂流量(VRF)系统和地源热泵(GSHP)系统大概是最具竞争力的两种技术。他们具有许多相似的优点,如设计安装的灵活性、末端可独立控制、极具节能潜力。相对于地源热泵系统在美国几十年的应用历史,VRF系统是近年来才引入美国的,对暖通空调从业者而言,还是一个相对新鲜的事物。

    VRF系统是应用于住宅项目的“多联分体机”系统的一个分支。VRF与传统HVAC系统的主要区别在于:前者利用变速压缩机连续地调节制冷剂流量,以调整输出的制冷/制热量。在VRF系统中,一台室外机可以与整个建筑内的多台不同规格和配置的室内机连接。该系统的典型配置为一组或多组集中式的室外机,每组室外机内部包含两台以上空冷式的变速压缩机。室内机包含电子膨胀阀,直接蒸发式盘管及风扇。室内机与室外机之间通过相对较长的制冷剂管路连接,并要求复杂的控制和制冷剂分配管理措施。VRF系统有两种,一种为“热泵”型——要么制冷,要么制热;另一种为“热回收”型,可对建筑物内的不同区域同时供冷和供热。

    VRF系统集成了多种能效措施,包括:变速压缩机及风机;可从周围空气中汲取免费的热量供给末端;在需要同时供冷和供热的场合回收热量。但其自身的一些特点也可能导致额外的能耗:一,与其他空气源热泵一样,VRF系统在制热模式时一般要对室外机换热器进行除霜操作;二,较长的制冷剂管路可能导致较大的冷热损失,因而增加了压缩机能耗;三,一些VRF系统要求特殊的“回油”操作以使润滑油返回压缩机,与传统的整体式空气源热泵相比,这个环节又消耗了额外的电能。

    当前,几乎没有已出版的文献对这两种系统的能效进行对比,也没有美国空调与制冷学会(ARI)认证的适用于VRF的评价体系。而且,目前还不能利用免费的建筑能耗模拟工具(诸如广泛用于对多种HVAC系统进行能效比较的Energy Plus或DOE-2)为VRF系统建模;不过,Trace 700和Energy Pro等收费软件可以模拟VRF系统。

    比较VRF 和GSHP系统能效的最好方法是:监测同一地点分别使用这两种系统的两栋相同建筑。然而据笔者所知,这样监测所得的数据目前还不实用。使用可靠的软件进行计算机模拟,也许是对这两种系统的能效进行定量比较的唯一途径。本文采用基于模拟的方法对这两种系统的能效进行了比较,以下内容介绍了算法、模拟工具、性能数据及计算结果。

   
基于模拟的VRF 和GSHP系统比较
 
    有关这两种系统能效的比较结果不但与技术本身的差异有关,也与其他多种因素有关,但最重要的是建筑及其所处的地理位置因素。本文选用一栋空调面积360平米的小型办公建筑为研究对象。如图1所示,该单层办公建筑有四个周边区域(每个方向各一个,进深4米)及一个核心区。建筑内不同的区域具有同时供冷和供热的潜在需求。选择迈阿密、旧金山、芝加哥作为美国热、温、冷3个气候区的代表性城市。
 
    分别针对每一个地区的、采用相应主流厂家生产的热回收型VRF系统及竖直埋管换热器(VGLHE)的单级(分散式)GSHP系统的相同建筑进行模拟。系统皆采用R410a制冷剂,名义制冷\制热能力和相应的能效系数(COP)、室外条件等详见下表。影响VRF 和GSHP系统的外部条件分别为室外空气条件及进入GSHP机组的地源侧循环液温度 (EFT) (℃)。所选择的这两种系统额定出力不同的主要原因有两方面,一方面是由于额定出力的测定条件不同,另一方面是所选择的GSHP机组可以满足制冷/制热需求,因此无需辅助加热,但VRF系统需要电加热器来辅助加热。

  
   
注:
 
    对于VRF系统,根据厂家提供的性能数据,制冷能力及其COP是在室外干球温度33℃的条件下测得的;制热能力及其COP是在室外湿球温度3℃的条件下测得的。

    室外空气温度来源于模拟所用的TMY2气象数据。

    对于GSHP机组,根据行业标准(ARI/ASHRAE/ISO 13256-1),制冷能力及其COP是在EFT=25℃的条件下测得的;制热能力及其COP是在EFT=0℃的条件下测得的。EFT来源于eQUEST(在模拟过程中)对GSHP系统模拟所得的数据。

    模拟过程中,假定室内有人时室外新风直接进入室内、GSHP和VRF系统的室内机持续运转,使空气循环。假设GSHP系统使用变速泵。VRF系统未使用空气节能器(空气热回收装置)。

    为研究VRF系统的不同配置对其能效的影响,对位于芝加哥的建筑模型增加了两种模拟情景:制冷剂管路为25英尺(7.62 m)的VRF系统(产品样本给出的标准长度);制冷剂管路为574英尺(175 m) 的VRF系统(制造商允许的最大长度)。

   
模拟工具
 
    在现有的模拟工具中,Energy Pro可能是唯一被主流VRF系统制造商所认可的,它是以DOE-2.1E作为仿真引擎的综合能量分析程序。由于DOE-2无法直接模拟VRF系统,因此针对DOE-2.1E,以水环热泵的模拟结果为基础,开发了一套后处理程序来计算VRF系统的制冷、制热及风扇能耗。VRF制造商对此予以了支持,并为Energy Pro的运用而提供了VRF系统的性能数据/曲线。

    针对GSHP系统的模拟则使用了eQUEST—一种基于DOE-2.2(DOE-2的最新版本)的建筑能量分析程序。在当前版本的eQUEST/DOE-2.2中,一种基于被广泛认可的g-函数算法的模型,已经被用于模拟垂直式地埋管换热器的性能。eQUEST模拟中采用的GSHP机组性能数据来自主要的GSHP制造商。

   
性能曲线

    在不同运行工况下的VRF系统和GSHP机组的性能(制冷/制热能力及效率),可以与其在特定参考工况下的性能参数相关联,此过程需要使用一组以数据表或数据曲线形式表达的修正系数。主要的设备厂家可提供数据及曲线,但不同的厂家数据会有所不同。

    图2(a)和2(b)给出了在不同的室外温度下,被模拟的VRF系统所对应的制冷/制热能力及效率曲线。制冷能力及其效率曲线的测定条件统一为33℃(室外干球温度.ODBT);制热能力及其效率曲线的测定条件统一为3℃(室外湿球温度,OWBT)。

    有两种性能曲线用于表征制热能力。第一种说明了室外湿球温度的影响,第二种代表了除霜的影响。如这些曲线所示,当室外湿球温度降至最低允许值-18℃时,VRF系统的制热能力几乎是线性地降至名义制热工况时的一半。当室外湿球温度低于5℃时,除霜操作进一步降低了制热能力。另一方面,VRF系统的制冷能力对室外干球温度并不敏感,当ODBT在参考值(33℃)的±10℃以内变化时,制冷能力的变化仅为名义工况时的10%。

    本文中的能效是指输入的电量与制冷/制热能力的比值,简写为“EIR”(见图2b)。如图所示,VRF系统制热时的EIR在OWBT=3℃时出现峰值,此时的除霜操作会对制热能力产生很大的负面作用(见图2a)。对于制冷工况来说,性能曲线显示EIR和ODBT之间也存在近似线性的关系。当ODBT仍在参考值(33℃)的±10℃以内变化时,制冷工况下的EIR变化量为名义值的20%。

    图3(a)和3(b)给出了被模拟的GSHP机组随不同的EFT而变化的制冷/制热能力及EIR曲线。根据前述的行业标准,表征制冷能力及EIR的性能曲线是在EFT =25℃的标准工况下测得的,表征制热能力及EIR的性能曲线是在EFT=0℃的标准工况下测得的。由图3(a)和3(b)可知,随着EFT的升高,机组的制热能力也有所提高而电耗降低;制冷工况时则相反。因此,GSHP系统的实际性能与EFT密切相关,而后者又受制于当地岩土温度、导热系数、VGLHE的设计和安装质量、建筑负荷特性(冷负荷占优还是热负荷占优)。

    对制冷/制热量进行调节,以适应变化着的建筑冷/热负荷的能力也是影响VRF和GSHP系统能效的因素。这种能力通常表征为响应“部分负荷率(PLR)”的“部分负荷系数(PLF)”,前者是建筑冷/热负荷与暖通空调系统的资用制冷/制热能力的比值。若PLF比PLR小,则表明该系统在部分负荷条件下的能效比理想(没有循环损失的)单级热泵的能效高,反之亦然。

    图4(a)和4(b)给出了被模拟的VRF系统和GSHP机组的部分负荷性能。图中的对角线代表了理想单级热泵的性能。如图4(a)所示,在制冷工况下,当PLR大于0.4时,VRF系统的PLF值在对角线以下;但是制热工况下的,PLF曲线略高于对角线。这表明在制冷工况下,VRF系统的能效比理想单级热泵的能效高。除霜操作与该系统在制热工况下的较低能效有关。与此形成对比的是,被模拟的GSHP机组的部分负荷性能与理想系统非常接近,详见图4(b)。

    与典型的整体式GSHP机组相比,VRF系统的制冷剂管路较长,这样一来不仅需要充注更多的制冷剂,而且导致冷热量的损失及压缩机功耗的增加。Energy Pro采用一组制造商提供的修正因子来表明管路长度对VRF系统制冷/制热能力的影响。然而,在对这种系统进行模拟的过程中,针对制冷剂管路长度增加所导致的压缩机功耗的增加尚无修正方法。如图5所示,制冷剂管路长度对制冷制热能力的影响较大。看起来制冷能力对此较为敏感,这表明在制冷模式下,进入室内机之前的部分制冷剂在管路输送的过程中已经蒸发。

    虽然GSHP系统中没有长制冷剂管路,但其中却有一个两管制的水环路将竖直埋管换热器(VGLHE)与建筑内的多台GSHP机组相连接。因此需要额外的水泵功耗以驱使循环水在水环路、VGLHE及所有GSHP机组中流动。
 
 
室外气温(℃)
制冷工况时,为室外干球温度;制热工况时,为室外湿球温度
图2(a) VRF系统模型的制冷制热量随室外气温变化的性能曲线
 
 
 
室外气温(℃)
制冷工况时,为室外干球温度;制热工况时,为室外湿球温度
图2(b) VRF系统模型的制冷制热能效随室外气温变化的性能曲线
 
  
 

进入GSHP机组的地源侧循环液温度(EFT)(℃)

图3(a) GSHP机组模型的制冷制热量随EFT变化的性能曲线
 
 
进入GSHP机组的地源侧循环液温度(EFT)(℃)
图3(b) GSHP机组模型的制冷制热能效随EFT变化的性能曲线
 
 
 
室外气温
制冷工况时,为室外干球温度;制热工况时,为室外湿球温度
图2(b) VRF系统模型的制冷制热能效随室外气温变化的性能曲线
  
部分负荷率
图4(a)VRF系统模型的部分负荷性能
 
 
   
 部分负荷率
图4(b)GSHP机组模型的部分负荷性能
 
 
制冷剂管路长度影响制冷量的修正系数
(高差=0ft,供冷率=1)
 
制冷剂管路长度
图5 制冷剂管路长度对VRF系统模型制冷制热量的影响
 
 
图6 VRF及GSHP系统的年耗电量
GLHP-地源热泵;VRF-HR-25ft;热回收型VRF(制冷剂管长25英尺);VRF-HP-25ft热泵型VRF(制冷剂管长25英尺);VRF-HR-574ft热回收型VRF(制冷剂管长574英尺)
 
    结果
 
    分别采用Energy Pro、eQUEST对VRF、GSHP系统进行模拟。由于两种程序的不同,  (因此)计算所得的配置这两种系统的建筑冷热负荷有所不同。为了对这两种系统进行公平的比较,将eQUEST算得的GSHP系统能耗进行了调整,以解释冷热负荷之间的不同。由于在每个区域这两种系统(所承担)的循环风量相同,假设(末端)风机的性能相同,则两种系统的风机能耗相同。

    表2总结了各模拟地区的热回收型VRF及GSHP系统的年总耗电量。与迈阿密、旧金山和芝加哥地区的VRF系统相比,GSHP系统分别节省14%、17%和29%的电量。计算结果清楚地显示,节电量随需热量的增大而增大。三地的GSHP系统都比VRF系统的能效高,在冷热量需求大的地方(如芝加哥),其效果更佳。

    图6显示了芝加哥地区的GSHP系统与3种(不同)配置的VRF系统的比较结果。热泵型的VRF系统比热回收型的耗电量大,但就本文所研究的对象而言区别不大。与制冷剂管长25英尺(7.62m)的热泵型VRF系统相比,GSHP系统的节电量增加了2%;与制冷剂管长574英尺(175m)的热回收型VRF系统相比,节电量增加到了36%。

   
结论和建议
 
    采用建筑能源分析软件和制造商提供的性能数据/曲线,本文对VRF与GSHP系统的能效做了初步比较。结果表明,对同一个小型办公建筑而言,GSHP系统较为节能。以代表热、温、冷3个气候区的地方‘为背景,与配置标准制冷剂管路的热回收型VRF系统相比,GSHP系统可以节省14-29%的电能。可以预料,与热泵型和/或配置了更长的制冷剂管路的VRF系统相比,GSHP系统更节能。
 
 
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