多联机部分负荷性能研究

            (2)

季节能效比(SEER)的概念由美国能源部于上世纪八十年代首次提出，采用将空调实际运行的部分负荷工况按照气象统计资料划分为多个温度区的方法综合评定单元式空气调节器的效率，并分别被美国暖通空调工程师学会和美国制冷空调学会采纳、制定了ANSI/ASHRAE 116-1983[11]、ANSI/ARI 210/240-1989[12]。季节能效比(SEER)由制冷空调季节从空调房间去除的总热量与空调总能耗之比，其中总热量则是按照不同的室外温度区分别去除的热量之和，季节能效比表示空调在一个制冷季节的运行总效率, 从运行工况温度的角度描述了空调的部分负荷性能，因此季节能效比是小型空调领域应用最广泛的标准。但是，SEER的缺点是计算方法繁琐，且对于不同地区和国家，有不同的温度区划分方法，因而也就没有比较统一的数值。

综上所述，部分负荷的两个评价指标从不同角度出发：制冷综合性能系数将空调实际工况划分为标准额定工况下不同的负荷率按照各自的权重累加而得，而季节能效比则将空调实际工况划分为标准额定工况下不同的运行温度按照各自的权重累加而得，尽管如此,它们没有指出哪些因素决定多联机的部分负荷性能，不能评价多联机实际运行时的部分负荷性能,如实际运行EER及偏离设计工况参考点的程度。Chan 等研究了不同的室外温度、能耗对部分负荷的影响 [13], 并指出制冷机组自身各部件之间相互作用致使机组部分负荷性能受到了更多条件的限制[14], 刘圣春、马一太等人总结了中国不同的温度区划分方式对空调部分负荷性能的影响[15-16]。对于能够根据环境变化进行自动调节的多联机系统，部分负荷性能的影响因素更多也更加复杂，本文对此关键问题进行了分析，指出影响多联机部分负荷性能的五大因素:动态冷负荷、机组部分负荷率、多联机与建筑物的匹配和安装水平、建筑物围护结构综合传热系数和地域气象参数，逐一分析了对部分负荷性能的影响。并据此结果提出了一个评价多联机实际运行部分负荷性能的方法，根据实际测试结果的验证，该方法是可行的，可以用于实时评估多联机实际运行性能和控制优化。

2 部分负荷性能的影响因素

无论空调机组的标准测试工况(室内空气入口温度为27℃DB,19℃WB 而室外则为35℃DB 24℃WB)还是ASHRAE Standard 37-78［17］规定的部分负荷测试工况(室内、室外空气入口温度均为27℃DB,19℃WB)，都与多联机的实际运行工况不同，因此多联机实际的部分负荷性能是复杂的和难以预测的；只有将影响其性能的因素系统的分析后，考虑每个因素的影响范围，才能够对机组性能进行预测。归根到底，决定多联机部分负荷性能的有三大类因素，即多联机自身的因素、建筑物的因素和气象因素，具体而言则是以下五种因素：

2.1动态冷负荷

与其他类型的空调系统相比，多联机控制精度高、能够根据环境变化自动调节自身容量，因此任何使多联机运行工况、冷负荷、环境条件发生变化的影响或因素，都会导致多联机的运行部分负荷性能发生变化，其中冷负荷随室外环境温度改变的动态变化过程是多联机处于部分负荷工况的关键原因之一。图1表示的是武汉科技大楼在一个典型气象日内总冷负荷逐时值变化过程，空调在早晨8：00至晚上6：00运行，早晨8：00时冷负荷为工作期间最小值1028.328kW，此后迅速增加，除了在中午12：00至13：00期间略有减小外，在15：00时达到最大1955.203 kW，然后逐渐回落。显然，按照最大冷负荷值选择的机组容量，那么只有15：00至17：00间的三个小时内机组工作于满负荷工况附近，其他则处于部分负荷工况，考虑到典型气象日是根据气象参数统计资料选择较大值的情况，机组在实际运行时处于部分负荷工况的时间会大大增加。

2.2多联机的部分负荷率

除了外部气象条件，多联机自身的诸多特征也是影响其部分负荷性能的内部重要条件，而且其影响更为显著。不同的干、湿度的运行条件，室内、室外机之间的落差以及制冷剂管网的长度等，这些因素使多联机的室内机制冷和制热容量得到不同程度的衰减，因而影响了机组的部分负荷性能，实际的室内、室外干、湿球温度与测得机组名义制冷量的工况(室内空气入口温度为27℃DB,19℃WB 而室外则为35℃DB 24℃WB)并不相同，这对机组制冷效果的影响既有正面的又有负面的。图2就揭示了实际环境条件下制冷效果的修正结果（部分数据源于文献[18]）：当室外温度上升时制冷量会减小，而当室内湿球温度上升时制冷量会减少，其中相对于额定工况而言，当室内温度湿球温度降至16 WB，室外温度升高至40度时机组的制冷量就衰减为名义制冷量的83%。

由于制冷剂管网的压力损失和热损失，室内机、室外机制冷剂管路越长，制冷量的衰减就越严重。当制冷机管路长度达到众多多联机厂商所宣传的120m时，机组的制冷/制热效果都会衰减，制冷量仅剩75%，而制热量衰减较小，仅为95%，具体趋势可见图3。

表 1.  武汉科技大楼的逐时动态负荷变化图

表 2.  室内外温度对机组容量的修正

表 3.  管段长度对机组冷量的修正

表 4.  高差对机组冷量的修正

表 5.  室外结霜对制热性能的影响

室内机、室外机之间管道落差在重力的影响下使机组制冷量也有所衰减：随着落差的增加，机组的衰减幅度也越来越大（见图4），当落差达到50m时，机组容量衰减为名义制冷量的95%。

多联机冬天热泵模式运行时，室外蒸发器温度低于大气露点温度时表面会结霜，在大气温度零度左右制热效果衰减最为严重，制热量仅剩余86%左右，而制热量在大气温度零度以上随温度的变高而升高，在大气温度零度以下随温度的变高而降低，见图5。

2.3多联机容量与建筑的匹配以及多联机的安装水平

多联机因能够自动调节而拥有良好的舒适效果和节能效果，但是这些效果需要高质量的多联机安装水平以及与建筑物的高度匹配水平来保证，就现阶段限制多联机发展因素而言，安装技术水平对多联机的效果影响非常重要，据统计，由于缺乏相应的国家标准及安装技术水平不高导致很多多联机不能正常的运行，性能大幅衰减，严重的影响了多联机的部分负荷性能。机组容量与建筑物冷负荷的匹配是影响多联机的重要因素之一，容量过大会致使多联机长时间运行于低效率部分负荷状态下，容量过小则不能满足需要，因此选定恰当容量的机组是前提。

多联机与建筑的匹配及安装技术水平涉及了从机组设计、选型到安装运行等众多实践的和理论的因素，难以进行切实可行的方法或理论综合检验，因此进行现场的测试，并与实验室结果进行对比,按照上述方法对实际安装的多联机进行性能修正，然后与实验室结果比较得到匹配及安装水平系数Lb （见式3）。

                                 (3)

2.4建筑维护结构总传热系数

在外界条件一定的情况下，建筑围护结构的总传热系数决定了它的冷负荷，传热系数越小，建筑能耗就越小（如图6所示），对于安装于其中的多联机而言，就可以更多的运行于低能耗的部分负荷状态，建筑节能效果就越明显。

图6.  不同维护结构系数对建筑能耗的影响

2.5地域气象参数

在SEER指标体系中，不同气候类型的地区根据多年的统计数据划分为多个地带，如国家标准GB/T 7725-2004 [19]将中国划分为5个不同的空调气候区域，而ARI 210/240-2006则将美国划分为6个空调区域。显然，在不同的气候区域中，根据气象数据统计资料多联机工作于不同的温度下的时间不一样，图7所示的为中国过去30年气象资料数据，室外温度30℃时广州、武汉、国标选定的平均值分别为330、240、190个小时，而上海、北京、沈阳则在100个小时以下，对于这种工况特征就可以针对性进行机组设计、容量选择方面的调整，以提高机组的整体部分负荷性能。

图7.  不同区域室外温度的统计数据

3 多联机部分负荷性能的评价

对于用户而言，尽管SEER, IPLV两种现有的手段综合起来可以比较完整的描述多联机的部分负荷性能，并被推荐用于综合考查机组性能[8]，可是对于多联机的操作使用者而言仅有这两种手段并不够，难以表示机组的实时运行性能：制冷量、机组功耗和机组效率等，而如果采用过多的探测仪器去测试的话，会使增加设备造价和复杂程度、可靠程度。基于对多联机部分负荷性能的分析，本文提出一个较为简便的多联机性能预测方法：采用已有的室外温度、室内温度以及机组功耗，各室内机名义制冷量经过各项部分负荷性能系数的修正，得到机组的性能参数，从而预测机组的实时制冷量、能效比，见式（4）、（5）。

为了验证该方法的合理性和有效性，采用了两场多联机的现场测试结果对其进行验证，现场

测试分别于2005年、2006年夏季在北京和武汉进行，所测机组分别是携带16、8台室内机的GMV-R620W4/A, RFC560KX，详细情况见表1。

                       (4)

                                                  (5)

根据多联机的实际配置情况和室内机部分负荷性能的修正，武汉、北京地区的冷量衰减系数和建筑安装匹配水平根据现场情况及经验分别取0.90, 0.93 和0.95, 0.95。由表中比较的值可以看到，预测值的相对误差分别为3.8%、4.55%，这证明该方法是可行的，能够用于多联机负荷性能的预测。

表 1.  现场测试结果与理论预测的比较

4 结论

多联机本身是个复杂的系统，其部分负荷性能受到很多因素的影响，因而难以确定各个因素具体的影响范围。本研究在总结SEER、IPLV的发展历程及描述空调部分负荷优缺点的基础上指出：除了温度、负荷率等因素，机组的部分负荷性能还受地域、气象、机组安装水平、空调系统自身衰减和建筑特征等因素的影响，因此本论文突出的工作在于：

1）提出地域、气象、机组安装水平、空调系统自身衰减和建筑特征等是影响机组部分负荷性能的重要因素；

2）系统的总结、归纳了影响空调机组部分负荷性能的因素，将之归结5类，并逐一分析了每一种因素的影响幅度和规律；

3）提出评估多联机系统实时运行性能的方法。

参考文献

[1]     GB 50189-2005, 公共建筑节能设计标准.

[2]     Gu L, Swami MV, Fairey PW. System Interactions in Forced-Air Heating and Cooling Systems, Part I: Equipment Efficiency Factors, Chicago, IL, United States: 2003. Amer. Soc. Heating, Ref. Air-Conditoning Eng. Inc., Atlanta, GA 30329, United States; 2003. p. 469-478.

[3]     Kim Y-S, Kim K-S. Simplified energy prediction method accounting for part-load performance of chiller. Building and Environment. 2007,42(1):507-515.

[4]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 340-1986, Commercial and Industrial Unitary Heat Pump Equipment.

[5]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 360-1986, Commercial and Industrial Unitary Air-conditioning Equipment.

[6]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 365-1987, Commercial and Industrial Unitary Air- conditioning Condensing Units.

[7]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 210/240-1989, Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment.

[8]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 210/240-2006, Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment.

[9]     Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 340/360-2004, Commercial and Industrial Unitary Air-Conditioning and Heat Pump Equipment

[10]  GB/T 18837-2002, 多联式空调(热泵)机组,2002.

[11]  American Society of Heating Refrigerating and Air-conditioning Engineer, ANSI/ASHRAE 116-1983, Methods of Testing for Seasonal Efficiency of Unitary Air-Conditioners and Heat Pumps.

[12]  Air-Conditioning and Refrigeration Institute, ANSI/ARI 210/240-1989, Unitary Air-Conditioners and Air-Source Heat Pump Equipment.

[13]  Chan KT, Yu FW. Part load efficiency of air-cooled multiple-chiller plants. Building Services Engineering Research and Technology. 2002,23(1):31-41.

[14]  Chan KT, Yu FW. Analysis of the component characteristics of air-cooled chillers for modelling floating condensing temperature control. Energy Conversion and Management.2005,46(6):927-939.

[15]  刘圣春,马一太,卢苇,. 空调能效比和季节能效比的分析. 天津大学学报,2006,(9).

[16]  Shengchun L, Yitai M, Jianhong C. Study on Regional SEER of Frequency Conversion Room Air Conditioner. Journal of Refrigeration.2005(2):47-50.

[17]  ASHRAE Standard 37-78. Method of testing for rating unitary air conditioning and heat pump equipment.1978.

[18]  ·Mitsubishi Heavy Industries, Technical maintenance handbook of KX2 series of MAU.

[19]  GB/T 17758-1999, 单元式空气调节机[S]. 1999

作者简介：陈焕新， 1964.5，男，教授，华中科技大学能源与动力工程学院，430074，13072773246，E-mail：chenhuanxin@tsinghua.org.cn。基金项目：中国制冷空调工业协会（多联机的适应性研究）

省部产学研合作项目：过冷式多模态冰蓄冷VRV多联节能空调机（2006D90304023）