編者按：為擴大讀者視野，開拓思路，《地源熱泵》雜志特地編譯部分國外GSHP領域的最新研究成果，以期對國內同仁有所裨益，促進我國地源熱泵行業(yè)向著更加節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。
VRF與GSHP系統(tǒng)的能效對比
【美】Xiaobing Liu 譯：《地源熱泵》雜志/楊文斐
如今，人們青睞于更高能效的建筑，許多技術因其顯著的能效而得以推廣。其中變制冷劑流量（VRF）系統(tǒng)和地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)大概是最具競爭力的兩種技術。然而，幾乎沒有已出版的文獻對這兩種系統(tǒng)的能效進行對比。本文就此問題進行了模擬研究，并得到了初步的結果：當用于小的辦公建筑時，GSHP系統(tǒng)比VRF系統(tǒng)節(jié)省36%的電能。
引言
對高能效建筑的青睞帶給暖通空調制冷（HVAC&R）行業(yè)巨大的挑戰(zhàn)和機遇，許多暖通空調制冷技術因其顯著的能效而得以推廣。其中變制冷劑流量（VRF）系統(tǒng)和地源熱泵（GSHP）系統(tǒng)大概是最具競爭力的兩種技術。他們具有許多相似的優(yōu)點，如設計安裝的靈活性、末端可獨立控制、極具節(jié)能潛力。相對于地源熱泵系統(tǒng)在美國幾十年的應用歷史，VRF系統(tǒng)是近年來才引入美國的，對暖通空調從業(yè)者而言,還是一個相對新鮮的事物。
VRF系統(tǒng)是應用于住宅項目的“多聯分體機”系統(tǒng)的一個分支。VRF與傳統(tǒng)HVAC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：前者利用變速壓縮機連續(xù)地調節(jié)制冷劑流量，以調整輸出的制冷/制熱量。在VRF系統(tǒng)中，一臺室外機可以與整個建筑內的多臺不同規(guī)格和配置的室內機連接。該系統(tǒng)的典型配置為一組或多組集中式的室外機，每組室外機內部包含兩臺以上空冷式的變速壓縮機。室內機包含電子膨脹閥，直接蒸發(fā)式盤管及風扇。室內機與室外機之間通過相對較長的制冷劑管路連接，并要求復雜的控制和制冷劑分配管理措施。VRF系統(tǒng)有兩種，一種為“熱泵”型——要么制冷，要么制熱；另一種為“熱回收”型，可對建筑物內的不同區(qū)域同時供冷和供熱。
VRF系統(tǒng)集成了多種能效措施，包括：變速壓縮機及風機；可從周圍空氣中汲取免費的熱量供給末端；在需要同時供冷和供熱的場合回收熱量。但其自身的一些特點也可能導致額外的能耗：一，與其他空氣源熱泵一樣，VRF系統(tǒng)在制熱模式時一般要對室外機換熱器進行除霜操作；二，較長的制冷劑管路可能導致較大的冷熱損失，因而增加了壓縮機能耗；三，一些VRF系統(tǒng)要求特殊的“回油”操作以使?jié)櫥头祷貕嚎s機，與傳統(tǒng)的整體式空氣源熱泵相比，這個環(huán)節(jié)又消耗了額外的電能。
當前，幾乎沒有已出版的文獻對這兩種系統(tǒng)的能效進行對比,也沒有美國空調與制冷學會（ARI）認證的適用于VRF的評價體系。而且，目前還不能利用免費的建筑能耗模擬工具（諸如廣泛用于對多種HVAC系統(tǒng)進行能效比較的Energy Plus或DOE-2）為VRF系統(tǒng)建模；不過，Trace 700和Energy Pro等收費軟件可以模擬VRF系統(tǒng)。
比較VRF 和GSHP系統(tǒng)能效的最好方法是：監(jiān)測同一地點分別使用這兩種系統(tǒng)的兩棟相同建筑。然而據筆者所知，這樣監(jiān)測所得的數據目前還不實用。使用可靠的軟件進行計算機模擬，也許是對這兩種系統(tǒng)的能效進行定量比較的唯一途徑。本文采用基于模擬的方法對這兩種系統(tǒng)的能效進行了比較，以下內容介紹了算法、模擬工具、性能數據及計算結果。
基于模擬的VRF 和GSHP系統(tǒng)比較
有關這兩種系統(tǒng)能效的比較結果不但與技術本身的差異有關，也與其他多種因素有關，但最重要的是建筑及其所處的地理位置因素。本文選用一棟空調面積360平米的小型辦公建筑為研究對象。如圖1所示，該單層辦公建筑有四個周邊區(qū)域（每個方向各一個，進深4米）及一個核心區(qū)。建筑內不同的區(qū)域具有同時供冷和供熱的潛在需求。選擇邁阿密、舊金山、芝加哥作為美國熱、溫、冷3個氣候區(qū)的代表性城市。
分別針對每一個地區(qū)的、采用相應主流廠家生產的熱回收型VRF系統(tǒng)及豎直埋管換熱器（VGLHE）的單級（分散式）GSHP系統(tǒng)的相同建筑進行模擬。系統(tǒng)皆采用R410a制冷劑，名義制冷\制熱能力和相應的能效系數（COP）、室外條件等詳見下表。影響VRF 和GSHP系統(tǒng)的外部條件分別為室外空氣條件及進入GSHP機組的地源側循環(huán)液溫度 (EFT) （℃）。所選擇的這兩種系統(tǒng)額定出力不同的主要原因有兩方面,一方面是由于額定出力的測定條件不同，另一方面是所選擇的GSHP機組可以滿足制冷/制熱需求，因此無需輔助加熱，但VRF系統(tǒng)需要電加熱器來輔助加熱。
注：
分別針對每一個地區(qū)的、采用相應主流廠家生產的熱回收型VRF系統(tǒng)及豎直埋管換熱器（VGLHE）的單級（分散式）GSHP系統(tǒng)的相同建筑進行模擬。系統(tǒng)皆采用R410a制冷劑，名義制冷\制熱能力和相應的能效系數（COP）、室外條件等詳見下表。影響VRF 和GSHP系統(tǒng)的外部條件分別為室外空氣條件及進入GSHP機組的地源側循環(huán)液溫度 (EFT) （℃）。所選擇的這兩種系統(tǒng)額定出力不同的主要原因有兩方面,一方面是由于額定出力的測定條件不同，另一方面是所選擇的GSHP機組可以滿足制冷/制熱需求，因此無需輔助加熱，但VRF系統(tǒng)需要電加熱器來輔助加熱。
注：
對于VRF系統(tǒng)，根據廠家提供的性能數據，制冷能力及其COP是在室外干球溫度33℃的條件下測得的；制熱能力及其COP是在室外濕球溫度3℃的條件下測得的。
室外空氣溫度來源于模擬所用的TMY2氣象數據。
對于GSHP機組，根據行業(yè)標準(ARI/ASHRAE/ISO 13256-1)，制冷能力及其COP是在EFT=25℃的條件下測得的；制熱能力及其COP是在EFT=0℃的條件下測得的。EFT來源于eQUEST（在模擬過程中）對GSHP系統(tǒng)模擬所得的數據。
模擬過程中，假定室內有人時室外新風直接進入室內、GSHP和VRF系統(tǒng)的室內機持續(xù)運轉，使空氣循環(huán)。假設GSHP系統(tǒng)使用變速泵。VRF系統(tǒng)未使用空氣節(jié)能器（空氣熱回收裝置）。
為研究VRF系統(tǒng)的不同配置對其能效的影響，對位于芝加哥的建筑模型增加了兩種模擬情景：制冷劑管路為25英尺(7.62 m)的VRF系統(tǒng)（產品樣本給出的標準長度）；制冷劑管路為574英尺(175 m) 的VRF系統(tǒng)（制造商允許的最大長度）。
模擬工具
在現有的模擬工具中，Energy Pro可能是唯一被主流VRF系統(tǒng)制造商所認可的，它是以DOE-2.1E作為仿真引擎的綜合能量分析程序。由于DOE-2無法直接模擬VRF系統(tǒng)，因此針對DOE-2.1E，以水環(huán)熱泵的模擬結果為基礎，開發(fā)了一套后處理程序來計算VRF系統(tǒng)的制冷、制熱及風扇能耗。VRF制造商對此予以了支持，并為Energy Pro的運用而提供了VRF系統(tǒng)的性能數據/曲線。
針對GSHP系統(tǒng)的模擬則使用了eQUEST—一種基于DOE-2.2（DOE-2的最新版本）的建筑能量分析程序。在當前版本的eQUEST/DOE-2.2中，一種基于被廣泛認可的g-函數算法的模型，已經被用于模擬垂直式地埋管換熱器的性能。eQUEST模擬中采用的GSHP機組性能數據來自主要的GSHP制造商。
性能曲線
在不同運行工況下的VRF系統(tǒng)和GSHP機組的性能（制冷/制熱能力及效率），可以與其在特定參考工況下的性能參數相關聯，此過程需要使用一組以數據表或數據曲線形式表達的修正系數。主要的設備廠家可提供數據及曲線，但不同的廠家數據會有所不同。
圖2（a）和2（b）給出了在不同的室外溫度下，被模擬的VRF系統(tǒng)所對應的制冷/制熱能力及效率曲線。制冷能力及其效率曲線的測定條件統(tǒng)一為33℃（室外干球溫度.ODBT）；制熱能力及其效率曲線的測定條件統(tǒng)一為3℃（室外濕球溫度，OWBT）。
有兩種性能曲線用于表征制熱能力。第一種說明了室外濕球溫度的影響，第二種代表了除霜的影響。如這些曲線所示，當室外濕球溫度降至最低允許值-18℃時，VRF系統(tǒng)的制熱能力幾乎是線性地降至名義制熱工況時的一半。當室外濕球溫度低于5℃時，除霜操作進一步降低了制熱能力。另一方面，VRF系統(tǒng)的制冷能力對室外干球溫度并不敏感，當ODBT在參考值（33℃）的±10℃以內變化時，制冷能力的變化僅為名義工況時的10%。
本文中的能效是指輸入的電量與制冷/制熱能力的比值，簡寫為“EIR”（見圖2b）。如圖所示，VRF系統(tǒng)制熱時的EIR在OWBT=3℃時出現峰值，此時的除霜操作會對制熱能力產生很大的負面作用（見圖2a）。對于制冷工況來說，性能曲線顯示EIR和ODBT之間也存在近似線性的關系。當ODBT仍在參考值（33℃）的±10℃以內變化時，制冷工況下的EIR變化量為名義值的20%。
圖3（a）和3（b）給出了被模擬的GSHP機組隨不同的EFT而變化的制冷/制熱能力及EIR曲線。根據前述的行業(yè)標準，表征制冷能力及EIR的性能曲線是在EFT =25℃的標準工況下測得的，表征制熱能力及EIR的性能曲線是在EFT=0℃的標準工況下測得的。由圖3（a）和3（b）可知，隨著EFT的升高，機組的制熱能力也有所提高而電耗降低；制冷工況時則相反。因此，GSHP系統(tǒng)的實際性能與EFT密切相關，而后者又受制于當地巖土溫度、導熱系數、VGLHE的設計和安裝質量、建筑負荷特性（冷負荷占優(yōu)還是熱負荷占優(yōu)）。
對制冷/制熱量進行調節(jié)，以適應變化著的建筑冷/熱負荷的能力也是影響VRF和GSHP系統(tǒng)能效的因素。這種能力通常表征為響應“部分負荷率（PLR）”的“部分負荷系數（PLF）”，前者是建筑冷/熱負荷與暖通空調系統(tǒng)的資用制冷/制熱能力的比值。若PLF比PLR小，則表明該系統(tǒng)在部分負荷條件下的能效比理想（沒有循環(huán)損失的）單級熱泵的能效高，反之亦然。
圖4（a）和4（b）給出了被模擬的VRF系統(tǒng)和GSHP機組的部分負荷性能。圖中的對角線代表了理想單級熱泵的性能。如圖4（a）所示，在制冷工況下，當PLR大于0.4時，VRF系統(tǒng)的PLF值在對角線以下；但是制熱工況下的，PLF曲線略高于對角線。這表明在制冷工況下，VRF系統(tǒng)的能效比理想單級熱泵的能效高。除霜操作與該系統(tǒng)在制熱工況下的較低能效有關。與此形成對比的是，被模擬的GSHP機組的部分負荷性能與理想系統(tǒng)非常接近,詳見圖4（b）。
與典型的整體式GSHP機組相比，VRF系統(tǒng)的制冷劑管路較長，這樣一來不僅需要充注更多的制冷劑，而且導致冷熱量的損失及壓縮機功耗的增加。Energy Pro采用一組制造商提供的修正因子來表明管路長度對VRF系統(tǒng)制冷/制熱能力的影響。然而，在對這種系統(tǒng)進行模擬的過程中，針對制冷劑管路長度增加所導致的壓縮機功耗的增加尚無修正方法。如圖5所示，制冷劑管路長度對制冷制熱能力的影響較大?？雌饋碇评淠芰Υ溯^為敏感，這表明在制冷模式下，進入室內機之前的部分制冷劑在管路輸送的過程中已經蒸發(fā)。
雖然GSHP系統(tǒng)中沒有長制冷劑管路，但其中卻有一個兩管制的水環(huán)路將豎直埋管換熱器（VGLHE）與建筑內的多臺GSHP機組相連接。因此需要額外的水泵功耗以驅使循環(huán)水在水環(huán)路、VGLHE及所有GSHP機組中流動。
室外氣溫（℃）
制冷工況時，為室外干球溫度；制熱工況時，為室外濕球溫度
圖2（a） VRF系統(tǒng)模型的制冷制熱量隨室外氣溫變化的性能曲線
室外氣溫(℃)
制冷工況時，為室外干球溫度；制熱工況時，為室外濕球溫度
圖2（b） VRF系統(tǒng)模型的制冷制熱能效隨室外氣溫變化的性能曲線
進入GSHP機組的地源側循環(huán)液溫度（EFT）（℃）
圖3（a） GSHP機組模型的制冷制熱量隨EFT變化的性能曲線
進入GSHP機組的地源側循環(huán)液溫度（EFT）（℃）
圖3（b） GSHP機組模型的制冷制熱能效隨EFT變化的性能曲線
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室外氣溫
制冷工況時，為室外干球溫度；制熱工況時，為室外濕球溫度
圖2（b） VRF系統(tǒng)模型的制冷制熱能效隨室外氣溫變化的性能曲線
部分負荷率
圖4（a）VRF系統(tǒng)模型的部分負荷性能
部分負荷率
圖4（b）GSHP機組模型的部分負荷性能
制冷劑管路長度影響制冷量的修正系數
（高差=0ft，供冷率=1）
制冷劑管路長度
圖5 制冷劑管路長度對VRF系統(tǒng)模型制冷制熱量的影響
圖6 VRF及GSHP系統(tǒng)的年耗電量
GLHP-地源熱泵；VRF-HR-25ft；熱回收型VRF（制冷劑管長25英尺）；VRF-HP-25ft熱泵型VRF（制冷劑管長25英尺）；VRF-HR-574ft熱回收型VRF（制冷劑管長574英尺）
結果：
分別采用Energy Pro、eQUEST對VRF、GSHP系統(tǒng)進行模擬。由于兩種程序的不同， （因此）計算所得的配置這兩種系統(tǒng)的建筑冷熱負荷有所不同。為了對這兩種系統(tǒng)進行公平的比較，將eQUEST算得的GSHP系統(tǒng)能耗進行了調整，以解釋冷熱負荷之間的不同。由于在每個區(qū)域這兩種系統(tǒng)（所承擔）的循環(huán)風量相同，假設（末端）風機的性能相同，則兩種系統(tǒng)的風機能耗相同。
表2總結了各模擬地區(qū)的熱回收型VRF及GSHP系統(tǒng)的年總耗電量。與邁阿密、舊金山和芝加哥地區(qū)的VRF系統(tǒng)相比，GSHP系統(tǒng)分別節(jié)省14%、17%和29%的電量。計算結果清楚地顯示，節(jié)電量隨需熱量的增大而增大。三地的GSHP系統(tǒng)都比VRF系統(tǒng)的能效高，在冷熱量需求大的地方（如芝加哥），其效果更佳。
圖6顯示了芝加哥地區(qū)的GSHP系統(tǒng)與3種（不同）配置的VRF系統(tǒng)的比較結果。熱泵型的VRF系統(tǒng)比熱回收型的耗電量大，但就本文所研究的對象而言區(qū)別不大。與制冷劑管長25英尺（7.62m）的熱泵型VRF系統(tǒng)相比，GSHP系統(tǒng)的節(jié)電量增加了2%；與制冷劑管長574英尺（175m）的熱回收型VRF系統(tǒng)相比，節(jié)電量增加到了36%。
結論和建議
采用建筑能源分析軟件和制造商提供的性能數據/曲線，本文對VRF與GSHP系統(tǒng)的能效做了初步比較。結果表明，對同一個小型辦公建筑而言，GSHP系統(tǒng)較為節(jié)能。以代表熱、溫、冷3個氣候區(qū)的地方‘為背景，與配置標準制冷劑管路的熱回收型VRF系統(tǒng)相比，GSHP系統(tǒng)可以節(jié)省14-29%的電能?？梢灶A料，與熱泵型和/或配置了更長的制冷劑管路的VRF系統(tǒng)相比，GSHP系統(tǒng)更節(jié)能。
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