編者按：為擴(kuò)大讀者視野，開(kāi)拓思路，《地源熱泵》雜志特地編譯部分國(guó)外GSHP領(lǐng)域的最新研究成果，以期對(duì)國(guó)內(nèi)同仁有所裨益，促進(jìn)我國(guó)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(duì)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(shù)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(jìng)爭(zhēng)力的兩種技術(shù)。然而，幾乎沒(méi)有已出版的文獻(xiàn)對(duì)這兩種系統(tǒng)的能效進(jìn)行對(duì)比。本文就此問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究，并得到了初步的結(jié)果：當(dāng)用于小的辦公建筑時(shí)，GSHP系統(tǒng)比VRF系統(tǒng)節(jié)省36%的電能。
引言
對(duì)高能效建筑的青睞帶給暖通空調(diào)制冷（HVAC&R）行業(yè)巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，許多暖通空調(diào)制冷技術(shù)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(jìng)爭(zhēng)力的兩種技術(shù)。他們具有許多相似的優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)計(jì)安裝的靈活性、末端可獨(dú)立控制、極具節(jié)能潛力。相對(duì)于地源熱泵系統(tǒng)在美國(guó)幾十年的應(yīng)用歷史，VRF系統(tǒng)是近年來(lái)才引入美國(guó)的，對(duì)暖通空調(diào)從業(yè)者而言,還是一個(gè)相對(duì)新鮮的事物。
VRF系統(tǒng)是應(yīng)用于住宅項(xiàng)目的“多聯(lián)分體機(jī)”系統(tǒng)的一個(gè)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(jī)連續(xù)地調(diào)節(jié)制冷劑流量，以調(diào)整輸出的制冷/制熱量。在VRF系統(tǒng)中，一臺(tái)室外機(jī)可以與整個(gè)建筑內(nèi)的多臺(tái)不同規(guī)格和配置的室內(nèi)機(jī)連接。該系統(tǒng)的典型配置為一組或多組集中式的室外機(jī)，每組室外機(jī)內(nèi)部包含兩臺(tái)以上空冷式的變速壓縮機(jī)。室內(nèi)機(jī)包含電子膨脹閥，直接蒸發(fā)式盤(pán)管及風(fēng)扇。室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)之間通過(guò)相對(duì)較長(zhǎng)的制冷劑管路連接，并要求復(fù)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(duì)建筑物內(nèi)的不同區(qū)域同時(shí)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(jī)及風(fēng)機(jī)；可從周?chē)諝庵屑橙∶赓M(fèi)的熱量供給末端；在需要同時(shí)供冷和供熱的場(chǎng)合回收熱量。但其自身的一些特點(diǎn)也可能導(dǎo)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(shí)一般要對(duì)室外機(jī)換熱器進(jìn)行除霜操作；二，較長(zhǎng)的制冷劑管路可能導(dǎo)致較大的冷熱損失，因而增加了壓縮機(jī)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(jī)，與傳統(tǒng)的整體式空氣源熱泵相比，這個(gè)環(huán)節(jié)又消耗了額外的電能。
當(dāng)前，幾乎沒(méi)有已出版的文獻(xiàn)對(duì)這兩種系統(tǒng)的能效進(jìn)行對(duì)比,也沒(méi)有美國(guó)空調(diào)與制冷學(xué)會(huì)（ARI）認(rèn)證的適用于VRF的評(píng)價(jià)體系。而且，目前還不能利用免費(fèi)的建筑能耗模擬工具（諸如廣泛用于對(duì)多種HVAC系統(tǒng)進(jìn)行能效比較的Energy Plus或DOE-2）為VRF系統(tǒng)建模；不過(guò)，Trace 700和Energy Pro等收費(fèi)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(cè)同一地點(diǎn)分別使用這兩種系統(tǒng)的兩棟相同建筑。然而據(jù)筆者所知，這樣監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)目前還不實(shí)用。使用可靠的軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，也許是對(duì)這兩種系統(tǒng)的能效進(jìn)行定量比較的唯一途徑。本文采用基于模擬的方法對(duì)這兩種系統(tǒng)的能效進(jìn)行了比較，以下內(nèi)容介紹了算法、模擬工具、性能數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果。
基于模擬的VRF 和GSHP系統(tǒng)比較
有關(guān)這兩種系統(tǒng)能效的比較結(jié)果不但與技術(shù)本身的差異有關(guān)，也與其他多種因素有關(guān)，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(diào)面積360平米的小型辦公建筑為研究對(duì)象。如圖1所示，該單層辦公建筑有四個(gè)周邊區(qū)域（每個(gè)方向各一個(gè)，進(jìn)深4米）及一個(gè)核心區(qū)。建筑內(nèi)不同的區(qū)域具有同時(shí)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(guó)熱、溫、冷3個(gè)氣候區(qū)的代表性城市。
分別針對(duì)每一個(gè)地區(qū)的、采用相應(yīng)主流廠家生產(chǎn)的熱回收型VRF系統(tǒng)及豎直埋管換熱器（VGLHE）的單級(jí)（分散式）GSHP系統(tǒng)的相同建筑進(jìn)行模擬。系統(tǒng)皆采用R410a制冷劑，名義制冷\制熱能力和相應(yīng)的能效系數(shù)（COP）、室外條件等詳見(jiàn)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(jìn)入GSHP機(jī)組的地源側(cè)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(cè)定條件不同，另一方面是所選擇的GSHP機(jī)組可以滿(mǎn)足制冷/制熱需求，因此無(wú)需輔助加熱，但VRF系統(tǒng)需要電加熱器來(lái)輔助加熱。
注：
分別針對(duì)每一個(gè)地區(qū)的、采用相應(yīng)主流廠家生產(chǎn)的熱回收型VRF系統(tǒng)及豎直埋管換熱器（VGLHE）的單級(jí)（分散式）GSHP系統(tǒng)的相同建筑進(jìn)行模擬。系統(tǒng)皆采用R410a制冷劑，名義制冷\制熱能力和相應(yīng)的能效系數(shù)（COP）、室外條件等詳見(jiàn)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(jìn)入GSHP機(jī)組的地源側(cè)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(cè)定條件不同，另一方面是所選擇的GSHP機(jī)組可以滿(mǎn)足制冷/制熱需求，因此無(wú)需輔助加熱，但VRF系統(tǒng)需要電加熱器來(lái)輔助加熱。
注：
對(duì)于VRF系統(tǒng)，根據(jù)廠家提供的性能數(shù)據(jù)，制冷能力及其COP是在室外干球溫度33℃的條件下測(cè)得的；制熱能力及其COP是在室外濕球溫度3℃的條件下測(cè)得的。
室外空氣溫度來(lái)源于模擬所用的TMY2氣象數(shù)據(jù)。
對(duì)于GSHP機(jī)組，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(ARI/ASHRAE/ISO 13256-1)，制冷能力及其COP是在EFT=25℃的條件下測(cè)得的；制熱能力及其COP是在EFT=0℃的條件下測(cè)得的。EFT來(lái)源于eQUEST（在模擬過(guò)程中）對(duì)GSHP系統(tǒng)模擬所得的數(shù)據(jù)。
模擬過(guò)程中，假定室內(nèi)有人時(shí)室外新風(fēng)直接進(jìn)入室內(nèi)、GSHP和VRF系統(tǒng)的室內(nèi)機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，使空氣循環(huán)。假設(shè)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(duì)其能效的影響，對(duì)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(chǎn)品樣本給出的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(zhǎng)度）。
模擬工具
在現(xiàn)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(rèn)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(wú)法直接模擬VRF系統(tǒng)，因此針對(duì)DOE-2.1E，以水環(huán)熱泵的模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了一套后處理程序來(lái)計(jì)算VRF系統(tǒng)的制冷、制熱及風(fēng)扇能耗。VRF制造商對(duì)此予以了支持，并為Energy Pro的運(yùn)用而提供了VRF系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)/曲線(xiàn)。
針對(duì)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(dāng)前版本的eQUEST/DOE-2.2中，一種基于被廣泛認(rèn)可的g-函數(shù)算法的模型，已經(jīng)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(jī)組性能數(shù)據(jù)來(lái)自主要的GSHP制造商。
性能曲線(xiàn)
在不同運(yùn)行工況下的VRF系統(tǒng)和GSHP機(jī)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(shù)相關(guān)聯(lián)，此過(guò)程需要使用一組以數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)曲線(xiàn)形式表達(dá)的修正系數(shù)。主要的設(shè)備廠家可提供數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)，但不同的廠家數(shù)據(jù)會(huì)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(duì)應(yīng)的制冷/制熱能力及效率曲線(xiàn)。制冷能力及其效率曲線(xiàn)的測(cè)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(xiàn)的測(cè)定條件統(tǒng)一為3℃（室外濕球溫度，OWBT）。
有兩種性能曲線(xiàn)用于表征制熱能力。第一種說(shuō)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(xiàn)所示，當(dāng)室外濕球溫度降至最低允許值-18℃時(shí)，VRF系統(tǒng)的制熱能力幾乎是線(xiàn)性地降至名義制熱工況時(shí)的一半。當(dāng)室外濕球溫度低于5℃時(shí)，除霜操作進(jìn)一步降低了制熱能力。另一方面，VRF系統(tǒng)的制冷能力對(duì)室外干球溫度并不敏感，當(dāng)ODBT在參考值（33℃）的±10℃以?xún)?nèi)變化時(shí)，制冷能力的變化僅為名義工況時(shí)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(jiǎn)寫(xiě)為“EIR”（見(jiàn)圖2b）。如圖所示，VRF系統(tǒng)制熱時(shí)的EIR在OWBT=3℃時(shí)出現(xiàn)峰值，此時(shí)的除霜操作會(huì)對(duì)制熱能力產(chǎn)生很大的負(fù)面作用（見(jiàn)圖2a）。對(duì)于制冷工況來(lái)說(shuō)，性能曲線(xiàn)顯示EIR和ODBT之間也存在近似線(xiàn)性的關(guān)系。當(dāng)ODBT仍在參考值（33℃）的±10℃以?xún)?nèi)變化時(shí)，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(jī)組隨不同的EFT而變化的制冷/制熱能力及EIR曲線(xiàn)。根據(jù)前述的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，表征制冷能力及EIR的性能曲線(xiàn)是在EFT =25℃的標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)得的，表征制熱能力及EIR的性能曲線(xiàn)是在EFT=0℃的標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)得的。由圖3（a）和3（b）可知，隨著EFT的升高，機(jī)組的制熱能力也有所提高而電耗降低；制冷工況時(shí)則相反。因此，GSHP系統(tǒng)的實(shí)際性能與EFT密切相關(guān)，而后者又受制于當(dāng)?shù)貛r土溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、VGLHE的設(shè)計(jì)和安裝質(zhì)量、建筑負(fù)荷特性（冷負(fù)荷占優(yōu)還是熱負(fù)荷占優(yōu)）。
對(duì)制冷/制熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)變化著的建筑冷/熱負(fù)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(yīng)“部分負(fù)荷率（PLR）”的“部分負(fù)荷系數(shù)（PLF）”，前者是建筑冷/熱負(fù)荷與暖通空調(diào)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(fù)荷條件下的能效比理想（沒(méi)有循環(huán)損失的）單級(jí)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(jī)組的部分負(fù)荷性能。圖中的對(duì)角線(xiàn)代表了理想單級(jí)熱泵的性能。如圖4（a）所示，在制冷工況下，當(dāng)PLR大于0.4時(shí)，VRF系統(tǒng)的PLF值在對(duì)角線(xiàn)以下；但是制熱工況下的，PLF曲線(xiàn)略高于對(duì)角線(xiàn)。這表明在制冷工況下，VRF系統(tǒng)的能效比理想單級(jí)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(guān)。與此形成對(duì)比的是，被模擬的GSHP機(jī)組的部分負(fù)荷性能與理想系統(tǒng)非常接近,詳見(jiàn)圖4（b）。
與典型的整體式GSHP機(jī)組相比，VRF系統(tǒng)的制冷劑管路較長(zhǎng)，這樣一來(lái)不僅需要充注更多的制冷劑，而且導(dǎo)致冷熱量的損失及壓縮機(jī)功耗的增加。Energy Pro采用一組制造商提供的修正因子來(lái)表明管路長(zhǎng)度對(duì)VRF系統(tǒng)制冷/制熱能力的影響。然而，在對(duì)這種系統(tǒng)進(jìn)行模擬的過(guò)程中，針對(duì)制冷劑管路長(zhǎng)度增加所導(dǎo)致的壓縮機(jī)功耗的增加尚無(wú)修正方法。如圖5所示，制冷劑管路長(zhǎng)度對(duì)制冷制熱能力的影響較大?？雌饋?lái)制冷能力對(duì)此較為敏感，這表明在制冷模式下，進(jìn)入室內(nèi)機(jī)之前的部分制冷劑在管路輸送的過(guò)程中已經(jīng)蒸發(fā)。
雖然GSHP系統(tǒng)中沒(méi)有長(zhǎng)制冷劑管路，但其中卻有一個(gè)兩管制的水環(huán)路將豎直埋管換熱器（VGLHE）與建筑內(nèi)的多臺(tái)GSHP機(jī)組相連接。因此需要額外的水泵功耗以驅(qū)使循環(huán)水在水環(huán)路、VGLHE及所有GSHP機(jī)組中流動(dòng)。
室外氣溫（℃）
制冷工況時(shí)，為室外干球溫度；制熱工況時(shí)，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(xiàn)
室外氣溫(℃)
制冷工況時(shí)，為室外干球溫度；制熱工況時(shí)，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(xiàn)
進(jìn)入GSHP機(jī)組的地源側(cè)循環(huán)液溫度（EFT）（℃）
圖3（a） GSHP機(jī)組模型的制冷制熱量隨EFT變化的性能曲線(xiàn)
進(jìn)入GSHP機(jī)組的地源側(cè)循環(huán)液溫度（EFT）（℃）
圖3（b） GSHP機(jī)組模型的制冷制熱能效隨EFT變化的性能曲線(xiàn)
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室外氣溫
制冷工況時(shí)，為室外干球溫度；制熱工況時(shí)，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(xiàn)
部分負(fù)荷率
圖4（a）VRF系統(tǒng)模型的部分負(fù)荷性能
部分負(fù)荷率
圖4（b）GSHP機(jī)組模型的部分負(fù)荷性能
制冷劑管路長(zhǎng)度影響制冷量的修正系數(shù)
（高差=0ft，供冷率=1）
制冷劑管路長(zhǎng)度
圖5 制冷劑管路長(zhǎng)度對(duì)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(zhǎng)25英尺）；VRF-HP-25ft熱泵型VRF（制冷劑管長(zhǎng)25英尺）；VRF-HR-574ft熱回收型VRF（制冷劑管長(zhǎng)574英尺）
結(jié)果：
分別采用Energy Pro、eQUEST對(duì)VRF、GSHP系統(tǒng)進(jìn)行模擬。由于兩種程序的不同， （因此）計(jì)算所得的配置這兩種系統(tǒng)的建筑冷熱負(fù)荷有所不同。為了對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行公平的比較，將eQUEST算得的GSHP系統(tǒng)能耗進(jìn)行了調(diào)整，以解釋冷熱負(fù)荷之間的不同。由于在每個(gè)區(qū)域這兩種系統(tǒng)（所承擔(dān)）的循環(huán)風(fēng)量相同，假設(shè)（末端）風(fēng)機(jī)的性能相同，則兩種系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗相同。
表2總結(jié)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(jì)算結(jié)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(jié)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(duì)象而言區(qū)別不大。與制冷劑管長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)論和建議
采用建筑能源分析軟件和制造商提供的性能數(shù)據(jù)/曲線(xiàn)，本文對(duì)VRF與GSHP系統(tǒng)的能效做了初步比較。結(jié)果表明，對(duì)同一個(gè)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(gè)氣候區(qū)的地方‘為背景，與配置標(biāo)準(zhǔn)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(yù)料，與熱泵型和/或配置了更長(zhǎng)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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