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【摘 要】随着我国城市化程度的推进和经济的发展，中国建筑能耗总量呈持续增长姿态，并且增长速度逐渐增快。空调系统节能主要从被动和主动两方面进行。被动是通过增强建筑外围护结构材料热物理特性来减少建筑冷热负荷；主动是使用节能运行或管理方式，提高空调系统能源利用率。新型的外围护结构和保温隔热材料是被动节能；地热、太阳能与风冷等可再生能源的利用是主动节能。多联机以变制冷剂流量为特征，将多台室内机连接到一台室外机的直接蒸发制冷的直冷式空调系统。其主要构成为室外机、室内机和冷媒管道等。操作方便、灵活，通常使用智能控制技术，系统有更宽广的室外机运转范围，能灵活应对各种恶劣室外环境，具有灵活配管技术，对新建筑的施工和既有建筑空调系统的改造更自由。特别适用于室内温度需求不同、控制独立、分户计量、分期投资等具有个性化要求的建筑中。
【关键词】土壤源水冷多联机；系统；特性研究
《国务院关于加强节能工作的决定》于2006年出台，规定所有的公共建筑，包括社会团体、国家机关、企事业与个体工商户，除特殊用途，夏季制冷空调设定温度不得低于26℃，冬季制热室内空调设定温度不得高于20℃。因此部分仿真的室内温度定为26℃进行研究。
运行土壤源水冷多联机仿真程序，本文仅对土壤源水冷多联机夏季制冷工况进行模拟研究。
土壤源水冷多联机运行模拟的主要输入参数有土壤物性、回填土物性、管材物性、冷却水流量、室内干球温度、室内湿球温度、送风参数等。
一、频率变化分析
土壤源水冷多联机系统运行中因供电频率的变化引起压缩机转速的变化，进而影响压缩机状态参数，导致系统制冷量、压缩机功耗等参数的变化。因此压缩机频率变化影响整个系统运行。
图1～图7分别为开机运行150h，系统供电频率不同时，系统COP，制冷量、输入功率、蒸发温度、冷凝温度、地下埋管换热器出水温度以及冷凝器出水温度变化曲线，其他计算条件冷却水流量l.5kg/s、室内设计干球温度26℃、湿球温度20℃。
图1 COP逐时变化曲线
图2制冷量逐时变化曲线
图3 输入功率逐时变化曲线
由图1～图3可知，系统运行稳定时，频率为30Hz，50Hz，80Hz时机组COP值分别为6.54，5.87，4.83，制冷量分别为10.74KW，15.56KW，17.91KW，输入功率分别为1.65KW，2.66KW，3.72KW。供电频率增加时，系统制冷量和输入功率也逐渐增大，COP值逐渐减小，蒸发温度减小，冷凝温度增大，系统制冷量增大。
同时由机组COP的定义可知，COP由制冷量和输入功率共同决定，虽然制冷量和输入功率都随频率的上升而逐渐增加，但是相比制冷量，输入功率变化趋势较大，反应到COP值上，则为COP随着供电频率的增加而逐渐降低。
这就是变频多联机的变频控制原理，即控制变频多联机在低频工作获得较大的机组COP和较小制冷量，在高频工作获得较大制冷量。
同时由图1～图3可知，输入功率随着时间的增加逐渐上升，COP值与制冷量随着时间的增加而逐渐下降，这是因为随着系统运行时间增加，地下埋管换热器内壁温度逐渐上升，导致地下埋管出水温度升高，冷凝温度上升，输入功率随之增加。
在系统开启初期，输入功率、制冷量、COP值均有较大变化。出现该现象的原因是流体在地下埋管换热器内流动时，管壁与土壤主要通过热传导方式传递热量，而土壤初始温度较低，土壤具有热堆积效应，在系统运行时聚集在地下埋管换热器附近的热量逐渐增多，因此地下埋管换热器的出水温度越来越大，且变化趋势在初期较为明显，从而使得蒸发温度、冷凝温度有较大的变化，进而使得输入功率、制冷量、COP值也具有较大的变化。系统运行约120小时后各项参数趋于平稳，系统在开启初期具有较好性能。
图4 冷凝温度逐时变化曲线
图5 蒸发温度逐时变化曲线
图4与图5为冷凝温度和蒸发温度逐时变化曲线，由图可知，随着供电频率的增加，系统冷凝温度逐渐升高，蒸发温度逐渐降低。
冷凝温度增大是因为当供电频率增加时，压缩机工作速度增大，单位时间内制冷剂流量增大，进入冷凝器的制冷剂蒸气增多，使得冷凝器中冷凝压力增大，冷凝温度相应升高。
对于蒸发温度，因供电频率增大压缩机吸气速度增加，蒸发压力下降，从而使得蒸发温度降低。
同时由图4与图5可知，随着时间的增加，冷凝温度和蒸发温度均逐渐上升，冷凝温度逐时变化幅度较大，蒸发温度逐时变化幅度较小，这是因为冷凝温度受地下埋管换热器出水温度的影响，流体在地下埋管换热器内流动，因土壤的热堆积效应，随着时间的增加聚集在地下埋管换热器附近的热量逐渐增多，因此地下埋管换热器的出水温度越来越高，且在初期变化趋势较为明显，从而使冷凝温度有较大的变化。
图6 地埋管出水温度逐时变化曲线
图7 冷凝器出水温度逐时变化曲线
图4.6和图4.7为地埋管出水温度逐时变化曲线和冷凝器出水温度逐时变化曲线，因地下埋管换热器与系统主机的稱合关系，地下埋管换热器出水温度即为冷凝器进水温度，冷凝器出水温度即为地下埋管换热器进水温度。
由图可知，随着供电频率的增加，地下埋管换热器出水温度与冷凝器出水温度均逐渐上升，系统冷却水温度整体升高。
这是因为供电频率升高时，系统制冷量逐渐增大，通过地下埋管换热器排除的热量增多，因此系统冷却水温度逐渐升高。
同时由图4.6和图4.7可知，随着时间的增加，地下理管换热器的出水温度和冷凝器的出水温度逐渐增加，这是由于土壤的热堆积效应，使得聚集在地埋管附近的热量不断增多，导致冷却水温度随着升高，且在开机运行前20个小时变化较为明显。
二、机组回风变化分析 土壤源水冷多联机系统运行时，两个房间室内机同时开启，改变室内干球温度，图8～12分别为系统机运行150h，系统COP、制冷量、输入功率、冷凝温度、蒸发温度、地下埋管换热器出水温度以及冷凝器出水温度的逐时变化曲线，其它计算参数为冷却水流量为1.5kg/s、室内湿球温度为20℃、频率50Hz。
图8 COP逐时变化曲线
图9 制冷量逐时变化曲线
图10 输入功率逐时变化曲线
由图8～图10可知，当室内干球温度上升时，系统COP、制冷量、输入功率均升高，这是由于当室内干球温度上升时，空气侧平均温度增加，根据空气侧换热方程可知换热量将增大，使得蒸发温度升高，系统制冷量在一定程度上有效增加。并且因为制冷的增大，冷凝器的排热量也有效增加，在冷却水流量不发生变化时，系统的冷凝器出水温度以及冷凝温度都有效上升，这就是倡导夏季温度不能太低的主要原因。
同时有图可知，系统的COP值和制冷量随着时间的有效增加其不断减小，输入功率也随着时间的增加不断上升，系统在运行大约120h后逐渐稳定。这主要是由于冷却水在地下埋管换热器内流动，管壁和土壤主要还是利用热传导的方式进行热量的传递，土壤开始的温度比较低并且还存在热堆效应，系统在运行中在埋管的附近将热量逐渐堆积，导致土壤的温度上升，埋管的出水温度也在升高，在其初期出现比较明显的变化，所以，冷凝器的温度不断升高，其在初期的输入功率以及制冷量和COP均会产生很大的变化。
图11 冷凝温度逐时变化曲线
图12 蒸发温度逐时变化曲线
图11和图12为蒸发温度和冷凝温度逐时变化曲线，由图可知，蒸发温度受室内干球温度的影响较大，在室内干球温度提高2℃时，蒸发温度提高幅度也近2℃，因此室内温度通过影响蒸发温度进而影响整个系统运行。
三、室内机开启数量变化分析
土壤源水冷多联机系统运行时，室内机开启数量不同，会导致系统参数变化。图13～图16是系统开机运行150h，开启单个房间室内机或两个房间室内机同时开启。两种工况下，系统COP、制冷量、输入功率、地下埋管换热器出水温度的逐时变化曲线，其他计算参数如冷却水流量为1.5kg/s、室内干球温度26℃、室内湿球温度20℃、频率50Hz。
图13 COP逐时变化曲线
图14 制冷量逐时变化曲线
图15 输入功率逐时变化曲线
由图13～15可知，室内机开启台数增加时，系统COP、制冷量和输入功率均增大，制冷量和COP的增大幅度较大，输入功率增大幅度较小。
这是因为室内机开启数-量减小时，制冷剂流量减少，蒸发压力和冷凝压力降低，进而蒸发温度和冷凝温度降低。
图16 地埋管出水温度逐时变化曲线
由图16可知，当房间室内机开启数量减小时，地下埋管换热器出水温度降低，这是因为室内机数量减少时，系统制冷量减小，因此地埋管排热量减少，聚集在地埋管附近的热量相对减少，因此地埋管出水温度相对较低。
结语
本文分别对土壤源水冷多联机系统的频率、流量、房间设定值进行了讨论。结果显示，土壤源水冷多联机系统连续运行，提高系统频率时，制冷量和输入功率增加，COP降低。
降低室内温度时，输入功率、制冷量和COP降低；开机台数减少时，制冷量、输入功率和COP降低；循环水流量对系统COP、制冷量和输入功率的影响较小，但随着循环水流量的增加，进出口流体温差越来越小，单位管长换热量随流量增加呈现先增加后减小的趋势，进而认为存在最佳
流量。
系统运行时，随着时间的延长，系统的能效比逐渐降低，系统在运行120小时后，土壤源水冷多联机系统趋于平稳，系统在开启初期具有较高的能效比。
参考文献
[1]林博.土壤源水冷多联机系统全年运行特性研究[D].青岛理工大学，2012.
[2]宋伟.水冷多联机系统特性的仿真研究[D].青岛理工大学，2010.
[3]胡松涛，宋伟，李绪泉.水冷多联机系统控制策略的研究[A].山东土木建筑学会建筑热能动力专业委员会.山东土木建筑学会热能动力专业委员会第13届学术交流会论文集[C].山东土木建筑学会建筑热能动力专业委员会：，2010：5.
【关键词】土壤源水冷多联机；系统；特性研究
《国务院关于加强节能工作的决定》于2006年出台，规定所有的公共建筑，包括社会团体、国家机关、企事业与个体工商户，除特殊用途，夏季制冷空调设定温度不得低于26℃，冬季制热室内空调设定温度不得高于20℃。因此部分仿真的室内温度定为26℃进行研究。
运行土壤源水冷多联机仿真程序，本文仅对土壤源水冷多联机夏季制冷工况进行模拟研究。
土壤源水冷多联机运行模拟的主要输入参数有土壤物性、回填土物性、管材物性、冷却水流量、室内干球温度、室内湿球温度、送风参数等。
一、频率变化分析
土壤源水冷多联机系统运行中因供电频率的变化引起压缩机转速的变化，进而影响压缩机状态参数，导致系统制冷量、压缩机功耗等参数的变化。因此压缩机频率变化影响整个系统运行。
图1～图7分别为开机运行150h，系统供电频率不同时，系统COP，制冷量、输入功率、蒸发温度、冷凝温度、地下埋管换热器出水温度以及冷凝器出水温度变化曲线，其他计算条件冷却水流量l.5kg/s、室内设计干球温度26℃、湿球温度20℃。
图1 COP逐时变化曲线
图2制冷量逐时变化曲线
图3 输入功率逐时变化曲线
由图1～图3可知，系统运行稳定时，频率为30Hz，50Hz，80Hz时机组COP值分别为6.54，5.87，4.83，制冷量分别为10.74KW，15.56KW，17.91KW，输入功率分别为1.65KW，2.66KW，3.72KW。供电频率增加时，系统制冷量和输入功率也逐渐增大，COP值逐渐减小，蒸发温度减小，冷凝温度增大，系统制冷量增大。
同时由机组COP的定义可知，COP由制冷量和输入功率共同决定，虽然制冷量和输入功率都随频率的上升而逐渐增加，但是相比制冷量，输入功率变化趋势较大，反应到COP值上，则为COP随着供电频率的增加而逐渐降低。
这就是变频多联机的变频控制原理，即控制变频多联机在低频工作获得较大的机组COP和较小制冷量，在高频工作获得较大制冷量。
同时由图1～图3可知，输入功率随着时间的增加逐渐上升，COP值与制冷量随着时间的增加而逐渐下降，这是因为随着系统运行时间增加，地下埋管换热器内壁温度逐渐上升，导致地下埋管出水温度升高，冷凝温度上升，输入功率随之增加。
在系统开启初期，输入功率、制冷量、COP值均有较大变化。出现该现象的原因是流体在地下埋管换热器内流动时，管壁与土壤主要通过热传导方式传递热量，而土壤初始温度较低，土壤具有热堆积效应，在系统运行时聚集在地下埋管换热器附近的热量逐渐增多，因此地下埋管换热器的出水温度越来越大，且变化趋势在初期较为明显，从而使得蒸发温度、冷凝温度有较大的变化，进而使得输入功率、制冷量、COP值也具有较大的变化。系统运行约120小时后各项参数趋于平稳，系统在开启初期具有较好性能。
图4 冷凝温度逐时变化曲线
图5 蒸发温度逐时变化曲线
图4与图5为冷凝温度和蒸发温度逐时变化曲线，由图可知，随着供电频率的增加，系统冷凝温度逐渐升高，蒸发温度逐渐降低。
冷凝温度增大是因为当供电频率增加时，压缩机工作速度增大，单位时间内制冷剂流量增大，进入冷凝器的制冷剂蒸气增多，使得冷凝器中冷凝压力增大，冷凝温度相应升高。
对于蒸发温度，因供电频率增大压缩机吸气速度增加，蒸发压力下降，从而使得蒸发温度降低。
同时由图4与图5可知，随着时间的增加，冷凝温度和蒸发温度均逐渐上升，冷凝温度逐时变化幅度较大，蒸发温度逐时变化幅度较小，这是因为冷凝温度受地下埋管换热器出水温度的影响，流体在地下埋管换热器内流动，因土壤的热堆积效应，随着时间的增加聚集在地下埋管换热器附近的热量逐渐增多，因此地下埋管换热器的出水温度越来越高，且在初期变化趋势较为明显，从而使冷凝温度有较大的变化。
图6 地埋管出水温度逐时变化曲线
图7 冷凝器出水温度逐时变化曲线
图4.6和图4.7为地埋管出水温度逐时变化曲线和冷凝器出水温度逐时变化曲线，因地下埋管换热器与系统主机的稱合关系，地下埋管换热器出水温度即为冷凝器进水温度，冷凝器出水温度即为地下埋管换热器进水温度。
由图可知，随着供电频率的增加，地下埋管换热器出水温度与冷凝器出水温度均逐渐上升，系统冷却水温度整体升高。
这是因为供电频率升高时，系统制冷量逐渐增大，通过地下埋管换热器排除的热量增多，因此系统冷却水温度逐渐升高。
同时由图4.6和图4.7可知，随着时间的增加，地下理管换热器的出水温度和冷凝器的出水温度逐渐增加，这是由于土壤的热堆积效应，使得聚集在地埋管附近的热量不断增多，导致冷却水温度随着升高，且在开机运行前20个小时变化较为明显。
二、机组回风变化分析 土壤源水冷多联机系统运行时，两个房间室内机同时开启，改变室内干球温度，图8～12分别为系统机运行150h，系统COP、制冷量、输入功率、冷凝温度、蒸发温度、地下埋管换热器出水温度以及冷凝器出水温度的逐时变化曲线，其它计算参数为冷却水流量为1.5kg/s、室内湿球温度为20℃、频率50Hz。
图8 COP逐时变化曲线
图9 制冷量逐时变化曲线
图10 输入功率逐时变化曲线
由图8～图10可知，当室内干球温度上升时，系统COP、制冷量、输入功率均升高，这是由于当室内干球温度上升时，空气侧平均温度增加，根据空气侧换热方程可知换热量将增大，使得蒸发温度升高，系统制冷量在一定程度上有效增加。并且因为制冷的增大，冷凝器的排热量也有效增加，在冷却水流量不发生变化时，系统的冷凝器出水温度以及冷凝温度都有效上升，这就是倡导夏季温度不能太低的主要原因。
同时有图可知，系统的COP值和制冷量随着时间的有效增加其不断减小，输入功率也随着时间的增加不断上升，系统在运行大约120h后逐渐稳定。这主要是由于冷却水在地下埋管换热器内流动，管壁和土壤主要还是利用热传导的方式进行热量的传递，土壤开始的温度比较低并且还存在热堆效应，系统在运行中在埋管的附近将热量逐渐堆积，导致土壤的温度上升，埋管的出水温度也在升高，在其初期出现比较明显的变化，所以，冷凝器的温度不断升高，其在初期的输入功率以及制冷量和COP均会产生很大的变化。
图11 冷凝温度逐时变化曲线
图12 蒸发温度逐时变化曲线
图11和图12为蒸发温度和冷凝温度逐时变化曲线，由图可知，蒸发温度受室内干球温度的影响较大，在室内干球温度提高2℃时，蒸发温度提高幅度也近2℃，因此室内温度通过影响蒸发温度进而影响整个系统运行。
三、室内机开启数量变化分析
土壤源水冷多联机系统运行时，室内机开启数量不同，会导致系统参数变化。图13～图16是系统开机运行150h，开启单个房间室内机或两个房间室内机同时开启。两种工况下，系统COP、制冷量、输入功率、地下埋管换热器出水温度的逐时变化曲线，其他计算参数如冷却水流量为1.5kg/s、室内干球温度26℃、室内湿球温度20℃、频率50Hz。
图13 COP逐时变化曲线
图14 制冷量逐时变化曲线
图15 输入功率逐时变化曲线
由图13～15可知，室内机开启台数增加时，系统COP、制冷量和输入功率均增大，制冷量和COP的增大幅度较大，输入功率增大幅度较小。
这是因为室内机开启数-量减小时，制冷剂流量减少，蒸发压力和冷凝压力降低，进而蒸发温度和冷凝温度降低。
图16 地埋管出水温度逐时变化曲线
由图16可知，当房间室内机开启数量减小时，地下埋管换热器出水温度降低，这是因为室内机数量减少时，系统制冷量减小，因此地埋管排热量减少，聚集在地埋管附近的热量相对减少，因此地埋管出水温度相对较低。
结语
本文分别对土壤源水冷多联机系统的频率、流量、房间设定值进行了讨论。结果显示，土壤源水冷多联机系统连续运行，提高系统频率时，制冷量和输入功率增加，COP降低。
降低室内温度时，输入功率、制冷量和COP降低；开机台数减少时，制冷量、输入功率和COP降低；循环水流量对系统COP、制冷量和输入功率的影响较小，但随着循环水流量的增加，进出口流体温差越来越小，单位管长换热量随流量增加呈现先增加后减小的趋势，进而认为存在最佳
流量。
系统运行时，随着时间的延长，系统的能效比逐渐降低，系统在运行120小时后，土壤源水冷多联机系统趋于平稳，系统在开启初期具有较高的能效比。
参考文献
[1]林博.土壤源水冷多联机系统全年运行特性研究[D].青岛理工大学，2012.
[2]宋伟.水冷多联机系统特性的仿真研究[D].青岛理工大学，2010.
[3]胡松涛，宋伟，李绪泉.水冷多联机系统控制策略的研究[A].山东土木建筑学会建筑热能动力专业委员会.山东土木建筑学会热能动力专业委员会第13届学术交流会论文集[C].山东土木建筑学会建筑热能动力专业委员会：，2010：5.