《GB T 18837-2002多联式空调(热泵)机组》标准中IPLV问题探讨.doc

《GB/T 18837-2002多联式空调（热泵）机组》标准中IPLV问题分析探讨
冯玉伟1，2 张旭2
（1机械工业第四设计研究院 洛阳 471039，2同济大学 机械工程学院 上海 200092）
摘要 GB/T 18837-2002多联式空调（热泵）机组》中针对多联式空调（热泵）机组部分负荷能耗效能的评价参数指标IPLV的标定计算作了明确的规定，但是针对多联式空调系统有别于单台冷水机组运行特性和能效的特性，决定了IPLV的标定计算忽略了室内机作为机组系统的一部分而对系统负荷率及能效变化所构成的影响。提出多联式空调系统IPLV的计算公式理应在综合分析研究机组运行工况、系统开机率、室内机负荷均匀度、部分负荷率及对应负荷率下机组的能效比这些影响因素而综合定义给出。
关键词 多联式空调机组；IPLV；开机率；部分负荷率
The analyzing and discussing of the index IPLV of Standard《GB/T 18837-2002 Multi-connected air-condition(heat pump) unit》
By Feng Yuwei1，2， Zhang Xu2
（1.SCIVIC Engineering Corporation ,Luoyang ,471039 ,China;2 College of Mechanical Engineering,
Tongji University, Shanghai 200092 China）
Abstract In the standard of China 《GB/T 18837-2002 Multi-connected air-condition(heat pump) unit》，the index IPLV was defined detailed specially for Multi-connected air-condition(heat pump) unit, however, because there were so many differences between Multi-connected air-condition(heat pump) unit and single water chilling packages, the define formula of IPLV ignored the influence of indoor-unit as part of the system for the influence of the changing of part-lord ratio and energy efficiency ratio. And it also brings forward that to define the index IPLV for Multi-connected air-condition unit should start with studying those factors, the run condition, indoor-units operating ratio, uniformity of indoor-units’ capacity, part-lord ratio and energy efficiency ratio which corresponding with part-lord ratio.
Key words Multi-connected air-condition unit；IPLV；indoor-units operating ratio ；Part Load Ratio

0、 前言
多联式空调系统是以制冷剂为输送介质，采用一台室外机带动多台室内机，空调系统通过控制管路中制冷剂流量和进入室内各个散热器的制冷剂流量，来满足不同房间对温度的要求。多联式空调系统以其响应速度快、温度控制精确、安装简易、维护简单、室内机形式丰富等优点而倍受业内人士关注和消费者的青睐[1]。目前多联式空调机组主要分为变频多联式空调系统和数码涡旋多联式空调系统，分别采用两种完全不同的方式进行变容量调节[2]。多联式空调系统最大的优越性能体现在机组能根据空调房间负荷的变化对机组的实际输出容量进行调节变化而做出适时的动态匹配。空调系统工况设计的特点决定了，空调系统约95-99%的时间内处于部分负荷下运行[3]。鉴于变容量调节多联式空调系统良好的部分负荷特性，对多联式空调系统能效的标定评价中反应机组部分负荷能效优劣的评价参数IPLV就显得尤为重要，基于此我国在2002年出台了《GB/T 18837-2002多联式空调（热泵）机组》标准[4]，并对多联式空调系统IPLV的标定给出了详细明确的规定。于2008年出台了《GB 21454-2008多联式空调（热泵）机组能效限定值及能源效率等级》标准[5]，在该标准中明确规定了用IPLV（c）作为多联式空调机组能效限定值和机组节能评价参数。但是就多联机中IPLV的定义公式与最初针对单台冷水机组适用的IPLV的计算公式的提出进行分析对比可以发现现在GB/T 18837-2002中所提出的针对多联机使用的IPLV的定义公式存在一些问题亟待探讨研究。
1、 多联机能效影响因素分析
针对多联式空调系统能效影响因素的分析，应从多联式空调系统有别于单台冷水机组所特有的系统特性进行分析研究。多联式空调系统除了能进行机组实际输出容量的适时调节变化外，有别于单台冷水机组最大的一个特性就是，组成机组制冷（热）循环所必不可少的一部分亦是空调系统的一个末端组成。正是基于多联式空调系统的这一特性，对于一个特定的机组这就决定了除了部分负荷率、机组运行蒸发/冷凝温度这些因素影响机组的能效外，还有可能存在别的一些因素对机组的能效存在影响。
1.1、开机率对机组能效的影响分析
变容量多联式空调系统在一定的工况条件下部分负荷率对机组能效的影响的研究[6，7]发现机组具有很好的部分负荷特性，突出表现就是机组的能效比EER随部分负荷率PLR呈现为开口向下的抛物线型变化特性。文献[6，7]中对变容量多联式空调机组部分负荷特性的研究是在机组全开，忽略开机率这一影响因素的条件下进行的。实验研究[8-9]表明，开机率对机组制冷/热运行时蒸发器表面积和冷凝器表面积的影响而很大程度上影响着机组的能效；开机率变化给机组能效所带来的另外一个影响为，开机率变化影响着室内机风机和压缩机耗功量的变化进而影响着机组系统的能耗。其中开机率定义为开启的室内机额定制冷/热量的总和与所有室内机额定制冷/热量之和的比例。
1.2、部分负荷率与开机率模式对机组能效影响关系的探讨
图1和图2 为由实验（实验设计说明参考文献[9,10]）得到的在相同的运行工况，不同的开机率下数码涡旋多联式空调系统小时能效比HEER随部分负荷率PLR的变化特性。其中，小时能效比HEER的定义为机组小时内的制冷量与对应机组耗功量的比值；部分负荷率PLR是以机组的额定容量作为计算参照标准。
C
A

B

图1、不同开机率下机组小时能效比HEER随部分负荷率PLR的变化特性（室外32室内25）
Fig 1 The impact of PLR for HEER of the system, when the indoor-units operating ratio was different (ambient temperature 32, indoor temperature 25)

图2、不同开机率下机组小时能效比HEER随部分负荷率PLR的变化特性（室外32室内25）
Fig 2 The impact of PLR for HEER of the system, when the indoor-units operating ratio was different (ambient temperature 30, indoor temperature 25)
由实验数据得到图1中不同开机率下机组的HEER（y）随部分负荷率PLR（x）变化的特性曲线的回归方程分别为：
开机率100%：y = -17.717x2 + 23.979x - 4.7459；R = 0.8086，x∈ [0.456,0.863]
开机率79%： y = -76.673x2 + 113.95x - 39.206；R = 0.671， x∈ [0.673,0.845]
开机率52%： y = -27.761x2 + 30.452x - 5.0427；R = 0.8661，x∈ [0.391,0.656]
开机率47%： y = -35.651x2 + 30.467x - 3.6919；R = 0.8387，x∈ [0.273,0.523]
由图可知交点A、B和交点C分别为开机率47%与开机率52%，开机率47%与开机率100%及开机率52%与开机率100%时机组的部分负荷特性曲线的交点。由上述对应开机率下机组的小时能效比HEER随部分负荷率PLR变化而得到的回归特性曲线方程可以求解得到交点的横坐标分别为XA=0.41472、XB=0.483、XC=0.5947。根据上述分析可知，当机组的开机率为47%时，随着机组的部分负荷率的增加当机组的部分负荷率达到0.41472时，出于对机组能效达到最佳运行效果的考虑可以把机组的开机率增大为52%模式下运行，此时开机率由47%增大到52%下运行可以带来两个方面的好处，其一为开机率由47%增加到开机率52%使得机组的能效增加，且处于52%开机率下机组部分负荷能效曲线上升区间段内，随着部分负荷率的增加机组的能效可以进一步增加；其二，开机率由47%增加到开机率52%运行使得在增加机组能效的同时增加了空调房间区域。
由图1还可以看出，在开机率47%模式下运行时，当机组的部分负荷率达到0.483 (即交点B)时，在该开机率下若机组的部分负荷率进一步增加，由图1可知，对应可由两种不同的开机率策略使得机组的运行变得更为经济节能，其一为开机率由47%增加到开机率52%；其二为开机率由47%增加到100%开机率模式下运行。但是，两种不同的开机率模式下机组的实际运行效果却大不一样，由图1可以看出在开机率为47%时，当机组的部分负荷率增大到大于0.483且小于0.5947时，将机组的开机率由47%增大到开机率52%下运行时，机组的能效比将开机率由47%增加到100%模式下运行时的更为优越，但是相比之下空调房间的区域却不如开机率由47%增加到100%开机率模式下的多。
由图1还可以看出，在开机率为52%模式下运行时当机组的部分负荷率增加到大于0.5947时，可以将机组的开机率由52%增加到100%的开机率模式下运行，与开机率52%模式下的运行相比，机组具有更为优越的能效且增加了空调的房间。同时由图1中交点C还可以看出，当机组在开机率为100%模式下运行时，当机组的部分负荷率在小于0.5947下运行时，此时可以将开机率由100%减小为52%的开机率模式下运行，相比机组具有更为优越的能效，但是却不能满足空调房间区域的要求。
1.3、室内机负荷均匀度问题的分析
对于多联式空调系统通常为一台室外机对应多台室内机工作运行，这样自然就会引入室内机负荷均匀度这一影响因素，其中室内机负荷均匀度可以从两个方面来考虑室内机额定负荷均匀度和运行室内机负荷均匀度。
室内机额定负荷均匀度，是用于考查系统中所有室内机额定制冷/热量均匀一致的程度，可采用数理统计中用于考查一组数据均匀一致程度的方差定义式进行计算分析。运行室内机负荷均匀度是用来分析运行的室内机实际出力均匀一致的程度，用于分析在机组出力一定的条件下室内机负担机组容量不同的变化对机组能效的影响，同样可以用统计学中求方差的方法来进行定义计算分析。表1为考虑到室内机额定负荷均匀度而对室内机的选型进行变化后，与正常室内机选型进行对比（假设）。
表1、室内机不同选型对均匀度的影响
Table 1 The impact of choosing different indoor-units for the uniformity of indoor-units’ capacity
房间编号
1
2
3
4
室内机设计正常选型kW
10
6
5
11
变换选型kW
5+5
6
5
5+6
对表1分析，按正常的室内机选型计算则室内机额定负荷均匀度为A，而当考虑室内机额定负荷均匀度对室内机的选型进行变换后室内机额定负荷均匀度则变为了B，明显看出A>B（即变换选型后室内机额定负荷均匀度变忧，但室内机台数增加），说明变换选型后室内机额定负荷较正常选型时的均匀一致，对于这种变换带来的影响应从如下方面进行分析，额定负荷均匀度对机组能效影响的分析；室内机额定负荷均匀度增加的同时增加室内机台数对机组能效影响的分析。
开机率一定的条件下，假设开机率为50%则对应有两种开机模式（房间编号分别为开1+2和3+4，室内机设计正常选型），此时室内机负荷均匀度对机组能效的影响有两个方面需要分析研究，其一为开机率相同条件下开启室内机额定负荷均匀度对机组能效的影响分析；其二为，开机率相同条件下，运行室内机负荷均匀度对机组能效的影响分析，即在开机率一定，机组总出力一定的条件下，运行的室内机分担的机组总出力不同时对机组能效的影响分析。而这部分的分析研究若通过实验的方法来进行的话，由于需要控制因素变量多而实验中可控因素变量少并且在一定程度上开机率、负荷率及室内机负荷均匀度这些因素存在耦合作用，所以给实验带来很大的难度，暂时尚没能很好的进行该方面的实验分析研究。
2、 单台冷水机组IPLV与多联式空调机IPLV对比分析
2.1、单台冷水机组IPLV演变过程
IPLV的提出代表了单台冷水机组在标定工况下机组的平均效能指标，只能应用于对冷水机组进行产品间能效性能优劣比较的一个参数指标[11]，而不能反应一台冷水机组在实际工程应用中节能好坏的评价指标。IPLV是由美国空调制冷协会（ARI）在1992年的ARI550-1992标准中提出，紧接着在1998年的ARI-590-1998标准中作了修订改进，并且在2003年的ARI550/590-2003中得到了进一步的修订完善，国内有学者对这三个标准进行了对比分析及引用到我国冷水机组的标定中修订工作的研究[3，11，12]。
单台冷水机组部分负荷能效评价参数IPLV的定义公式的提出包含有两个重要的假设[13]，其一，建筑负荷仅考虑外部负荷的动态变化特性的影响，忽略如照明、人员、设备等内部负荷的变化影响；其二，假定建筑负荷与室外干球温度和太阳辐射成比例，用ASHRAE temperature BIN法进行简化计算，以室外干球温度作为负荷计算的因变量。在这两个假设的前提下，对空调建筑的建筑负荷用温频法以冷吨为单位进行统计，并对应统计出各温频对应下的建筑负荷小时数，然后对应计算出对应温频下的冷吨小时数，并对应的以25%、50%、75%和100%为区间中点将温频对应的冷吨小时数进行区间划分，进行加权平均计算出对应25%、50%、75%和100%负荷率下的计算权重系数。其中冷水机组的标定工况是基于美国29个城市调查统计的基础上根据对应25%、50%、75%和100%的负荷区间内的室外干球温度进行平均得到的。
2.2、多联式空调机IPLV问题的探讨
单台冷水机组IPLV的标定计算中完全可以不考虑空调末端的形式，最初对空调建筑负
荷的调查研究是IPLV的定义公式的提出基础，在单台冷水机组的标定中，只须设法使机组在标定的工况下卸载到对应的负荷率并对应得到相应的机组能效比即可，至于在标定中机组实际输出容量的最终用途并没作规定，并且这也对机组的实际正常运行也构不成影响。
GB/T 18837-2002中针对多联式空调系统IPLV的标定计算公式，同样是通过ARI标准中IPLV的方法定义给出，并根据我国的实际情况对应的对公式中各项前的权重系数做了修正变化。这样根据上面多联式空调系统和单台冷水机组运行和能效影响因素的分析就可以发现，多联式空调系统采用同单台冷水机组一样的标定计算公式时存在这样的一些问题。
其一，多联式空调系统中室内机既是作为空调用户的末端，同时也是构成多联式空调系统正常运行的一个组成部分（蒸发器/冷凝器）；而冷水机组系统中的空调系统仅构成了机组的一个末端用户，不作为机组系统正常运行的一部分存在。这样，对单台冷水机组采用如上述分析的通过对空调建筑负荷进行统计分析而给出IPLV的定义公式完全是可行的，而对于多联式空调系统而言，采用如上的通过统计建筑负荷特性的方法来定义IPLV的计算公式就忽略了室内机作为机组系统的一部分而对系统负荷率及能效变化所构成的影响。
其二，GB/T 18837-2002中规定机组制冷量的计算是通过在规定的标定工况和方法下开启的所有室内机制冷量之和，因此可以看出如果机组制冷量通过开启室内机的测量标定来得到，就必须考虑室内机作为机组正常运行的一个部分存在而对机组构成的影响。这样开机率、室内机负荷均匀度及开机模式这些与室内机相关变化而构成的因素必然构成机组能效的影响因素。对应IPLV的定义公式中就忽略了开机率、开启室内机负荷均匀度及开机模式这些因素对机组能效的影响。
3、 结论
（1）、多联式空调系统有别于单台冷水机所具有的特性，决定了对多联式空调系统部分负荷能耗效能的分析应从分析影响机组能效所特有的因素研究入手；
（2）、针对GB/T 18837-2002中规定的多联式空调系统IPLV的计算公式理应在综合分析研究机组运行工况、系统开机率、室内机负荷均匀度、室内机组合模式、部分负荷率及对应负荷率下机组的能效比这些影响因素而综合定义给出；
（3）、有些问题认识和研究尚不够深入全面，上述问题仍待作进一步的分析研究。

参考文献
[1] 本刊调研组. 多联式空调机组市场总结报告[J]. 机电信息（特稿），2007，16（6），8-20.(Research group for this periodical . The Market Analysis Report of Multi-connected Air-condition Unit[J].Mechanical and Electrical Information, (feature).2007，16（6），8-20.)
[2] 詹跃航，张辉等. 多联空调机组两种技术路线分析[J]. 流体机械，2005，33（增刊），341-345. (Zhan Yue-hang, Zhang Hui, et al. Analysis of Two Multi-variable Systems[J].FLUID MACHINERY,Vol.33,supplement,2005,341-345.)
[3]周辉. 办公建筑空调能耗指标的研究[D]. 同济大学博士学位论文，2003.
[4] GB/T 18837-2002多联式空调（热泵）机组[S].
[5] GB 21454-2008多联式空调（热泵）机组能效限定值及能源效率等级[S].
[6] 腾英武. 变频控制VRV空调系统节能性能实验研究[D]同济大学硕士学位论文，2000.12.
[7] 薛卫华，陈沛霖，刘传聚. 变频控制热泵式VRV空调机组运行特性与节能性能实验研究[J]. 节能技术，2003，21（3），3-5.(XUE Wei-hua, CHEN Pei-lin, LIU Chuan-ju. The Experimental Study of the Operating Characteristic and Energy Consumption of the VRV Air-conditioning System[J].ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY, 2003，21（3），3-5.)
[8]朱乐琪，张旭，杨洁. 数码涡旋多联式空调系统冬季运行特性实测[J]. 暖通空调，2006，36（12），100-103.(Zhu Leqi, Zhang Xu, Yang Jie. Field Test of Operating Characteristics of DVM Systems in Winter[J].HV&AC, 2006，36（12），100-103. )
[9]冯玉伟，张旭，张东亮. 数码涡旋多联式空调系统冬季以空气源热泵运行特性实验研究[J]. 暖通空调，2008，38（11），143-147.(Feng Yuwei, Zhang Xu, Zhang Dongliang. Experiment of Heating Characteristics of Digital Variable Multi Air-conditioning Systems as Air-source Heat-pump inWinter[J].HV&AC, 2008，38（11），143-147.)
[10] 杨刚. 数码涡旋多联式空调系统夏季运行特性的实验研究[D]. 同济大学硕士学位论文 2006.3.
[11] 汪训昌. 正确理解、解释与应用ARI550/590标准中的IPLV指标[J]. 暖通空调，2006，36（11），46-50.(Wang Xunchang.Proper understanding, explanation and application of IPLV index in ARI Standard 550/590[J].HV&AC, 2006，36（11），46-50.)
[12] 张明圣. 冷水机组产品国家标准的修订及IPLV应用的探讨[J]. 制冷学报，2006，27（4），59-62.(Zhang Mingsheng. Revision of National Standard for Water Chiller and Application of IPLV[J].Journal of Refrigeration, 2006，27（4），59-62.)
[13] ARI. ARI Standard 550/590-2003 Water chilling packages using the vapor compression cycle[S]. 2003.