249DeST中VRF模擬模型建立與驗(yàn)證.doc

DeST中VRF模擬模型建立與驗(yàn)證清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 王旭輝 夏建軍 張曉亮 燕達(dá)摘要 本文從指導(dǎo)實(shí)際工程中VRF空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化出發(fā)，以DeST軟件為平臺(tái)，建立了適于全年逐時(shí)模擬的VRF系統(tǒng)分部件灰箱模型。利用日本大金（Daikin）提供的VRV系統(tǒng)參數(shù)，在合理簡化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別和驗(yàn)證，得到能夠準(zhǔn)確反映Daikin VRV性能特性的VRF模型，可以進(jìn)一步用其進(jìn)行全年逐時(shí)能耗的模擬，為DeST的實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和幫助。關(guān)鍵詞 VRF（變制冷劑流量） DeST模擬模型 參數(shù)識(shí)別 驗(yàn)證1 引言變制冷劑流量（Variable Refrigerant Flow, 以下簡稱VRF）空調(diào)系統(tǒng)20世紀(jì)80年代始發(fā)展于日本和西歐一些國家中，90年代被引入中國，逐漸代替一些傳統(tǒng)的中央空調(diào)系統(tǒng)，得到較為廣泛的應(yīng)用。由于其采用變?nèi)萘空{(diào)節(jié)以匹配系統(tǒng)負(fù)荷變化，通過改變流經(jīng)各室內(nèi)機(jī)的制冷劑流量來滿足不同室內(nèi)機(jī)所帶房間的熱濕負(fù)荷需求，且各室內(nèi)機(jī)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此特別適合于同一建筑內(nèi)部各房間功能和負(fù)荷多樣化的建筑，比如寫字樓、商場等，在節(jié)能方面具有較為突出的表現(xiàn)。由于其良好的調(diào)控性能，其季節(jié)能效比高于風(fēng)冷熱泵空調(diào)機(jī)組1；而與傳統(tǒng)大型中央空調(diào)相比，VRF系統(tǒng)又具有自動(dòng)化程度高、使用靈活、管理方便等優(yōu)點(diǎn)。因此VRF空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)階段的工程設(shè)計(jì)中日益得到廣泛應(yīng)用。從VRF系統(tǒng)在建筑中實(shí)際應(yīng)用的效果來看，其系統(tǒng)能效性能與設(shè)計(jì)理想工況以及廠家提供的數(shù)據(jù)還存在不小的差距，主要原因有室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)選型不當(dāng)、對(duì)管長和高差對(duì)系統(tǒng)性能未加以修正、系統(tǒng)設(shè)計(jì)超出匹配限制等2，這些問題造成VRF系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中容量匹配不當(dāng)、運(yùn)行能耗高、COP偏低。因此即使有性能良好的VRF產(chǎn)品，也要根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)，才能使VRF系統(tǒng)在運(yùn)行中真正達(dá)到節(jié)能、舒適的效果。而要實(shí)現(xiàn)良好的設(shè)計(jì)，應(yīng)該對(duì)VRF的運(yùn)行進(jìn)行全工況遍歷，即考察所設(shè)計(jì)的VRF系統(tǒng)在全年各種工況下的運(yùn)行性能，全面考察不同的系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以對(duì)設(shè)計(jì)和運(yùn)行進(jìn)行全面的指導(dǎo)。目前進(jìn)行全工況遍歷最可行有效的方法是進(jìn)行模擬分析。借助于清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系獨(dú)立開發(fā)的建筑能耗模擬分析軟件DeST3，能夠獲得VRF系統(tǒng)所負(fù)責(zé)的建筑區(qū)域的全年逐時(shí)負(fù)荷，以負(fù)荷作為VRF系統(tǒng)模擬模型的輸入，可獲得VRF全年逐時(shí)運(yùn)行情況的模擬結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)全工況遍歷。本文以DeST軟件為平臺(tái)，搭建了VRF系統(tǒng)模擬模塊，建立了以分部件灰箱模型為基礎(chǔ)的VRF系統(tǒng)模擬模型，并且利用廠家樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型識(shí)別和驗(yàn)證，從而獲得能夠進(jìn)行全年系統(tǒng)能耗模擬的完整VRF模型。2 VRF系統(tǒng)模擬模型進(jìn)行VRF系統(tǒng)模擬是為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行優(yōu)化，因此VRF系統(tǒng)模型必須符合以下三個(gè)基本要求：一是該模型能夠反映不同工況下系統(tǒng)不同部件的運(yùn)行狀況；二是該模型適合于以小時(shí)為步長的全年逐時(shí)模擬；三是該模型具有良好通用性，對(duì)于不同的VRF系統(tǒng)能夠通過關(guān)鍵參數(shù)的識(shí)別來反映其特性。分部件聯(lián)合模擬灰箱模型是最符合上述要求的模型，本文分別建立壓縮機(jī)、室外機(jī)換熱器、室內(nèi)機(jī)換熱器和膨脹閥的灰箱模型，然后將它們聯(lián)立為VRF系統(tǒng)模型，聯(lián)合模擬，聯(lián)立求解。VRF系統(tǒng)的基本組成部件是1個(gè)室外機(jī)、2個(gè)或多個(gè)室內(nèi)機(jī)，以及連接室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)的管網(wǎng)，如圖1。其中室外機(jī)由室外換熱器、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)構(gòu)成，室內(nèi)機(jī)由室內(nèi)換熱器和風(fēng)機(jī)構(gòu)成。各室內(nèi)機(jī)的制冷劑流量控制由各室內(nèi)機(jī)換熱器前的電子膨脹閥實(shí)現(xiàn)。圖1 VRF系統(tǒng)組成部件2.1 壓縮機(jī)模型VRF系統(tǒng)多采用渦旋壓縮機(jī)，其工作過程可分為3個(gè)階段，如圖2所示：(1) 制冷劑在吸氣口的預(yù)熱過程（su-su1），(2) 制冷劑在壓縮機(jī)中先絕熱壓縮后等容壓縮過程（su1-ex1）。(3) 制冷劑在排氣口的冷卻過程（ex1-ex）。圖2 渦旋壓縮機(jī)工作過程示意圖圖3渦旋壓縮機(jī)工作過程在壓焓圖上表示在壓焓圖上表示相應(yīng)的過程，如圖3所示：(1)認(rèn)為壓縮機(jī)電機(jī)的熱損失全部用于制冷劑進(jìn)入吸氣口之前的預(yù)熱，。(2) 渦旋壓縮機(jī)壓縮過程可以看成一個(gè)絕熱過程，又分為兩個(gè)階段：等熵壓縮過程和絕熱等容過程。兩個(gè)過程的分界壓力為內(nèi)部壓比所決定的出口壓力（用“ad”來表示），分界點(diǎn)比容與進(jìn)口比容以及內(nèi)部壓縮比有如下關(guān)系：。(3) 在壓縮機(jī)出口的冷卻放熱量由如下公式計(jì)算：其中和為兩個(gè)散熱量常系數(shù)，根據(jù)清華大學(xué)的夏建軍2000年于比利時(shí)列日大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果4，。壓縮機(jī)的能耗計(jì)算如下：其中為與實(shí)際壓縮過程無關(guān)的壓縮機(jī)機(jī)械損失；為與實(shí)際壓縮過程有關(guān)的壓縮機(jī)機(jī)械損失，和為關(guān)聯(lián)系數(shù)。對(duì)于給定的壓縮機(jī)，三個(gè)參數(shù)、和可以通過產(chǎn)品樣本的擬合來獲取。壓縮機(jī)的頻率計(jì)算公式為：。其中為壓縮機(jī)入口體積排量，為壓縮機(jī)容積效率。2.2 冷凝器模型VRF系統(tǒng)的運(yùn)行工況包括全體制冷、大部分制冷、熱回收、大部分制熱、全體制熱這5種，其室外換熱器和室內(nèi)換熱器依據(jù)工況的不同，有時(shí)作為冷凝器，有時(shí)作為蒸發(fā)器，它們的換熱原理是相同的，但模型因內(nèi)部制冷劑相態(tài)分區(qū)的不同而略有不同。冷凝器采用三區(qū)換熱器分區(qū)集總參數(shù)模型。壓縮機(jī)出口的制冷劑處于過熱狀態(tài)，經(jīng)冷凝器分別經(jīng)過過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)三個(gè)區(qū)域，在冷凝器出口為過冷液，流向電子膨脹閥。在每個(gè)區(qū)內(nèi)，制冷劑的計(jì)算用集總參數(shù)法，而空氣溫度在整個(gè)換熱器表面視為一致。三區(qū)換熱器的示意圖如圖4所示：圖4 冷凝器模型示意圖三個(gè)區(qū)的制冷劑側(cè)熱阻關(guān)系為：兩相區(qū)的熱阻，過熱區(qū)熱阻，過冷區(qū)熱阻。在計(jì)算各區(qū)的換熱量時(shí)，采用-NTU方法，制冷劑和空氣視為逆流。以過熱區(qū)的計(jì)算為例，主要用到如下公式：，其中為過熱區(qū)面積占總換熱器面積的比例。由此算出過熱區(qū)的換熱量。同樣可以算出兩相區(qū)和過冷區(qū)的換熱量，冷凝器總換熱量等于3區(qū)換熱量之和，即：當(dāng)兩側(cè)流體流量變化時(shí)，采用如下空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的熱阻關(guān)于流量變化的關(guān)系式：2.3 蒸發(fā)器模型蒸發(fā)器與冷凝器相比，其進(jìn)口制冷劑處于兩相區(qū)，出口制冷劑狀態(tài)根據(jù)控制策略的不同，可能為過液（兩相區(qū)）或過熱（過熱區(qū)）。因此蒸發(fā)器采用的是兩區(qū)換熱器模型（當(dāng)蒸發(fā)器過液時(shí)，模型求解結(jié)果會(huì)表明出口制冷劑仍處于兩相區(qū)，即該蒸發(fā)器無過熱區(qū)），如圖5所示：圖5 蒸發(fā)器模型示意圖與冷凝器模型相同，計(jì)算蒸發(fā)器各區(qū)換熱量時(shí)用-NTU方法，制冷劑和空氣視為逆流。在每個(gè)區(qū)內(nèi)，制冷劑的計(jì)算用集總參數(shù)法，而空氣溫度在整個(gè)換熱器表面視為一致。2.4 膨脹閥模型VRV系統(tǒng)中所用的膨脹閥是電子膨脹閥。其熱模型為理想的等焓節(jié)流裝置，即。膨脹閥在工作時(shí)要求兩端具有一定的壓力差。隨著電子膨脹閥技術(shù)的提高,膨脹閥兩端要求的最小壓差也變的更小了，因此在模型中認(rèn)為膨脹閥兩端壓力差（冷凝壓力減蒸發(fā)壓力）總能滿足最小壓力的要求。因此不需要建立膨脹閥的壓降關(guān)于制冷劑流量的模型。2.5 管網(wǎng)模型管網(wǎng)模型根據(jù)流體力學(xué)基本原理建立。連接管網(wǎng)壓力損失主要由管道損失和各阻力部件（彎頭和閥門）損失組成。由于連接管網(wǎng)中制冷劑多為單相流體，因此壓力損失為摩阻壓降?？刹捎萌缦鹿竭M(jìn)行計(jì)算：式中：f為摩擦因子，可通過Colebrook摩擦因子5關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算（紊流）： 式中Re為雷諾數(shù)，為管內(nèi)壁粗糙度。VRF系統(tǒng)管網(wǎng)中存在大量的彎頭和三通接頭，流體由于速度場的變形和二次環(huán)流的影響，造成較大的壓力損失，因此在計(jì)算中需要進(jìn)行修正處理：其中K為由管徑、接頭和彎頭形狀決定的阻力系數(shù)，可通過查詢ASHRAE手冊(cè)6中的表格得到。3 模擬參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證在上面建立的VRF模型的基礎(chǔ)上，需要利用產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)通過擬合等方式識(shí)別出模型中的關(guān)鍵參數(shù)，才能構(gòu)成完整的模型，用于全年能耗模擬。本文利用日本Daikin提供的VRV單冷運(yùn)行模式下（所有室內(nèi)機(jī)換熱器都是蒸發(fā)器，室外機(jī)換熱器為冷凝器）的樣本數(shù)據(jù)7進(jìn)行模型參數(shù)識(shí)別，并且驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.1 模型分析與簡化Daikin提供了從RHXYQ8PY1到RHXYQ48PY1共21種型號(hào)的室外機(jī)參數(shù)，包括性能參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)兩大類。其中VRV運(yùn)行參數(shù)有：從100%50%負(fù)荷率下，不同外溫時(shí)的VRV系統(tǒng)的制冷量和總電耗（壓縮機(jī)電耗和室外機(jī)風(fēng)機(jī)電耗之和），以RHXYQ16PY1型號(hào)為例，其運(yùn)行參數(shù)如圖6：圖6 Daikin VRV 單冷運(yùn)行模式下運(yùn)行參數(shù)該型號(hào)室外機(jī)的其他性能參數(shù)如表1：表1 RHXYQ16PY1主要性能參數(shù)壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)：2制冷劑：R410A內(nèi)部壓縮比吸氣容積換熱器空氣側(cè)額定熱阻換熱器制冷劑側(cè)兩相區(qū)額定熱阻由于Daikin提供的VRV運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)只涉及室外機(jī)，不涉及室內(nèi)機(jī)，而且沒有說明獲得該VRV運(yùn)行參數(shù)的具體工況，即一臺(tái)室外機(jī)所帶室內(nèi)機(jī)的型號(hào)、數(shù)量、各室內(nèi)機(jī)所處理的負(fù)荷的大小，同時(shí)管網(wǎng)連接情況也未知，因此根據(jù)所給參數(shù)進(jìn)行VRV模型識(shí)別時(shí)，有必要對(duì)模型進(jìn)行合理的簡化，如下：1. 認(rèn)為室內(nèi)機(jī)一側(cè)處于“理想控制工況”，所有室內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)壓力都能穩(wěn)定地控制在設(shè)定值，所有室內(nèi)機(jī)的出力都足以處理各自的負(fù)荷。2. 流經(jīng)壓縮機(jī)和冷凝器的制冷劑總流量由冷凝器出口回液旁通控制，該控制也是理想的，即制冷劑總流量總能達(dá)到所需值。3.假定Daikin VRV的控制模式為：控制壓縮機(jī)進(jìn)口過熱度為5，冷凝器出口過冷度為5，且認(rèn)為其理想控制，可保持不變。根據(jù)上面的分析，在模型中可以省去室內(nèi)機(jī)的模型，直接以蒸發(fā)溫度為6作為輸入條件，而制冷劑流量在冷凝器出口回液旁通的控制策略下也能夠達(dá)到所需值，該值由迭代計(jì)算的結(jié)果確定。至于管網(wǎng)模型，由于實(shí)際管網(wǎng)連接情況非常復(fù)雜多樣，無法給出一個(gè)通用連接形式，所以在參數(shù)識(shí)別時(shí)只能忽略管網(wǎng)的影響，而在識(shí)別之后的能耗計(jì)算時(shí)再根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)連接形式加入管網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算。3.2 模型參數(shù)識(shí)別模型參數(shù)識(shí)別，即利用大量工況點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模型關(guān)鍵參數(shù)的擬合。利用所給系統(tǒng)參數(shù)，用模型識(shí)別結(jié)果包括壓縮機(jī)的能耗關(guān)聯(lián)參數(shù)和室外機(jī)風(fēng)機(jī)的能耗關(guān)聯(lián)參數(shù)，具體結(jié)果如下：1. 壓縮機(jī)能耗關(guān)聯(lián)式：2. 室外機(jī)風(fēng)機(jī)能耗關(guān)聯(lián)式室外機(jī)風(fēng)機(jī)的能耗與室外溫度以及制冷量密切相關(guān)，因此把它的能耗擬合為關(guān)于和的二次三項(xiàng)式，如下：3.3 識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證在獲得以上識(shí)別參數(shù)之后，就可以根據(jù)圖6中給定的工況點(diǎn)分別模擬出所有工況下的壓縮機(jī)能耗和室外風(fēng)機(jī)能耗，又根據(jù)給定的總能耗樣本值減去即得到壓縮機(jī)能耗的樣本值，通過對(duì)比和的相對(duì)誤差來考察參數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確性，如圖7：5.0%-3.5%圖7 RHXYQ16PY1參數(shù)識(shí)別結(jié)果驗(yàn)證由圖7的結(jié)果可見，在所給的50%負(fù)荷率以上所有工況點(diǎn)下，壓縮機(jī)能耗的計(jì)算值和樣本值的相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，可見參數(shù)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確，利用所形成的模型進(jìn)行VRV的能耗模擬具有較高的精度。5.0%-3.5%5.0%-3.5%4.5%-3.0%5.0%-5.0%圖8 其他型號(hào)的Daikin VRF室外機(jī)參數(shù)識(shí)別驗(yàn)證結(jié)果利用相同的方法，識(shí)別了大金所有21種型號(hào)的室外機(jī)的參數(shù)，其驗(yàn)證結(jié)果（如圖8）都說明參數(shù)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確。這樣所得到的模型能夠準(zhǔn)確反映VRV系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，可以進(jìn)一步用它們來模擬Daikin VRV系統(tǒng)全年各種工況下的運(yùn)行能耗。圖9和圖10是應(yīng)用識(shí)別后的VRF模型計(jì)算某使用了帶獨(dú)立新風(fēng)處理機(jī)的Daikin VRV的案例計(jì)算結(jié)果，該結(jié)果與大金樣本數(shù)據(jù)所顯示的產(chǎn)品性能基本一致。圖9 某帶新風(fēng)處理機(jī)的VRV系統(tǒng)各部件在整個(gè)制冷季的總能耗比例圖10 某VRV系統(tǒng)全制冷工況下的COP曲線4 結(jié)論本文從指導(dǎo)VRF系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型與運(yùn)行優(yōu)化的目的出發(fā)，基于DeST軟件平臺(tái)建立了適于全年逐時(shí)能耗模擬的VRF系統(tǒng)分部件灰箱模型。利用Daikin提供的VRV系統(tǒng)參數(shù)，在合理簡化模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別和驗(yàn)證，從而得到了能夠準(zhǔn)確反映Daikin VRV性能特性的VRF模型，可以進(jìn)一步用其進(jìn)行全年能耗的模擬。由于該模型具有良好的通用性，可用于識(shí)別任意一種VRF產(chǎn)品，只要該產(chǎn)品可獲得的樣本數(shù)據(jù)符合一定要求，因此將該模型嵌套于DeST中可以方便地模擬各種選型和分區(qū)情況下的VRF運(yùn)行情況與室內(nèi)環(huán)境控制結(jié)果，為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)提供便利。目前模型的不足在于只能模擬一種控制模式下VRF運(yùn)行情況，在今后工作中，將進(jìn)一步建立VRF的控制模式模塊，使之能夠模擬不同控制模式下VRF系統(tǒng)的運(yùn)行情況和能耗狀況。參考文獻(xiàn)1薛衛(wèi)華, 陳沛霖, 劉傳聚. 變頻控制熱泵式VRV 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行特性與節(jié)能性能實(shí)驗(yàn)研究J. 節(jié)能技術(shù), 2003, 21(5): 3-5.2郭筱瑩. 多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究J. 福建建筑, 2004, 89(4):43-44.3清華大學(xué)DeST開發(fā)組. 建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法DeSTM . 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2006.4夏建軍. VRF空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制研究 D. 北京：清華大學(xué), 2005.5Mood