249DeST中VRF模擬模型建立與驗證.doc

DeST中VRF模擬模型建立與驗證清華大學建筑技術科學系 王旭輝 夏建軍 張曉亮 燕達摘要 本文從指導實際工程中VRF空調(diào)系統(tǒng)的設計和運行優(yōu)化出發(fā)，以DeST軟件為平臺，建立了適于全年逐時模擬的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上，進行了參數(shù)識別和驗證，得到能夠準確反映Daikin VRV性能特性的VRF模型，可以進一步用其進行全年逐時能耗的模擬，為DeST的實際工程應用提供指導和幫助。關鍵詞 VRF（變制冷劑流量） DeST模擬模型 參數(shù)識別 驗證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)，得到較為廣泛的應用。由于其采用變?nèi)萘空{(diào)節(jié)以匹配系統(tǒng)負荷變化，通過改變流經(jīng)各室內(nèi)機的制冷劑流量來滿足不同室內(nèi)機所帶房間的熱濕負荷需求，且各室內(nèi)機可以獨立調(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)能效比高于風冷熱泵空調(diào)機組1；而與傳統(tǒng)大型中央空調(diào)相比，VRF系統(tǒng)又具有自動化程度高、使用靈活、管理方便等優(yōu)點。因此VRF空調(diào)系統(tǒng)在現(xiàn)階段的工程設計中日益得到廣泛應用。從VRF系統(tǒng)在建筑中實際應用的效果來看，其系統(tǒng)能效性能與設計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)機與室外機選型不當、對管長和高差對系統(tǒng)性能未加以修正、系統(tǒng)設計超出匹配限制等2，這些問題造成VRF系統(tǒng)在實際應用中容量匹配不當、運行能耗高、COP偏低。因此即使有性能良好的VRF產(chǎn)品，也要根據(jù)工程實際進行認真的設計，才能使VRF系統(tǒng)在運行中真正達到節(jié)能、舒適的效果。而要實現(xiàn)良好的設計，應該對VRF的運行進行全工況遍歷，即考察所設計的VRF系統(tǒng)在全年各種工況下的運行性能，全面考察不同的系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點，以對設計和運行進行全面的指導。目前進行全工況遍歷最可行有效的方法是進行模擬分析。借助于清華大學建筑技術科學系獨立開發(fā)的建筑能耗模擬分析軟件DeST3，能夠獲得VRF系統(tǒng)所負責的建筑區(qū)域的全年逐時負荷，以負荷作為VRF系統(tǒng)模擬模型的輸入，可獲得VRF全年逐時運行情況的模擬結果，從而實現(xiàn)全工況遍歷。本文以DeST軟件為平臺，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的VRF系統(tǒng)模擬模型，并且利用廠家樣品數(shù)據(jù)進行了模型識別和驗證，從而獲得能夠進行全年系統(tǒng)能耗模擬的完整VRF模型。2 VRF系統(tǒng)模擬模型進行VRF系統(tǒng)模擬是為了指導設計選型和運行優(yōu)化，因此VRF系統(tǒng)模型必須符合以下三個基本要求：一是該模型能夠反映不同工況下系統(tǒng)不同部件的運行狀況；二是該模型適合于以小時為步長的全年逐時模擬；三是該模型具有良好通用性，對于不同的VRF系統(tǒng)能夠通過關鍵參數(shù)的識別來反映其特性。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、室外機換熱器、室內(nèi)機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個室外機、2個或多個室內(nèi)機，以及連接室外機和室內(nèi)機的管網(wǎng)，如圖1。其中室外機由室外換熱器、風機和壓縮機構成，室內(nèi)機由室內(nèi)換熱器和風機構成。各室內(nèi)機的制冷劑流量控制由各室內(nèi)機換熱器前的電子膨脹閥實現(xiàn)。圖1 VRF系統(tǒng)組成部件2.1 壓縮機模型VRF系統(tǒng)多采用渦旋壓縮機，其工作過程可分為3個階段，如圖2所示：(1) 制冷劑在吸氣口的預熱過程（su-su1），(2) 制冷劑在壓縮機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 渦旋壓縮機工作過程示意圖圖3渦旋壓縮機工作過程在壓焓圖上表示在壓焓圖上表示相應的過程，如圖3所示：(1)認為壓縮機電機的熱損失全部用于制冷劑進入吸氣口之前的預熱，。(2) 渦旋壓縮機壓縮過程可以看成一個絕熱過程，又分為兩個階段：等熵壓縮過程和絕熱等容過程。兩個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），分界點比容與進口比容以及內(nèi)部壓縮比有如下關系：。(3) 在壓縮機出口的冷卻放熱量由如下公式計算：其中和為兩個散熱量常系數(shù)，根據(jù)清華大學的夏建軍2000年于比利時列日大學的實驗結果4，。壓縮機的能耗計算如下：其中為與實際壓縮過程無關的壓縮機機械損失；為與實際壓縮過程有關的壓縮機機械損失，和為關聯(lián)系數(shù)。對于給定的壓縮機，三個參數(shù)、和可以通過產(chǎn)品樣本的擬合來獲取。壓縮機的頻率計算公式為：。其中為壓縮機入口體積排量，為壓縮機容積效率。2.2 冷凝器模型VRF系統(tǒng)的運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，有時作為冷凝器，有時作為蒸發(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)三個區(qū)域，在冷凝器出口為過冷液，流向電子膨脹閥。在每個區(qū)內(nèi)，制冷劑的計算用集總參數(shù)法，而空氣溫度在整個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區(qū)的制冷劑側熱阻關系為：兩相區(qū)的熱阻，過熱區(qū)熱阻，過冷區(qū)熱阻。在計算各區(qū)的換熱量時，采用-NTU方法，制冷劑和空氣視為逆流。以過熱區(qū)的計算為例，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：當兩側流體流量變化時，采用如下空氣側和制冷劑側的熱阻關于流量變化的關系式：2.3 蒸發(fā)器模型蒸發(fā)器與冷凝器相比，其進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（當蒸發(fā)器過液時，模型求解結果會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，計算蒸發(fā)器各區(qū)換熱量時用-NTU方法，制冷劑和空氣視為逆流。在每個區(qū)內(nèi)，制冷劑的計算用集總參數(shù)法，而空氣溫度在整個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。膨脹閥在工作時要求兩端具有一定的壓力差。隨著電子膨脹閥技術的提高,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。可采用如下公式進行計算：式中：f為摩擦因子，可通過Colebrook摩擦因子5關系式進行計算（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，因此在計算中需要進行修正處理：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6中的表格得到。3 模擬參數(shù)識別與驗證在上面建立的VRF模型的基礎上，需要利用產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)通過擬合等方式識別出模型中的關鍵參數(shù)，才能構成完整的模型，用于全年能耗模擬。本文利用日本Daikin提供的VRV單冷運行模式下（所有室內(nèi)機換熱器都是蒸發(fā)器，室外機換熱器為冷凝器）的樣本數(shù)據(jù)7進行模型參數(shù)識別，并且驗證識別結果的準確性。3.1 模型分析與簡化Daikin提供了從RHXYQ8PY1到RHXYQ48PY1共21種型號的室外機參數(shù)，包括性能參數(shù)和運行參數(shù)兩大類。其中VRV運行參數(shù)有：從100%50%負荷率下，不同外溫時的VRV系統(tǒng)的制冷量和總電耗（壓縮機電耗和室外機風機電耗之和），以RHXYQ16PY1型號為例，其運行參數(shù)如圖6：圖6 Daikin VRV 單冷運行模式下運行參數(shù)該型號室外機的其他性能參數(shù)如表1：表1 RHXYQ16PY1主要性能參數(shù)壓縮機臺數(shù)：2制冷劑：R410A內(nèi)部壓縮比吸氣容積換熱器空氣側額定熱阻換熱器制冷劑側兩相區(qū)額定熱阻由于Daikin提供的VRV運行參數(shù)和性能參數(shù)只涉及室外機，不涉及室內(nèi)機，而且沒有說明獲得該VRV運行參數(shù)的具體工況，即一臺室外機所帶室內(nèi)機的型號、數(shù)量、各室內(nèi)機所處理的負荷的大小，同時管網(wǎng)連接情況也未知，因此根據(jù)所給參數(shù)進行VRV模型識別時，有必要對模型進行合理的簡化，如下：1. 認為室內(nèi)機一側處于“理想控制工況”，所有室內(nèi)機的蒸發(fā)壓力都能穩(wěn)定地控制在設定值，所有室內(nèi)機的出力都足以處理各自的負荷。2. 流經(jīng)壓縮機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到所需值。3.假定Daikin VRV的控制模式為：控制壓縮機進口過熱度為5，冷凝器出口過冷度為5，且認為其理想控制，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到所需值，該值由迭代計算的結果確定。至于管網(wǎng)模型，由于實際管網(wǎng)連接情況非常復雜多樣，無法給出一個通用連接形式，所以在參數(shù)識別時只能忽略管網(wǎng)的影響，而在識別之后的能耗計算時再根據(jù)實際管網(wǎng)連接形式加入管網(wǎng)模型進行計算。3.2 模型參數(shù)識別模型參數(shù)識別，即利用大量工況點的計算結果進行模型關鍵參數(shù)的擬合。利用所給系統(tǒng)參數(shù)，用模型識別結果包括壓縮機的能耗關聯(lián)參數(shù)和室外機風機的能耗關聯(lián)參數(shù)，具體結果如下：1. 壓縮機能耗關聯(lián)式：2. 室外機風機能耗關聯(lián)式室外機風機的能耗與室外溫度以及制冷量密切相關，因此把它的能耗擬合為關于和的二次三項式，如下：3.3 識別結果驗證在獲得以上識別參數(shù)之后，就可以根據(jù)圖6中給定的工況點分別模擬出所有工況下的壓縮機能耗和室外風機能耗，又根據(jù)給定的總能耗樣本值減去即得到壓縮機能耗的樣本值，通過對比和的相對誤差來考察參數(shù)識別的準確性，如圖7：5.0%-3.5%圖7 RHXYQ16PY1參數(shù)識別結果驗證由圖7的結果可見，在所給的50%負荷率以上所有工況點下，壓縮機能耗的計算值和樣本值的相對誤差都在5%以內(nèi)，可見參數(shù)識別結果準確，利用所形成的模型進行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 其他型號的Daikin VRF室外機參數(shù)識別驗證結果利用相同的方法，識別了大金所有21種型號的室外機的參數(shù)，其驗證結果（如圖8）都說明參數(shù)識別結果準確。這樣所得到的模型能夠準確反映VRV系統(tǒng)的性能特點，可以進一步用它們來模擬Daikin VRV系統(tǒng)全年各種工況下的運行能耗。圖9和圖10是應用識別后的VRF模型計算某使用了帶獨立新風處理機的Daikin VRV的案例計算結果，該結果與大金樣本數(shù)據(jù)所顯示的產(chǎn)品性能基本一致。圖9 某帶新風處理機的VRV系統(tǒng)各部件在整個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 結論本文從指導VRF系統(tǒng)設計選型與運行優(yōu)化的目的出發(fā)，基于DeST軟件平臺建立了適于全年逐時能耗模擬的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上，進行了參數(shù)識別和驗證，從而得到了能夠準確反映Daikin VRV性能特性的VRF模型，可以進一步用其進行全年能耗的模擬。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運行情況與室內(nèi)環(huán)境控制結果，為指導工程設計提供便利。目前模型的不足在于只能模擬一種控制模式下VRF運行情況，在今后工作中，將進一步建立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)的運行情況和能耗狀況。參考文獻1薛衛(wèi)華, 陳沛霖, 劉傳聚. 變頻控制熱泵式VRV 空調(diào)機組運行特性與節(jié)能性能實驗研究J. 節(jié)能技術, 2003, 21(5): 3-5.2郭筱瑩. 多聯(lián)式空調(diào)機組的設計應用研究J. 福建建筑, 2004, 89(4):43-44.3清華大學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, 2005.5Mood