變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在建筑應(yīng)用中的能耗仿真

1、變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在建筑應(yīng)用中的能耗仿真周宴平 ，吳靜怡，王如竹上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所摘 要：為了評(píng)價(jià)變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在建筑應(yīng)用中的能耗特性，本文采用通用軟件EnergyPlus，在室內(nèi)設(shè)定溫度分別為22、24、26、28的情況下對(duì)變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)和部分負(fù)荷比，以及室外溫度和機(jī)組能耗的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算分析，并與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷工作條件下具有非常好的節(jié)能特性。關(guān)鍵詞：能耗仿真 變頻多聯(lián)空調(diào) EnergyPlusEnergy Simulation of Multi-evaporator Inverter Air Condition

2、er in the Architectural ApplicationAbstract: Based on the dynamic building energy simulation software, EnergyPlus, energy usage of the multi-evaporator inverter air-conditioning(MIAC) system is studied. This paper investigates the MIAC system s coefficient of performance (COP) and part load ratio(PL

3、R), with the indoor temperature set point at 22,24,26,28, respectively, and addresses the relationship between the outdoor temperature and energy consumption of the MIAC system. Coherence between the simulation results and the experimental curves shows that the MIAC system is admirably energy-effici

4、ent under the part-load condition. .Keywords: Energy simulation; Multi-evaporator Inverter air conditioner; EnergyPlus引言近年來(lái)，變頻多聯(lián)空調(diào)（為簡(jiǎn)便計(jì)，以下部分地方簡(jiǎn)稱為MIAC）裝置由于其出色的容量控制能力、優(yōu)良的性能價(jià)格比、節(jié)能、以及應(yīng)用靈活、一機(jī)多用, 并能有效地減少設(shè)備的空間安裝要求等諸多優(yōu)勢(shì)，在中小型空調(diào)工程及改擴(kuò)建工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)際上在該領(lǐng)域的研究多著眼于壓縮機(jī)速度控制、制冷劑分布和電子膨脹閥（EEV）等部件的動(dòng)態(tài)性能 13。作為新一代的建筑全能耗分

5、析軟件, EnergyPlus繼承了經(jīng)典建筑能耗分析軟件DOE-2和BLAST的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)發(fā)展了許多新的功能, 它采用集成化的負(fù)荷-設(shè)備-系統(tǒng)同步計(jì)算模擬方法、易于維護(hù)的Fortran90模塊化開發(fā)式結(jié)構(gòu)、并可以在某些功能上與其他軟件如SPARK 和 TRNSYS實(shí)現(xiàn)連接。 EnergyPlus可以實(shí)現(xiàn)常見的HVAC系統(tǒng)的模擬，包括冷熱源側(cè)設(shè)備如吸收式制冷機(jī)、電制冷機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)制冷機(jī)、鍋爐、冷卻塔等，以及末端側(cè)設(shè)備風(fēng)機(jī)盤管、VAV送風(fēng)箱、誘導(dǎo)式送風(fēng)機(jī)等。這些設(shè)備分別用冷水、熱水和冷卻水回路連接起來(lái)。設(shè)備模擬采用性能曲線擬合法，有利于用戶根據(jù)自身需求添加其他類型的模塊4。但目前變頻多聯(lián)空調(diào)在En

6、ergyPlus中的性能模擬尚未實(shí)現(xiàn)。盡管國(guó)內(nèi)學(xué)者也開始在做一些變頻多聯(lián)空調(diào)的仿真研究，但其研究目的主要是通過(guò)建立系統(tǒng)的熱動(dòng)力學(xué)模型，來(lái)分析多聯(lián)系統(tǒng)的特性和檢驗(yàn)控制算法的性能。對(duì)于結(jié)合建筑能耗的變頻多聯(lián)空調(diào)仿真研究尚未見諸于文獻(xiàn) 針對(duì)于此，本文根據(jù)所收集到的有關(guān)廠家的變頻多聯(lián)空調(diào)樣本和有限的公開數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有的通用能耗仿真軟件EnergyPlus對(duì)變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)的能量及負(fù)荷性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在該仿真軟件的基礎(chǔ)上，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算模塊。然后在一典型算例的基礎(chǔ)上，分析了變頻多聯(lián)系統(tǒng)的部分負(fù)荷性能特性，并且用文獻(xiàn)5 中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了驗(yàn)證。本工作目的在于，在實(shí)踐中整合利用EnergyPlus軟件的建筑和H

7、VAC系統(tǒng)一體化的能量模擬功能，來(lái)評(píng)估比較變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)和其他暖通設(shè)備配置方案的能量損耗水平。 1. 變頻多聯(lián)空調(diào)能耗仿真模塊的建立EnergyPlus中用于描述空調(diào)制冷工況的性能曲線共有五條：制冷量與溫度變化關(guān)系曲線、制冷量與空氣流量變化關(guān)系曲線；能量輸入比（EIR）與溫度變化關(guān)系曲線、能量輸入比（EIR）與空氣流量變化關(guān)系曲線；以及部分負(fù)荷系數(shù)曲線。由于變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)空氣流量可以視為常數(shù)，所以流量曲線可以略去，實(shí)際使用的性能曲線為三條。首先，需要在數(shù)據(jù)讀入管理程序中添加變頻多聯(lián)空調(diào)設(shè)備參數(shù)輸入表單，以便EnergyPlus能夠獲得變頻多聯(lián)空調(diào)的性能參數(shù)；然后利用軟件功能強(qiáng)大的仿真

8、管理主程序進(jìn)行負(fù)荷及設(shè)備的一體化模擬運(yùn)算，最后通過(guò)程序自帶的數(shù)據(jù)輸出管理程序輸出變頻多聯(lián)空調(diào)能耗計(jì)算值。經(jīng)過(guò)這樣的改造過(guò)程，便可在EnergyPlus軟件環(huán)境下，利用其建筑和設(shè)備仿真的強(qiáng)大功能，來(lái)對(duì)變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組的能耗情況進(jìn)行模擬計(jì)算。圖1描述了變頻多聯(lián)系統(tǒng)在EnergyPlus程序中的建模過(guò)程。圖1 變頻多聯(lián)空調(diào)能耗仿真程序在EnergyPlus中的建立過(guò)程基于上述框圖，在EnergyPlus中進(jìn)行編程，添加用于計(jì)算變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)功耗的語(yǔ)句行。流程圖如圖2所示。圖2 變頻多聯(lián)空調(diào)能耗模擬主程序流程框圖2. 變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的能耗仿真結(jié)果分析以圖3 所示的多區(qū)域建筑為例，利用新開發(fā)的帶有變

9、頻多聯(lián)空調(diào)計(jì)算模塊的EnergyPlus仿真程序，計(jì)算變頻多聯(lián)系統(tǒng)在單冷工況下的電力能耗。為驗(yàn)證多臺(tái)室外機(jī)組制冷的情況，將室內(nèi)機(jī)分為兩組，分屬于兩臺(tái)室外機(jī)。兩組區(qū)域各使用一臺(tái)一拖三變頻多聯(lián)機(jī)組，其中，區(qū)域1-3對(duì)應(yīng)室外機(jī)MIAC-1；區(qū)域4-6為另一組，對(duì)應(yīng)室外機(jī)MIAC-2。假定該建筑物層數(shù)為一層，層高為4米，從區(qū)域1到區(qū)域4的建筑面積相等，均為66.67米2；區(qū)域5和區(qū)域6的建筑面積相等，為100米2。各區(qū)域照明冷負(fù)荷設(shè)定均為1400W（非工作時(shí)間保留5%的值班照明），人員為每區(qū)域4人，電子設(shè)備冷負(fù)荷區(qū)域1到4 設(shè)定為2160W，區(qū)域5和區(qū)域6為3240W。選定10HP的變頻多聯(lián)空調(diào)室外機(jī)

10、組，100%組合比下額定制冷量為28.0 KW；室內(nèi)機(jī)組型號(hào)統(tǒng)一為天花板嵌入式FXFQ100KML，額定制冷容量為11.2kW，此時(shí)每臺(tái)室外機(jī)的實(shí)際組合比（室內(nèi)機(jī)的總?cè)萘恐笖?shù)和室外機(jī)容量指數(shù)之比）為120%。圖3 變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)能耗算例中的6區(qū)域建筑為了驗(yàn)證變頻多聯(lián)空調(diào)計(jì)算模塊的仿真能力，本文選定TMY2氣象文件，以夏季設(shè)計(jì)日（7月21日）制冷工況進(jìn)行全天模擬運(yùn)行。設(shè)備作息表為8:00-17:00運(yùn)行，其余時(shí)間關(guān)閉。仿真結(jié)果分析如下文所述。2.1 變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的部分負(fù)荷性能仿真 對(duì)于變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)，其部分負(fù)荷下的功率消耗與室內(nèi)空氣溫度的設(shè)定和室外空氣溫度有關(guān)?，F(xiàn)以MIAC-1系統(tǒng)為例進(jìn)

11、行分析，依次繪出在不同室內(nèi)設(shè)定溫度值下，變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的功率損耗曲線。圖4為三臺(tái)室內(nèi)機(jī)全開工況下，變頻空調(diào)系統(tǒng)功率的變化情況。由圖可見，在空調(diào)機(jī)組運(yùn)行時(shí)段內(nèi)，隨著室外溫度逐漸升高，MIAC-1機(jī)組的運(yùn)行電耗逐漸增大；在15:00氣溫達(dá)到本日最高，為 32.6度，而由于建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，冷負(fù)荷延遲形成，功率則在16:00達(dá)到最大值，滯后一個(gè)小時(shí)。 注意到8:0011:30期間，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)設(shè)定溫度時(shí)仍然存在一定的冷負(fù)荷?？疾旄鲄^(qū)域室內(nèi)得熱的設(shè)定值，發(fā)現(xiàn)設(shè)定數(shù)值偏大，如電子設(shè)備得熱水平為32.40W/m2，是文獻(xiàn)7推薦值16.15W/m2的一倍多；另外，算例房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫良好，地面

12、為絕熱表面、屋頂有25mm厚、導(dǎo)熱系數(shù)為0.0432W/(K)的絕熱材料保溫、墻體為100mm磚墻，導(dǎo)熱系數(shù)為0.7260.0432W/(K)，以上因素使得室內(nèi)較大的得熱負(fù)荷無(wú)法及時(shí)的通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散發(fā)到室外環(huán)境中，需要空調(diào)機(jī)組提供一部分冷量，以維持室內(nèi)溫度設(shè)定值。這種情形類似于冬季大型建筑物的內(nèi)區(qū)仍需要供冷的情況。圖4 三臺(tái)室內(nèi)機(jī)全開工況下，變頻空調(diào)系統(tǒng)MIAC-1功率的變化情況 為了便于與文獻(xiàn)5中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證，對(duì)室內(nèi)機(jī)開啟兩臺(tái)和一臺(tái)時(shí)，變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)功率變化規(guī)律作了研究，仿真結(jié)果和三臺(tái)全部開啟的情況相似，反映了變頻多聯(lián)空調(diào)功率消耗同樣的演化規(guī)律，如圖5和圖6所示，與文獻(xiàn)5所記載的

13、試驗(yàn)結(jié)果分析規(guī)律相吻合。 對(duì)于圖6所示（只開一臺(tái)室內(nèi)機(jī)）的14:00以后功率曲線出現(xiàn)相交的現(xiàn)象，考察此時(shí)的冷負(fù)荷和室內(nèi)實(shí)際溫度，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)設(shè)定值22、24、26的情況下，空調(diào)房間實(shí)際溫度無(wú)法維持在其設(shè)定值，最高可超過(guò)其設(shè)定值2.98。由于該算例中建筑物均為封閉式，在僅開一臺(tái)室內(nèi)機(jī)（區(qū)域1內(nèi)）時(shí)，14:00以后其鄰近房間（區(qū)域2和區(qū)域3）的室內(nèi)溫度均已超過(guò)40。此時(shí)無(wú)論室內(nèi)溫度設(shè)定值多少，機(jī)組的功率均已經(jīng)達(dá)到最大值，故各條功率曲線在末端并攏，反映出機(jī)組出力已經(jīng)不足以滿足負(fù)荷要求。 圖5 兩臺(tái)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行工況下，變頻空調(diào)系統(tǒng)MIAC-1功率的變化情況圖6 單臺(tái)室內(nèi)機(jī)運(yùn)行工況下，變頻空調(diào)系統(tǒng)MIAC-

14、1功率的變化情況2.2 變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)部分負(fù)荷比PLR和性能系數(shù)COP的關(guān)系分析圖7給出了MIAC-1和MIAC-2兩臺(tái)機(jī)組性能系數(shù)與部分負(fù)荷比的關(guān)系，可以看出，兩組曲線的變化規(guī)律是非常相似的。隨著部分負(fù)荷率PLR的增加，機(jī)組的COP值逐漸下降。在PLR處于0.4-0.6區(qū)間時(shí)，變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的COP值為當(dāng)日最大，可達(dá)4.6-4.8；而當(dāng)PLR處于0.81-0.87區(qū)間內(nèi)時(shí)，變頻多聯(lián)空調(diào)系統(tǒng)的COP值為當(dāng)日最低，可達(dá)3.71-3.85。仿真結(jié)果表明，在本算例中，當(dāng)變頻多聯(lián)空調(diào)在部分負(fù)荷比0.4-0.6區(qū)段，COP達(dá)到其全日最高值，這個(gè)結(jié)論與文獻(xiàn)5中的試驗(yàn)結(jié)果分析規(guī)律是吻合的。圖7 MIAC

15、-1和MIAC-2兩臺(tái)機(jī)組性能系數(shù)與部分負(fù)荷比的關(guān)系圖8 MIAC-1系統(tǒng)與分散式WindAC系統(tǒng)COP日變化幅值的比較圖8中，選擇變頻空調(diào)系統(tǒng)配置方案，以MIAC-1系統(tǒng)為例，同時(shí)開啟三臺(tái)室內(nèi)機(jī)，與選擇分散式WindAC系統(tǒng)（窗式空調(diào)機(jī)）配置方案，在室內(nèi)設(shè)定溫度為26工況下，作了仿真比較運(yùn)算。 在此基礎(chǔ)上以各系統(tǒng)日最低COP為基準(zhǔn)，求出各時(shí)刻與該最低值的差，并繪出了變頻空調(diào)系統(tǒng)與分散式WindAC系統(tǒng)性能系數(shù)COP日變化幅值的對(duì)比曲線。對(duì)照?qǐng)D4中室外氣溫的曲線，可以看到，從早上8：00到下午17：00，室外氣溫是一直升高的，冷負(fù)荷變化較大。兩種系統(tǒng)形式的COP都在8:0010:00內(nèi)相繼達(dá)到

16、本日最高，而在13:0015:00內(nèi)達(dá)到本日最低。在此過(guò)程中，WindAC的COP性能曲線比較平坦，全天COP值變化范圍在0.3-0.5之內(nèi)；而變頻多聯(lián)空調(diào)機(jī)組的COP性能曲線變化顯著，全天最大變化值可達(dá)1.12，顯示出變頻空調(diào)對(duì)負(fù)荷變化的靈活響應(yīng)能力。同時(shí)，在整個(gè)運(yùn)行階段，變頻多聯(lián)空調(diào)的COP都遠(yuǎn)高于窗機(jī)，體現(xiàn)出了變頻空調(diào)優(yōu)秀的部分負(fù)荷性能。3. 結(jié)語(yǔ)本文闡述了在EnergyPlus中開發(fā)變頻多聯(lián)空調(diào)能耗計(jì)算模塊的過(guò)程。在一個(gè)六區(qū)域建筑的基礎(chǔ)上，作了仿真結(jié)果的評(píng)估，并與他人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果作了對(duì)比驗(yàn)證，得出了符合實(shí)際的結(jié)論。仿真結(jié)果表明，在動(dòng)態(tài)建筑能量分析軟件EnergyPlus中添加變頻多聯(lián)

17、空調(diào)系統(tǒng)能量計(jì)算模塊是可行的，而且有利于借助EnergyPlus強(qiáng)大的建筑和HVAC系統(tǒng)一體化的仿真能力，評(píng)價(jià)各種系統(tǒng)配置方案在未來(lái)建筑中的能量損耗水平，從而優(yōu)化HVAC系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1 Shih-Cheng Hu , Rong-Hwa Yang. Development and testing of a multi-type air conditioner without using AC inverters. Energy Conversion and Management . 2005, 46 (3): 3733832 J.M. Choi, Y.C. Kim. Capacity

18、 modulation of an inverter-driven multi-air conditioner using electronic expansion valves. Energy. 2003，28(2): 1411553 Youn Cheol Park, Young Chul Kim, Man-ki Min. Performance analysis on a multi-type inverter air conditioner. Energy Conversion and Management. 2001,42(13): 1607-16214 Drury B. Crawley, Linda K. Lawrie, et al. EnergyPlus: creating a new-ge