249DeST中VRF模擬模型建立與驗(yàn)證

1、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)計和運(yùn)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(chǔ)上，進(jìn)行了參數(shù)識別和驗(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 VRRF（變制冷冷劑流量） DeST模擬擬模型 參數(shù)識別別 驗(yàn)證1 引言變制冷劑流量（VVariabble Reefrigeerant Fl

2、ow, 以下簡稱稱VRF）空空調(diào)系統(tǒng)200世紀(jì)80年年代始發(fā)展于日本和和西歐一些國國家中，900年代被引入入中國，逐漸漸代替一些傳傳統(tǒng)的中央空空調(diào)系統(tǒng)，得得到較為廣泛泛的應(yīng)用。由于其采用用變?nèi)萘空{(diào)節(jié)節(jié)以匹配系統(tǒng)統(tǒng)負(fù)荷變化，通過改變流流經(jīng)各室內(nèi)機(jī)機(jī)的制冷劑流流量來滿足不不同室內(nèi)機(jī)所所帶房間的熱熱濕負(fù)荷需求求，且各室內(nèi)機(jī)機(jī)可以獨(dú)立調(diào)調(diào)節(jié)，因此特別適合合于同一建筑筑內(nèi)部各房間間功能和負(fù)荷荷多樣化的建建筑，比如寫寫字樓、商場場等，在節(jié)能方面面具有較為突突出的表現(xiàn)。由于其良好好的調(diào)控性能能，其季節(jié)能能效比高于風(fēng)風(fēng)冷熱泵空調(diào)調(diào)機(jī)組1；而與傳統(tǒng)統(tǒng)大型中央空空調(diào)相比，VVRF系統(tǒng)又又具有自動化化程度高、使使用

3、靈活、管管理方便等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)。因此VVRF空調(diào)系系統(tǒng)在現(xiàn)階段段的工程設(shè)計計中日益得到到廣泛應(yīng)用。從VRF系統(tǒng)在在建筑中實(shí)際際應(yīng)用的效果果來看，其系系統(tǒng)能效性能能與設(shè)計理想想工況以及廠廠家提供的數(shù)數(shù)據(jù)還存在不不小的差距，主要原因有室內(nèi)機(jī)與室外機(jī)選型不當(dāng)、對管長和高差對系統(tǒng)性能未加以修正、系統(tǒng)設(shè)計超出匹配限制等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，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)良好的的設(shè)計，應(yīng)該該對VRF的的運(yùn)行進(jìn)行全全工況遍歷，即即考察所設(shè)計計的VRF系系統(tǒng)在全年各各種工

4、況下的的運(yùn)行性能，全面考察不同的系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以對設(shè)計和運(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DeSTT軟件為平臺臺，搭建了VVRF系統(tǒng)模模擬模塊，建建立了以分部部件灰箱模型型為基礎(chǔ)的VVRF系統(tǒng)模模擬模型，并并且利用廠家家樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行行了模型識別別和驗(yàn)證，從從而獲得能夠夠進(jìn)行全年系系統(tǒng)能耗模擬擬的完整VRRF模型。2 VRF系統(tǒng)統(tǒng)模擬模型

5、進(jìn)行VRF系統(tǒng)統(tǒng)模擬是為了了指導(dǎo)設(shè)計選選型和運(yùn)行優(yōu)化，因此VRF系系統(tǒng)模型必須須符合以下三三個基本要求求：一是該模模型能夠反映映不同工況下下系統(tǒng)不同部部件的運(yùn)行狀狀況；二是該該模型適合于于以小時為步步長的全年逐逐時模擬；三三是該模型具具有良好通用用性，對于不不同的VRFF系統(tǒng)能夠通通過關(guān)鍵參數(shù)數(shù)的識別來反反映其特性。分部件聯(lián)合模擬擬灰箱模型是是最符合上述述要求的模型型，本文分別建立立壓縮機(jī)、室室外機(jī)換熱器、室室內(nèi)機(jī)換熱器和膨膨脹閥的灰箱箱模型，然后后將它們聯(lián)立為VRFF系統(tǒng)模型，聯(lián)聯(lián)合模擬，聯(lián)聯(lián)立求解。VRF系統(tǒng)的基基本組成部件件是1個室外外機(jī)、2個或或多個室內(nèi)機(jī)機(jī)，以及連接接室外機(jī)和室室內(nèi)機(jī)

6、的管網(wǎng)網(wǎng)，如圖1。其中中室外機(jī)由室室外換熱器、風(fēng)風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)機(jī)構(gòu)成，室內(nèi)內(nèi)機(jī)由室內(nèi)換換熱器和風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)成。各室室內(nèi)機(jī)的制冷冷劑流量控制制由各室內(nèi)機(jī)機(jī)換熱器前的的電子膨脹閥閥實(shí)現(xiàn)。圖1 VRFF系統(tǒng)組成部部件2.1 壓縮機(jī)機(jī)模型VRF系統(tǒng)多采采用渦旋壓縮縮機(jī)，其工作作過程可分為為3個階段，如如圖2所示：(1) 制冷劑劑在吸氣口的的預(yù)熱過程（ssu-suu1），(2) 制冷劑劑在壓縮機(jī)中中先絕熱壓縮縮后等容壓縮縮過程（suu1-exx1）。(3) 制冷劑劑在排氣口的的冷卻過程（eex1-eex）。圖2 渦旋旋壓縮機(jī)工作作過程示意圖圖圖3渦旋壓縮縮機(jī)工作過程程在壓焓圖上上表示在壓焓圖上表示示相應(yīng)的過程

7、程，如圖3所示：(1)認(rèn)為壓縮縮機(jī)電機(jī)的熱熱損失全部用用于制冷劑進(jìn)進(jìn)入吸氣口之之前的預(yù)熱，。(2) 渦旋壓壓縮機(jī)壓縮過過程可以看成成一個絕熱過過程，又分為兩個階階段：等熵壓壓縮過程和絕絕熱等容過程程。兩個過程程的分界壓力力為內(nèi)部壓比比所決定的出出口壓力（用用“ad”來表示），分分界點(diǎn)比容與與進(jìn)口比容以以及內(nèi)部壓縮縮比有如下關(guān)關(guān)系：。(3) 在壓縮縮機(jī)出口的冷冷卻放熱量由由如下公式計計算：其中和為兩個散散熱量常系數(shù)數(shù)，根據(jù)清華華大學(xué)的夏建建軍20000年于比利時時列日大學(xué)的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果4，。壓縮機(jī)的能耗計計算如下：其中為與實(shí)際壓壓縮過程無關(guān)關(guān)的壓縮機(jī)機(jī)機(jī)械損失；為為與實(shí)際壓縮縮過程有關(guān)的的壓縮機(jī)機(jī)

8、械械損失，和為關(guān)聯(lián)系數(shù)數(shù)。對于給定定的壓縮機(jī)，三個參數(shù)、和可以通過產(chǎn)品樣本的擬合來獲取。壓縮機(jī)的頻率計計算公式為：。其中為壓縮機(jī)機(jī)入口體積排排量，為壓縮機(jī)容積效效率。2.2 冷凝器器模型VRF系統(tǒng)的運(yùn)運(yùn)行工況包括括全體制冷、大大部分制冷、熱熱回收、大部部分制熱、全全體制熱這55種，其室外外換熱器和室室內(nèi)換熱器依依據(jù)工況的不不同，有時作作為冷凝器，有有時作為蒸發(fā)發(fā)器，它們的的換熱原理是是相同的，但但模型因內(nèi)部部制冷劑相態(tài)態(tài)分區(qū)的不同同而略有不同同。冷凝器采用三區(qū)區(qū)換熱器分區(qū)區(qū)集總參數(shù)模模型。壓縮機(jī)機(jī)出口的制冷冷劑處于過熱熱狀態(tài)，經(jīng)冷冷凝器分別經(jīng)經(jīng)過過熱區(qū)、兩兩相區(qū)和過冷冷區(qū)三個區(qū)域域，在冷凝器器

9、出口為過冷冷液，流向電電子膨脹閥。在每個區(qū)內(nèi)內(nèi)，制冷劑的的計算用集總總參數(shù)法，而而空氣溫度在在整個換熱器器表面視為一一致。三區(qū)換熱器的示示意圖如圖44所示：圖4 冷凝器模模型示意圖三個區(qū)的制冷劑劑側(cè)熱阻關(guān)系系為：兩相區(qū)區(qū)的熱阻，過過熱區(qū)熱阻，過過冷區(qū)熱阻。在計算各區(qū)的換換熱量時，采采用-NTU方方法，制冷劑劑和空氣視為為逆流。以過熱區(qū)的計算算為例，主要要用到如下公公式：，其中為過熱區(qū)區(qū)面積占總換換熱器面積的的比例。由此算出過熱區(qū)區(qū)的換熱量。同同樣可以算出出兩相區(qū)和過過冷區(qū)的換熱熱量，冷凝器器總換熱量等等于3區(qū)換熱熱量之和，即即：當(dāng)兩側(cè)流體流量量變化時，采采用如下空氣氣側(cè)和制冷劑劑側(cè)的熱阻關(guān)關(guān)于

10、流量變化化的關(guān)系式：2.3 蒸發(fā)器器模型蒸發(fā)器與冷凝器器相比，其進(jìn)進(jìn)口制冷劑處處于兩相區(qū)，出出口制冷劑狀狀態(tài)根據(jù)控制制策略的不同同，可能為過液液（兩相區(qū)）或或過熱（過熱熱區(qū)）。因此蒸發(fā)器器采用的是兩兩區(qū)換熱器模模型（當(dāng)蒸發(fā)發(fā)器過液時，模模型求解結(jié)果果會表明出口口制冷劑仍處處于兩相區(qū)，即即該蒸發(fā)器無無過熱區(qū)），如如圖5所示：圖5 蒸發(fā)器模模型示意圖與冷凝器模型相相同，計算蒸蒸發(fā)器各區(qū)換換熱量時用-NTU方方法，制冷劑劑和空氣視為為逆流。在每每個區(qū)內(nèi)，制制冷劑的計算算用集總參數(shù)數(shù)法，而空氣氣溫度在整個個換熱器表面面視為一致。2.4 膨脹閥閥模型VRV系統(tǒng)中所所用的膨脹閥閥是電子膨脹脹閥。其熱模模型

11、為理想的的等焓節(jié)流裝裝置，即。膨脹閥在工作時時要求兩端具具有一定的壓壓力差。隨著著電子膨脹閥閥技術(shù)的提高高,膨脹閥兩兩端要求的最最小壓差也變變的更小了，因因此在模型中中認(rèn)為膨脹閥閥兩端壓力差差（冷凝壓力力減蒸發(fā)壓力力）總能滿足足最小壓力的的要求。因此此不需要建立立膨脹閥的壓壓降關(guān)于制冷冷劑流量的模模型。2.5 管網(wǎng)模模型管網(wǎng)模型根據(jù)流流體力學(xué)基本本原理建立。連接管網(wǎng)壓力損損失主要由管管道損失和各各阻力部件（彎彎頭和閥門）損損失組成。由由于連接管網(wǎng)網(wǎng)中制冷劑多多為單相流體體，因此壓力力損失為摩阻阻壓降。可采采用如下公式式進(jìn)行計算：式中：f為摩擦擦因子，可通通過Coleebrookk摩擦因子5關(guān)系

12、式式進(jìn)行計算（紊紊流）： 式中Re為雷諾諾數(shù)，為管內(nèi)內(nèi)壁粗糙度。VRF系統(tǒng)管網(wǎng)網(wǎng)中存在大量量的彎頭和三三通接頭，流流體由于速度度場的變形和和二次環(huán)流的的影響，造成成較大的壓力力損失，因此此在計算中需需要進(jìn)行修正正處理：其中K為由管徑徑、接頭和彎彎頭形狀決定定的阻力系數(shù)數(shù)，可通過查查詢ASHRRAE手冊6中的表格得得到。3 模擬參數(shù)識識別與驗(yàn)證在上面建立的VVRF模型的的基礎(chǔ)上，需需要利用產(chǎn)品品樣本數(shù)據(jù)通通過擬合等方方式識別出模模型中的關(guān)鍵鍵參數(shù)，才能能構(gòu)成完整的的模型，用于于全年能耗模模擬。本文利用日本本Daikiin提供的VVRV單冷運(yùn)運(yùn)行模式下（所所有室內(nèi)機(jī)換換熱器都是蒸蒸發(fā)器，室外外機(jī)換

13、熱器為為冷凝器）的的樣本數(shù)據(jù)7進(jìn)行模型參參數(shù)識別，并并且驗(yàn)證識別別結(jié)果的準(zhǔn)確確性。3.1 模型分分析與簡化Daikin提提供了從RHHXYQ8PPY1到RHXYQQ48PY1共221種型號的的室外機(jī)參數(shù)數(shù)，包括性能能參數(shù)和運(yùn)行行參數(shù)兩大類類。其中VRRV運(yùn)行參數(shù)數(shù)有：從1000%500%負(fù)荷率下下，不同外溫溫時的VRVV系統(tǒng)的制冷冷量和總電耗耗（壓縮機(jī)電電耗和室外機(jī)機(jī)風(fēng)機(jī)電耗之之和），以RRHXYQ116PY1型號為為例，其運(yùn)行行參數(shù)如圖66：圖6 Daikkin VRRV 單冷運(yùn)運(yùn)行模式下運(yùn)運(yùn)行參數(shù)該型號室外機(jī)的的其他性能參參數(shù)如表1：表1 RHXYYQ16PY1主要性能參數(shù)數(shù)壓縮機(jī)臺數(shù)：2

14、2制冷劑：R4110A內(nèi)部壓縮比吸氣容積換熱器空氣側(cè)額額定熱阻換熱器制冷劑側(cè)側(cè)兩相區(qū)額定定熱阻由于Daikiin提供的VVRV運(yùn)行參參數(shù)和性能參參數(shù)只涉及室室外機(jī)，不涉涉及室內(nèi)機(jī)，而而且沒有說明明獲得該VRRV運(yùn)行參數(shù)數(shù)的具體工況況，即一臺室室外機(jī)所帶室室內(nèi)機(jī)的型號號、數(shù)量、各室內(nèi)機(jī)所所處理的負(fù)荷荷的大小，同時管管網(wǎng)連接情況況也未知，因因此根據(jù)所給給參數(shù)進(jìn)行VVRV模型識識別時，有必必要對模型進(jìn)進(jìn)行合理的簡簡化，如下：1. 認(rèn)為室內(nèi)內(nèi)機(jī)一側(cè)處于于“理想控制工工況”，所有室內(nèi)內(nèi)機(jī)的蒸發(fā)壓壓力都能穩(wěn)定定地控制在設(shè)設(shè)定值，所有有室內(nèi)機(jī)的出出力都足以處處理各自的負(fù)負(fù)荷。2. 流經(jīng)壓縮縮機(jī)和冷凝器器的制

15、冷劑總總流量由冷凝凝器出口回液液旁通控制，該該控制也是理理想的，即制制冷劑總流量量總能達(dá)到所所需值。3.假定Daiikin VVRV的控制制模式為：控控制壓縮機(jī)進(jìn)進(jìn)口過熱度為為5，冷凝器出出口過冷度為為5，且認(rèn)為其其理想控制，可可保持不變。根據(jù)上面的分析析，在模型中中可以省去室室內(nèi)機(jī)的模型型，直接以蒸蒸發(fā)溫度為66作為輸入條條件，而制冷冷劑流量在冷冷凝器出口回回液旁通的控制策策略下也能夠夠達(dá)到所需值值，該值由迭迭代計算的結(jié)結(jié)果確定。至于管網(wǎng)模型，由由于實(shí)際管網(wǎng)網(wǎng)連接情況非非常復(fù)雜多樣樣，無法給出出一個通用連連接形式，所所以在參數(shù)識識別時只能忽忽略管網(wǎng)的影影響，而在識識別之后的能能耗計算時再再根

16、據(jù)實(shí)際管管網(wǎng)連接形式式加入管網(wǎng)模型型進(jìn)行計算。3.2 模型參參數(shù)識別模型參數(shù)識別，即即利用大量工工況點(diǎn)的計算算結(jié)果進(jìn)行模模型關(guān)鍵參數(shù)數(shù)的擬合。利利用所給系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)，用模模型識別結(jié)果果包括壓縮機(jī)機(jī)的能耗關(guān)聯(lián)聯(lián)參數(shù)和室外外機(jī)風(fēng)機(jī)的能能耗關(guān)聯(lián)參數(shù)數(shù)，具體結(jié)果果如下：1. 壓縮機(jī)能能耗關(guān)聯(lián)式：2. 室外機(jī)風(fēng)風(fēng)機(jī)能耗關(guān)聯(lián)聯(lián)式室外機(jī)風(fēng)機(jī)的能能耗與室外溫溫度以及制冷冷量密切相關(guān)關(guān)，因此把它它的能耗擬合合為關(guān)于和的二次三項(xiàng)項(xiàng)式，如下：3.3 識別結(jié)結(jié)果驗(yàn)證在獲得以上識別別參數(shù)之后，就就可以根據(jù)圖圖6中給定的工工況點(diǎn)分別模模擬出所有工工況下的壓縮縮機(jī)能耗和室室外風(fēng)機(jī)能耗耗，又根據(jù)給給定的總能耗耗樣本值減去去即得

17、到壓縮縮機(jī)能耗的樣樣本值，通過過對比和的相對誤差差來考察參數(shù)數(shù)識別的準(zhǔn)確確性，如圖77：5.0%5.0%-3.5%圖7 RHXXYQ16PPY1參數(shù)識識別結(jié)果驗(yàn)證證由圖7的結(jié)果可可見，在所給給的50%負(fù)負(fù)荷率以上所所有工況點(diǎn)下下，壓縮機(jī)能能耗的計算值值和樣本值的的相對誤差都都在5%以內(nèi)，可可見參數(shù)識別別結(jié)果準(zhǔn)確，利利用所形成的的模型進(jìn)行VVRV的能耗耗模擬具有較較高的精度。5.0%5.0%-3.5%5.0%5.0%-3.5%4.5%4.5%-3.0%5.0%5.0%-5.0%圖8 其他型號號的Daikkin VRRF室外機(jī)參參數(shù)識別驗(yàn)證證結(jié)果利用相同的方法法，識別了大大金所有211種型號的室室

18、外機(jī)的參數(shù)數(shù)，其驗(yàn)證結(jié)結(jié)果（如圖8）都說明參數(shù)識識別結(jié)果準(zhǔn)確確。這樣所得得到的模型能能夠準(zhǔn)確反映映VRV系統(tǒng)統(tǒng)的性能特點(diǎn)點(diǎn)，可以進(jìn)一一步用它們來來模擬Daiikin VVRV系統(tǒng)全全年各種工況況下的運(yùn)行能能耗。圖9和圖10是是應(yīng)用識別后后的VRF模模型計算某使使用了帶獨(dú)立立新風(fēng)處理機(jī)機(jī)的Daikkin VRRV的案例計計算結(jié)果，該該結(jié)果與大金金樣本數(shù)據(jù)所所顯示的產(chǎn)品品性能基本一一致。圖9 某帶新風(fēng)風(fēng)處理機(jī)的VVRV系統(tǒng)各各部件在整個個制冷季的總總能耗比例圖10 某VRRV系統(tǒng)全制制冷工況下的的COP曲線線4 結(jié)論本文從指導(dǎo)VRRF系統(tǒng)設(shè)計計選型與運(yùn)行行優(yōu)化的目的出出發(fā)，基于DDeST軟件件平臺建立了了適于全年逐逐時能耗模擬擬的VRF系系統(tǒng)分部件灰灰箱模型。利利用Daikkin提供的的VRV系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)，在合合理簡化模型型的基礎(chǔ)上，進(jìn)進(jìn)行了參數(shù)識識別和驗(yàn)證，從從而得到了能能夠準(zhǔn)確反映映Daikiin VRVV性能特性的的VRF模型型，可以進(jìn)一一步用其進(jìn)行行全年能耗的的模擬。由于該模型具有有良好的通用用性，可用于于識別任意一一種VRF產(chǎn)產(chǎn)品，只要該該產(chǎn)品可獲得得的樣本數(shù)據(jù)據(jù)符合一定要要求，因此將將該模型嵌套套于DeSTT中可以方便便地模擬各種種選型和分區(qū)區(qū)情況下的VVRF運(yùn)行情情況與室內(nèi)環(huán)環(huán)境控制結(jié)果果，為指導(dǎo)工程設(shè)設(shè)