变频多联空调系统在建筑应用中的能耗仿真

174变频多联空调系统在建筑应用中的能耗仿真周宴平，吴静怡，王如竹上海交通大学制冷与低温工程研究所摘要：为了评价变频多联空调系统在建筑应用中的能耗特性，本文采用通用软件EnergyPlus，在室内设定温度分别为22℃、24℃、26℃、28℃的情况下对变频多联空调系统的性能系数和部分负荷比，以及室外温度和机组能耗的关系进行了计算分析，并与文献中的实验结果作了对比验证。结果表明，变频多联空调系统在部分负荷工作条件下具有非常好的节能特性。关键词：能耗仿真变频多联空调EnergyPlusEnergySimulationofMulti-evaporatorInverterAirConditionerintheArchitecturalApplicationAbstract:Basedonthedynamicbuildingenergysimulationsoftware,EnergyPlus,energyusageofthemulti-evaporatorinverterair-conditioning(MIAC)systemisstudied.ThispaperinvestigatestheMIACsystem'scoefficientofperformance(COP)andpartloadratio(PLR),withtheindoortemperaturesetpointat22℃,24℃,26℃,28℃,respectively,andaddressestherelationshipbetweentheoutdoortemperatureandenergyconsumptionoftheMIACsystem.CoherencebetweenthesimulationresultsandtheexperimentalcurvesshowsthattheMIACsystemisadmirablyenergy-efficientunderthepart-loadcondition..Keywords:Energysimulation;Multi-evaporatorInverterairconditioner;EnergyPlus引言近年来，变频多联空调（为简便计，以下部分地方简称为MIAC）装置由于其出色的容量控制能力、优良的性能价格比、节能、以及应用灵活、一机多用,并能有效地减少设备的空间安装要求等诸多优势，在中小型空调工程及改扩建工程中得到了广泛的应用。目前国际上在该领域的研究多着眼于压缩机速度控制、制冷剂分布和电子膨胀阀（EEV）等部件的动态性能[1]~[3]。作为新一代的建筑全能耗分析软件,EnergyPlus继承了经典建筑能耗分析软件DOE-2和BLAST的优势，同时发展了许多新的功能,它采用集成化的负荷-设备-系统同步计算模拟方法、易于维护的Fortran90模块化开发式结构、并可以在某些功能上与其他软件如SPARK和TRNSYS实现连接。EnergyPlus可以实现常见的HVAC系统的模拟，包括冷热源侧设备如吸收式制冷机、电制冷机、燃气轮机制冷机、锅炉、冷却塔等，以及末端侧设备风机盘管、VAV送风箱、诱导式送风机等。这些设备分别用冷水、热水和冷却水回路连接起来。设备模拟采用性能曲线拟合法，有利于用户根据自身需求添加其他类型的模块[4]。但目前变频多联空调在EnergyPlus中的性能模拟尚未实现。尽管国内学者也开始在做一些变频多联空调的仿真研究，但其研究目的主要是通过建立系统的热动力学模型，来分析多联系统的特性和检验控制算法的性能。对于结合建筑能耗的变频多联空调仿真研究尚未见诸于文献针对于此，本文根据所收集到的有关厂家的变频多联空调样本和有限的公开数据，利用175现有的通用能耗仿真软件EnergyPlus对变频多联空调机的能量及负荷性能进行评价。在该仿真软件的基础上，开发了相应的计算模块。然后在一典型算例的基础上，分析了变频多联系统的部分负荷性能特性，并且用文献[5]中的实验结果作了验证。本工作目的在于，在实践中整合利用EnergyPlus软件的建筑和HVAC系统一体化的能量模拟功能，来评估比较变频多联空调系统和其他暖通设备配置方案的能量损耗水平。1.变频多联空调能耗仿真模块的建立EnergyPlus中用于描述空调制冷工况的性能曲线共有五条：制冷量与温度变化关系曲线、制冷量与空气流量变化关系曲线；能量输入比（EIR）与温度变化关系曲线、能量输入比（EIR）与空气流量变化关系曲线；以及部分负荷系数曲线。由于变频多联空调系统的送风空气流量可以视为常数，所以流量曲线可以略去，实际使用的性能曲线为三条。首先，需要在数据读入管理程序中添加变频多联空调设备参数输入表单，以便EnergyPlus能够获得变频多联空调的性能参数；然后利用软件功能强大的仿真管理主程序进行负荷及设备的一体化模拟运算，最后通过程序自带的数据输出管理程序输出变频多联空调能耗计算值。经过这样的改造过程，便可在EnergyPlus软件环境下，利用其建筑和设备仿真的强大功能，来对变频多联空调机组的能耗情况进行模拟计算。图1描述了变频多联系统在EnergyPlus程序中的建模过程。开开开开开开开开开开开开开开开开开HVAC开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开图1变频多联空调能耗仿真程序在EnergyPlus中的建立过程基于上述框图，在EnergyPlus中进行编程，添加用于计算变频多联空调系统功耗的语句行。流程图如图2所示。176开开开开开开开OutdoorUnitNum=1开开开开开IndoorUnitNum=1开开开开开开开开开开?开开开开开开开开开开开开开开开开开开开?开开开开开开开IndoorUnitNum=IndoorUnitNum+1开开开开开开开OutdoorUnitNum=OutdoorUnitNum+1开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开/开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开/开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开开图2变频多联空调能耗模拟主程序流程框图2.变频多联空调系统的能耗仿真结果分析以图3所示的多区域建筑为例，利用新开发的带有变频多联空调计算模块的EnergyPlus仿真程序，计算变频多联系统在单冷工况下的电力能耗。为验证多台室外机组制冷的情况，将室内机分为两组，分属于两台室外机。两组区域各使用一台一拖三变频多联机组，其中，区域1-3对应室外机MIAC-1；区域4-6为另一组，对应室外机MIAC-2。假定该建筑物层数为一层，层高为4米，从区域1到区域4的建筑面积相等，均为66.67177米2；区域5和区域6的建筑面积相等，为100米2。各区域照明冷负荷设定均为1400W（非工作时间保留5%的值班照明），人员为每区域4人，电子设备冷负荷区域1到4设定为2160W，区域5和区域6为3240W。选定10HP的变频多联空调室外机组，100%组合比下额定制冷量为28.0KW；室内机组型号统一为天花板嵌入式FXFQ100KML，额定制冷容量为11.2kW，此时每台室外机的实际组合比（室内机的总容量指数和室外机容量指数之比）为120%。图3变频多联空调系统能耗算例中的6区域建筑为了验证变频多联空调计算模块的仿真能力，本文选定TMY2气象文件，以夏季设计日（7月21日）制冷工况进行全天模拟运行。设备作息表为8:00-17:00运行，其余时间关闭。仿真结果分析如下文所述。2.1变频多联空调系统的部分负荷性能仿真对于变频多联空调系统，其部分负荷下的功率消耗与室内空气温度的设定和室外空气温度有关。现以MIAC-1系统为例进行分析，依次绘出在不同室内设定温度值下，变频多联空调系统的功率损耗曲线。图4为三台室内机全开工况下，变频空调系统功率的变化情况。由图可见，在空调机组运行时段内，随着室外温度逐渐升高，MIAC-1机组的运行电耗逐渐增大；在15:00气温达到本日最高，为32.6度，而由于建筑物围护结构的热惰性，冷负荷延迟形成，功率则在16:00达到最大值，滞后一个小时。注意到8:00~11:30期间，当室外温度低于室内设定温度时仍然存在一定的冷负荷。考察各区域室内得热的设定值，发现设定数值偏大，如电子设备得热水平为32.40W/m2，是文献[7]推荐值16.15W/m2的一倍多；另外，算例房屋围护结构保温良好，地面为绝热表面、屋顶有25mm厚、导热系数为0.0432W/(ｍ·K)的绝热材料保温、墙体为100mm砖墙，导热系数为0.7260.0432W/(ｍ·K)，以上因素使得室内较大的得热负荷无法及时的通过围护结构散发到室外环境中，需要空调机组提供一部分冷量，以维持室内温度设定值。这种情形类似于冬季大型建筑物的内区仍需要供冷的情况。17808:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00--200030004000500060007000800028oC26oC24oC22oCPoweruse(W)TimeofDay(hr)08:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:002022242628303234OutdoortemperatureoCSetpoint图4三台室内机全开工况下，变频空调系统MIAC-1功率的变化情况为了便于与文献[5]中的试验结果进行比较验证，对室内机开启两台和一台时，变频多联空调系统功率变化规律作了研究，仿真结果和三台全部开启的情况相似，反映了变频多联空调功率消耗同样的演化规律，如图5和图6所示，与文献[5]所记载的试验结果分析规律相吻合。对于图6所示（只开一台室内机）的14:00以后功率曲线出现相交的现象，考察此时的冷负荷和室内实际温度，发现在室内设定值22℃、24℃、26℃的情况下，空调房间实际温度无法维持在其设定值，最高可超过其设定值2.98℃。由于该算例中建筑物均为封闭式，在仅开一台室内机（区域1内）时，14:00以后其邻近房间（区域2和区域3）的室内温度均已超过40℃。此时无论室内温度设定值多少，机组的功率均已经达到最大值，故各条功率曲线在末端并拢，反映出机组出力已经不足以满足负荷要求。08:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00--150020002500300035004000450050005500600028oC26oC24oC22oCSetpointPoweruse(W)TimeofDay(hr)179图5两台室内机运行工况下，变频空调系统MIAC-1功率的变化情况08:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00--10001200140016001800200022002400260028003000320028oC26oC24oC22oCPoweruse(W)TimeofDay(hr)Setpoint图6单台室内机运行工况下，变频空调系统MIAC-1功率的变化情况2.2变频多联空调系统部分负荷比PLR和性能系数COP的关系分析图7给出了MIAC-1和MIAC-2两台机组性能系数与部分负荷比的关系，可以看出，两组曲线的变化规律是非常相似的。随着部分负荷率PLR的增加，机组的COP值逐渐下降。在PLR处于0.4-0.6区间时，变频多联空调系统的COP值为当日最大，可达4.6-4.8；而当PLR处于0.81-0.87区间内时，变频多联空调系统的COP值为当日最低，可达3.71-3.85。仿真结果表明，在本算例中，当变频多联空调在部分负荷比0.4-0.6区段，COP达到其全日最高值，这个结论与文献[5]中的试验结果分析规律是吻合的。08:0009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:00--0.40.50.6