249DeST中VRF模拟模型建立与验证

DeST中VRF模拟模型建立与验证清华大学建筑技术科学系王旭辉夏建军张晓亮燕达摘要本文从指导实际工程中VRF空调系统的设计和运行优化出发，以DeST软件为平台，建立了适于全年逐时模拟的VRF系统分部件灰箱模型。利用日本大金（Daikin）提供的VRV系统参数，在合理简化模型的基础上，进行了参数识别和验证，得到能够准确反映DaikinVRV性能特性的VRF模型，可以进一步用其进行全年逐时能耗的模拟，为DeST的实际工程应用提供指导和帮助。关键词VRF（变制冷剂流量）DeST模拟模型参数识别验证1引言变制冷剂流量（VariableRefrigerantFlow,以下简称VRF）空调系统20世纪80年代始发展于日本和西欧一些国家中，90年代被引入中国，逐渐代替一些传统的中央空调系统，得到较为广泛的应用。由于其采用变容量调节以匹配系统负荷变化，通过改变流经各室内机的制冷剂流量来满足不同室内机所带房间的热湿负荷需求，且各室内机可以独立调节，因此特别适合于同一建筑内部各房间功能和负荷多样化的建筑，比如写字楼、商场等，在节能方面具有较为突出的表现。由于其良好的调控性能，其季节能效比高于风冷热泵空调机组[1]；而与传统大型中央空调相比，VRF系统又具有自动化程度高、使用灵活、管理方便等优点。因此VRF空调系统在现阶段的工程设计中日益得到广泛应用。从VRF系统在建筑中实际应用的效果来看，其系统能效性能与设计理想工况以及厂家提供的数据还存在不小的差距，主要原因有室内机与室外机选型不当、对管长和高差对系统性能未加以修正、系统设计超出匹配限制等[2]，这些问题造成VRF系统在实际应用中容量匹配不当、运行能耗高、COP偏低。因此即使有性能良好的VRF产品，也要根据工程实际进行认真的设计，才能使VRF系统在运行中真正达到节能、舒适的效果。而要实现良好的设计，应该对VRF的运行进行全工况遍历，即考察所设计的VRF系统在全年各种工况下的运行性能，全面考察不同的系统方案的优缺点，以对设计和运行进行全面的指导。目前进行全工况遍历最可行有效的方法是进行模拟分析。借助于清华大学建筑技术科学系独立开发的建筑能耗模拟分析软件DeST[3]，能够获得VRF系统所负责的建筑区域的全年逐时负荷，以负荷作为VRF系统模拟模型的输入，可获得VRF全年逐时运行情况的模拟结果，从而实现全工况遍历。本文以DeST软件为平台，搭建了VRF系统模拟模块，建立了以分部件灰箱模型为基础的VRF系统模拟模型，并且利用厂家样品数据进行了模型识别和验证，从而获得能够进行全年系统能耗模拟的完整VRF模型。2VRF系统模拟模型进行VRF系统模拟是为了指导设计选型和运行优化，因此VRF系统模型必须符合以下三个基本要求：一是该模型能够反映不同工况下系统不同部件的运行状况；二是该模型适合于以小时为步长的全年逐时模拟；三是该模型具有良好通用性，对于不同的VRF系统能够通过关键参数的识别来反映其特性。分部件联合模拟灰箱模型是最符合上述要求的模型，本文分别建立压缩机、室外机换热器、室内机换热器和膨胀阀的灰箱模型，然后将它们联立为VRF系统模型，联合模拟，联立求解。VRF系统的基本组成部件是1个室外机、2个或多个室内机，以及连接室外机和室内机的管网，如图1。其中室外机由室外换热器、风机和压缩机构成，室内机由室内换热器和风机构成。各室内机的制冷剂流量控制由各室内机换热器前的电子膨胀阀实现。图1VRF系统组成部件2.1压缩机模型VRF系统多采用涡旋压缩机，其工作过程可分为3个阶段，如图2所示：(1)制冷剂在吸气口的预热过程（su-su1），(2)制冷剂在压缩机中先绝热压缩后等容压缩过程（su1-ex1）。(3)制冷剂在排气口的冷却过程（ex1-ex）。图2涡旋压缩机工作过程示意图图3涡旋压缩机工作过程在压焓图上表示在压焓图上表示相应的过程，如图3所示：(1)认为压缩机电机的热损失全部用于制冷剂进入吸气口之前的预热，,,succpsucplosshhW。(2)涡旋压缩机压缩过程可以看成一个绝热过程，又分为两个阶段：等熵压缩过程和绝热等容过程。两个过程的分界压力为内部压比所决定的出口压力（用“ad”来表示），分界点比容ad,cpv与进口比容suc,cpv以及内部压缩比v有如下关系：ad,cpsuc,cpvvv/。(3)在压缩机出口的冷却放热量由如下公式计算：,,,,(1)avgsurfcpavgsucpavgexcpttt,,,()lossambambavgsurfcpambQAUtt其中avg和ambAU为两个散热量常系数，根据清华大学的夏建军2000年于比利时列日大学的实验结果[4]，0.694avg，0.01ambAU。压缩机的能耗计算如下：,,,,,*(())incpadcpsuccpadcpexcpadcpWMhhvpp212cplossininWWWW其中lossW为与实际压缩过程无关的压缩机机械损失；inW为与实际压缩过程有关的压缩机机械损失，1和2为关联系数。对于给定的压缩机，三个参数lossW、1和2可以通过产品样本的拟合来获取。压缩机的频率计算公式为：,swrefcpvsufvMv。其中swv为压缩机入口体积排量，v为压缩机容积效率。2.2冷凝器模型VRF系统的运行工况包括全体制冷、大部分制冷、热回收、大部分制热、全体制热这5种，其室外换热器和室内换热器依据工况的不同，有时作为冷凝器，有时作为蒸发器，它们的换热原理是相同的，但模型因内部制冷剂相态分区的不同而略有不同。冷凝器采用三区换热器分区集总参数模型。压缩机出口的制冷剂处于过热状态，经冷凝器分别经过过热区、两相区和过冷区三个区域，在冷凝器出口为过冷液，流向电子膨胀阀。在每个区内，制冷剂的计算用集总参数法，而空气温度在整个换热器表面视为一致。三区换热器的示意图如图4所示：图4冷凝器模型示意图三个区的制冷剂侧热阻关系为：两相区的热阻tpR，过热区热阻10shtpRR，过冷区热阻8sctpRR。在计算各区的换热量时，采用ε-NTU方法，制冷剂和空气视为逆流。以过热区的计算为例，主要用到如下公式：/()shshshaAURR，其中sh为过热区面积占总换热器面积的比例。min/shNTUAUC1exp((1))1exp((1))NTUNTUmin,,,()shshshasusushQCtt由此算出过热区的换热量。同样可以算出两相区和过冷区的换热量，冷凝器总换热量等于3区换热量之和，即：shtpscQQQQ当两侧流体流量变化时，采用如下空气侧和制冷剂侧的热阻关于流量变化的关系式：,0.6,()anaanamRRm,0.8,()RntptpnRmRRm2.3蒸发器模型蒸发器与冷凝器相比，其进口制冷剂处于两相区，出口制冷剂状态根据控制策略的不同，可能为过液（两相区）或过热（过热区）。因此蒸发器采用的是两区换热器模型（当蒸发器过液时，模型求解结果会表明出口制冷剂仍处于两相区，即该蒸发器无过热区），如图5所示：图5蒸发器模型示意图与冷凝器模型相同，计算蒸发器各区换热量时用ε-NTU方法，制冷剂和空气视为逆流。在每个区内，制冷剂的计算用集总参数法，而空气温度在整个换热器表面视为一致。2.4膨胀阀模型VRV系统中所用的膨胀阀是电子膨胀阀。其热模型为理想的等焓节流装置，即,,suvexvhh。膨胀阀在工作时要求两端具有一定的压力差。随着电子膨胀阀技术的提高,膨胀阀两端要求的最小压差也变的更小了，因此在模型中认为膨胀阀两端压力差（冷凝压力减蒸发压力）总能满足最小压力的要求。因此不需要建立膨胀阀的压降关于制冷剂流量的模型。2.5管网模型管网模型根据流体力学基本原理建立。连接管网压力损失主要由管道损失和各阻力部件（弯头和阀门）损失组成。由于连接管网中制冷剂多为单相流体，因此压力损失为摩阻压降。可采用如下公式进行计算：22rpipesiVLPfd式中：f为摩擦因子，可通过Colebrook摩擦因子[5]关系式进行计算（紊流）：e119.31.142log2log1(R2100)efRfDDe64(R2100)efR式中Re为雷诺数，为管内壁粗糙度。VRF系统管网中存在大量的弯头和三通接头，流体由于速度场的变形和二次环流的影响，造成较大的压力损失，因此在计算中需要进行修正处理：niifittingsVKp122其中K为由管径、接头和弯头形状决定的阻力系数，可通过查询ASHRAE手册[6]中的表格得到。3模拟参数识别与验证在上面建立的VRF模型的基础上，需要利用产品样本数据通过拟合等方式识别出模型中的关键参数，才能构成完整的模型，用于全年能耗模拟。本文利用日本Daikin提供的VRV单冷运行模式下（所有室内机换热器都是蒸发器，室外机换热器为冷凝器）的样本数据[7]进行模型参数识别，并且验证识别结果的准确性。3.1模型分析与简化Daikin提供了从RHXYQ8PY1到RHXYQ48PY1共21种型号的室外机参数，包括性能参数和运行参数两大类。其中VRV运行参数有：从100%~50%负荷率下，不同外温时的VRV系统的制冷量和总电耗（压缩机电耗和室外机风机电耗之和），以RHXYQ16PY1型号为例，其运行参数如图6：RHXYQ16PY10246810121416051015202530354045室外干球温度总电耗kW100%90%80%70%60%50%图6DaikinVRV单冷运行模式下运行参数该型号室外机的其他性能参数如表1：表1RHXYQ16PY1主要性能参数压缩机台数：2制冷剂：R410A内部压缩比2.75v吸气容积30.00006swvm换热器空气侧额定热阻,0.08364W/KanR换热器制冷剂侧两相区额定热阻,0.06906W/KtpnR由于Daikin提供的VRV运行参数和性能参数只涉及室外机，不涉及室内机，而且没有说明获得该VRV运行参数的具体工况，即一台室外机所带室内机的型号、数量、各室内机所处理的负荷的大小，同时管网连接情况也未知，因此根据所给参数进行VRV模型识别时，有必要对模型进行合理的简化，如下：1.认为室内机一侧处于“理想控制工况”，所有室内机的蒸发压力都能稳定地控制在设定值，所有室内机的出力都足以处理各自的负荷。2.流经压缩机和冷凝器的制冷剂总流量由冷凝器出口回液旁通控制，该控制也是理想的，即制冷剂总流量总能达到所需值。3.假定DaikinVRV的控制模式为：控制压缩机进口过热度为5℃，冷凝器出口过冷度为5℃，且认为其理想控制，可保持不变。根据上面的分析，在模型中可以省去室内机的模型，直接以蒸发温度为6℃作为输入条件，而制冷剂流量在冷凝器出口回液旁通的控制策略下也能够达到所需值，该值由迭代计算的结果确定。至于管网模型，由于实际管网连接情况非常复杂多样，无法给出一个通用连接形式，所以在参数识别时只能忽略管网的影响，而在识别之后的能耗计算时再根据实际管网连接形式加入管网模型进行计算。3.2模型参数识别模型参数识别，即利用大量工况点的计算结果进行模型关键参数的拟合。利用所给系统参数，用模型识别结果包括压缩机的能耗关联参数和室外机风机的能耗关联参数，具体结果如下：1.压缩机能耗关联式：20284829096351900187776cpininW..W.W2.室外机风机能耗关联式室外机风机的能耗与室外温度at以及制冷量evQ密切相关，因此把它的能耗拟合为关于at和evQ的二次三项式，如下：2,233226.445072080.4667928940.2363702430.0145095560.0047257050.0027700110.0001555453.96E-051.20E-052.35E-05fanouaevaevaevaevaevaevWtQtQtQtQtQtQ