HVACSIM作为空调系统性能检证工具的适用性

1、作为空调系统性能检证工具的适用性株式会社三晃空调技术研究室郑明杰名古屋大学名誉教授中原信生摘要为了最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求，在空调系统的计划，设计，施工，试运转调整，实际运用等各阶段，有必要进行阶段性的性能检证（检查与鉴定）。用计算机仿真程序来对空调系统的机能与性能进行模拟计算可以使性能检证工作能够迅速且有效地被实行。本文归纳整理了从设计到实际运用等各阶段中空调系统的性能检证工作对模拟计算程序的机能及性能的要求，阐述了作为空调系统的机能及性能检证的模拟计算工具的适用方法，并展示了几个性能检证的实际应用例。关键词空调系统动态特性模拟性能检证硼究背景及目的最近，空调系统的性能

2、检证（检查与鉴定）越来越受到重视。为了最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求，在空调系统的计划，设计，施工，试运转调整，实际运用等各阶段，有必要进行阶段性的性能检证。用计算机仿真程序来对空调系统的机能与性能进行模拟计算的方法是使空调系统的性能检证工作能够被迅速且有效地实行的一个手段。因此，需要一个能够正确地模拟空调系统的动态特性的仿真程序。至今为止，各国的研究者开发了许多用来进行空调负荷以及消费能量计算的计算机程序，例如，美国的，一，中国的，日本的等。这些程序虽然不是为了性能检证而开发的，但如能有效地利用这些程序，他们将可能被用来作为空调系统的机能及性能的确认，或者对影响能量消耗的因素

3、进行分析的性能检证的模拟计算工具。但是，在各阶段的性能检证工作中，使用哪个程序更合适，各种程序的使用方法，制约性，问题点等等关于各程序的适用性的研究尚未被展开。本文试图把美国国家标准局开发的用于空调系统的动态特性模拟计算的程序（）作为性能检证的模拟计算工具，把某研究所大会议室的定风量空调系统的实测数据和的计算结果进行了比较，验证了对空调系统的动态特性的再现性，并对把它作为性能检证的模拟计算工具的适用性进行了考察。三、空调与控制类备阶段性能柱疆作业对模拟计算工具的机筐和牲能豹要求在建筑，空调系统的计划，设计，施工，运用等各阶段中，为了确认及评价各种机器，部分系统或者全系统的机能与性能，需要各种各

4、样的辅助模拟计算工具。因需要确认及评价的对象，目的的不同，对仿真程序的机能，简易程度的要求也不尽相同。表给出了各阶段性能检证所需方针计算程序的主要机能，在性能检证的各个阶段，我们期待通过使用具有不同机能的模拟计算程序来帮助我们检讨和确认对象空调系统的工作状态和环境，能量消耗等各种性能指标，从而达到最大限度地满足用户对空调系统的机能及性能的要求的目的。各阶段的性能检证对模拟计算程序的机能和性能的要求建筑计划设计表为了围护材料结构开口部形状位置等等的最优化，需要自然室温和年间空调负荷的模拟计算企划计划为了决定空调方式，分区方法，需要年间空调负荷能量消耗的概算以及运用成本的简易计算为了确定空调方式，

5、外气处理方式，和机器容量，需要年间时刻别空调负荷的详细模拟计算基本设计实施设计空调系统为了各种机器，控制系统的设计参数的最优化，需要对室内环境，消费能量进行动态解析施工为了确认各种机器，部分系统、的机能及动作性能，需要模拟系统的各种工作状态试运转调整各种机器、系统、的机能及性能的简易检证计算，年间环境及空词负荷的计算，运转管理者的简易模拟训练工具结合的监测数据进行环境及能量消费的统计性分析，在线故障检知运用系统状态诊断工具，机器，系统全体的劣化程度的诊断工具，省能施策的导人效果的检证计算的最要及在性能枪证备阶段的话用牲为年美国国家标准局开发的空调系统的动态模拟计算程序，年由名古屋大学的中原信生

6、教授引人日本并作了部分改进，年月作为日本版（）在日本公开发表。的内部构成为模块构造形式，由许多称为各种形式的空调系统的计算模型。在各个构成要素模型中给出了进行动态模拟计算所需的输人参数，使用者可以通过改变这些参数来模拟空调系统的不同工作状态。当所要模拟的系统的构成要素的在原程序中不存在时，使用者也可以自己开发新的，并把吼的子程序包来描述空调系统的各个构成要素，用户可以把这些组合起来构筑它装入程序中。为了提高计算精度和缩短计算时间，瑚采用了可变时间步长，其最短时间步长为秒。所以，可以用来详细计算空调机及自动控制系统的动态响应。这个机能是至今为止所有的程序都不能比拟的。三、空调与控制类因为有如上所

7、述诸多优点，所以虽然它不是作为性能检证用模拟计算程序而被开发出来的，我们仍可以把它作为性能检证用模拟计算程序来有效地应用。问题是现存的可用来计算哪些空调系统，它可适用于哪个阶段的哪些性能检证的检讨项目，以及适用方法等等。我们归纳整理出了在性能检证的各个阶段中，可能用来进行模拟计算和考察的事项，并示于表。在各个性能检证阶段中由可以考察事项阶段表检讨事项分区的检讨适用方法分区负荷计算空调系统变更热源系统变更舒适性，能耗量的计算空调方式变更全热交换器设置的有无设计条件变更计划空调系统方案的检讨热源系统方案的检讨舒适性能耗性的检讨空调方式的选定外气导人方式的选定室内设计条件的检讨基本设计预热间歇运转时

8、的负荷特性的确认空调机容量的选定热源机器容量的选定运转计划，负荷率的变更最大负荷计算热源机器容量变更蓄热形式槽容量变更设计参数变更负荷特性曲线变更控制方法变更热源台数变更最小风量变更最大最小流量的设定部分负荷时的环境能耗的计算设定流量温度的变更蓄热槽容量的选定空调机设计参数的最优化实施设计泵送风机的选择外气量控制的最优化热源泵台数的最优化最小风量的最优化试运转调整泵流量控制范围的最优化部分负荷特性的确认蓄热槽通阔的最适调整给气温度范围的最优化运用给气温度控制幅的更变更机器负荷特性变更输入参数的变更设定各种输出值的确认机器系统性能退化的确认故障检知，系统状态诊断能耗构造分析和最优化对象空堋系统及

9、实验的概要对象空调系统为在筑波市的某研究施设的大会议室的定风量空调系统。对象室，空调系统的概要分别示于表，表。计测点如图所示，包括室外温湿度，日射，空调机内各点的温湿度，室内温湿度，合计共有点。由中央监视系统以的时间间隔收集了计测数据。实验时没有导人外气。实验的诸条件示于表和图。三、空调与控制类。、耐时间【】¨对象室的概要表造蔷眦州图实验日的气象条件（年月日）图空调系统概要及计测点，：出口，人口空气温度，：室内温度，室内相对湿度，邻室温度。上层室温构造面积旦堡垒望里堕【！：塑表空调系统概要空调方式单风道定风量方式风量，：表冷器人口冷，温水温：冷温水阀的要求开度信号，：全日射量，直达日

10、射量外气温度外气相对湿度送风机样式表冷器全静压冷却能力设计最大流量冷水温度计测日的条件实验日天表年月日晴有时阴：邻室温度控制参数数照明电力候比例带积分时间分测定时阈空调运转时问设定温度在室人数（：）再现性柱证模拟计算模型的做成如前所述，为个具有模块构造形式的仿真模拟计算程序。所以计算前，首先需要把被模拟空调系统中存在的要素机器的的输入和输出按照热移动的顺序进行连接，形成如图所示的被模拟空调系统的计算模型。表至表给出了模型中的主要的输人参数。另外，室内环境的舒适性评价指标的输人参数，代谢量，着衣量，室内风速的值采用了在日本公认的办公楼的通用数据，。在图中，为在中被定义的）番号，为系统模拟模型中所

11、包括的要素模型的顺序号。为了使计算快速收敛，我们把对象空调系统的模拟模型分成了个模块。另外，在建模时我们进行了以下的个假定。、空调与控制类图对象空调系统模拟计算模型输入参数的说明殛其初始值记号表记号初期值名称记号初期值口名称初期值名称室内压力吹出压力东北壁温度东北窗温度冷水给水温度表冷器表面浸温系数故障信号要求开度冷水泵人口压力大气压表冷器冷水人口水温表冷器冷水出口水滤下层温度南东窗温度西北窗温度冷水泵出口压力冷水出口压力送风扇转效泵转数直达射量散射日射量全天日射量壁面对流传热量短波辐射热量长波辐射热量显热负荷潜热负荷空调机全热负荷空调机显热负荷送风机消费电量泵空调机全热负荷窗的日射侵人量室内

12、湿度（）吲空调机风量吹出风量口啦矗冷水流量室内温度外气温度表玲器入口气温表冷器出口气温送风温度吹出温度上层温度邻室温度开关在室者数机器运转状态照明状态南东壁影系数南东窗日影系数北东壁日影系数北东窗目影系数北西壁日影系数北西窗日影系数室内温度信号定室内温度要求开度信号冷水阏开度也人妒竹鸭送风道周围温度辐射温度天井温度地面温度东南壁温度西南壁温度西北壁温度吹出湿度（）外气湿度吲】曙（）巧移注：影印的参数为计算用输入参数。三、空调与控制类（）因实测时没有加热负荷，所以假定空调机仅由表冷器和送风机来组成。（）实际建筑的东南，西北壁面各有扇窗户。为便于计算我们简化成个窗户了。表冷器特性参数叶片形状正面面

13、积表方形冷水阀的特性参数阀全开时的压力降阀阻力比全开阻力系数泄漏率滞后率动作时间指数特性系数表（秆）（）（本）（列）（）长度管数列数叶片数管外径管内径叶片厚气流方向管中心距离列方向管间距离一（）（）（）枚（枝）（）（）（）（）（一）（）控制器的输入参数表叶片热传导率管热传导率边流路形式（）（）半回路（）实际上，大楼内各系统的空调机由台泵来输送冷水，所以对象空调机统的冷水流量很难把握。我们用对象空调系统的设计扬程和最大流量来选定了个假想的泵，冷水阀的特性也采用了具有和实际同样的特性的阀门。计算结果和考察图、图、图为对象空调系统的室内温度，送风温度，冷水阀要求开度信号的计算值与实测值的比较。室温的

14、计算值与实测值基本完全吻合。但是送风温度和冷水阀的要求开度信号的计算值的振幅比实测值大。计算误差的原因可认为有以下几点。一一，计算值趟赠一”一巨剖：、婴删时闻）时间（）图室内温度的经时变化图送风温度的经时变化（）表冷器的管外表面的热扩散系数的差异。计算模型中没有考虑叶片的详细构造以及污染程度所以表冷器的热交换特性的计算值比实际的热交换特性敏感。（）的墙体热通过计算模型中，不包含梁的热容量。为了再现梁的热容量对室内温度的影响，我们把梁的热容量也算人房间的热容量中。虽然送风【】一。：！¨域：上：，温度的瞬间值与实测值之间有差异，瞬间供给热量的图阀要求开度信号的经时变化三、空调与控制类差异

15、这个较大的热被室内热容量吸收了。送风温度振动幅的计算值比实测值大，但其平均值比实测值小。这也是房间热容量较大的结果。（）冷水阀的要求开度信号的振动幅比实测值大，但其平均值比实测值稍高。上述结果表明，虽然送风温度和冷水阀的要求开度信号的计算值的振幅比实测值大，但其变化倾向基本与实测值相同，另外室温计算值也几乎与实测值完全一致，所以可以说本模拟计算模型较好地再现了实际的空调系统的动态特性。吾阶段的性能控证前应用稠为了考察作为性能检证仿真工具的适用性，我们用上述的经过再现性验证的模拟计算模型，对表示出假想性能检证的检讨项目进行了试算。为了比较各种故障状态时的系统特性与正常（实测）状态的差异，我们把室

16、内温度，室内相对湿度，值，送风温度，冷水阀开度信号，空调机负荷，送风机，泵的耗电量，配管的热损失等指定为输出变数，并由这些输出数据算出了如下所示的个统计量，作为性能检证的评价指标。比目甜瓦量“空调系统耗电量合计（）室内温度环境评价指标峨一舳出（）室内平均舒适性评价指标施表冷器负荷（）卜笛送风机耗电量（）蛞，【（）“狐拴配管热损失（）¨刮“纠，弧¨锄泵耗电量（）（）圩，一叭（）室内温度（）矾以缉艮“空调开始时间（）空调终止时间（）各阶段的性能检证的计算例表加阶段检讨项目系统状态再现方法问题发生时间）送风道过长设计（阻力为原来的倍）送风道总阻力变更为原来的倍：设计）冷水阀过大设

17、计（直径为原来的倍）冷水阀全开阻力系数减少：一：施工）温度控制器的输人信号厦设定信号误接把送风温度信号作为室温控制器的输：成送风温度信号及其设定信号信号设定温度变更为试运行）温度控制器的参数调整不良用界限感度法进行调整：）冷水阀开度故障把阔开度固定在、：运用）送风机故障送风量设定为原来的、】：一】：）冷水供水温度异常冷水供水温度固定在、：设计阶段的性能检证例送风道过长设计三、空调与控制粪图为送风道长度变更前后的室温，冷房负荷，室内平均值的计算结果的比较。虽然送风道长度被我们增长了倍，室温并没有发生明显的变化，仅仅是室温的变化周期变长了。由表给出的变更前后的评价指标以、日。、以的计算结果也可看到

18、，送风道长度的变更对于室内环境的舒适性和系统的能耗没有明显地影响。由于送风道阻力远小于送风系统的总阻力，所以即使送风道阻力增大倍，送风机的工作点仅有微小变化，因而送风量的变化也很少。所以，对于这种设计上的过失，仅凭上述指标很难被发现，应当考察送风道的阻力及送风机的工作点是否合适。§疆谯电籍舞差变更前变更后一变更前变更后：麦、。，、瓜，、弘”、：、，时间（）时间（）时间（）图送风道长度对室内温度，冷房负荷，的影响冷水阀过大设计图为冷水阀直径变更前后的室内温度，冷房负荷的计算结果的比较。冷水阀直径变更为原来的倍后，室温并没有发生明显的变化，仅仅是室内温度变化曲线产生了滞后现象。由表给出的

19、变更前后的评价指标日。的计算结果也可看到，冷水阀直径的变更对于室内环境的舒适性和系统的能耗没有明显地影响。因此，我们考察了冷水阀直径变更前后的冷水流量。从图示出的冷水流量的经时变化可看到，在：期间变更后的冷水流量的最小值较变更前为大。这是由于冷水阎变大时，阀的全开阻力系数变小，全闭时的泄漏量过大所造成的。麈时蚵（蔷。惜。时间（）时间（）图冷水阀尺寸对室内温度，玲房负荷的影响图冷水阀尺寸变更前后的冷水流量变化施工阶段的性能检证例室温控制器的输入信号误接续图为温度控制器的输入信号没有接错和错误地接续了送风温度信号的两种情况下的室内温度，冷房负荷，室内平均值的计算结果的比较。本来，室温控制器的输人信

20、号被误接成送风温度信号的话，自动控制系统将力图把室温控制在送风温度的设定值（）上。但由于空调机的能力有限，即使冷水阀达到最大开度，室内温度的最低值仍为附近。所以当空调机的能力不太大时，这种施工错误很容易被忽视。由表可知，室温控制器的输入信号被错误地接续后，日。的值均明显变坏。一变更前变更后一三、空调与控制类一变更前一建更后、，。妻蔷、，釜。“。一。一时间）时甸（）图温度控制器的输入信号错接对室内温度，冷房负荷，的影响设计。施工阶段性能检证计算例的评价指标原状态表施工）设计）设计）也（）。（）一试运行调整阶段的性能检证例室温控制器的最优调节室温控制器的放大系数。积分时间：正确与否对室温的动特性有

21、很大影响。一般来说，调整工作很是费时费力。考察室内温度的实测结果，我们发现室温存在小幅度的震动现象。这可能是由于控制参数不合适所引起的。我们使。从小向大变化进行了室温的模拟计算，得到了室温开始发生微小振动时的。值。由的界限感度法的最适调整则算出了对象空调系统的最优。、；值示于表。表也给出了调整前后的评价指标的比较。图，图分别为调整过程中的室温变化和调整前后的室温，冷房负荷的计算结果的比较。由图可知，调整后不仅室温振动的现象被消除了，而且系统能耗也稍有减少。一倒礴翟删五理删时间）图界限感度法调整过程中的室温变化图参数调整前后的室温冷房负荷的比较控制参数调整前后的评价指标。（，）调整前表。（）置（

22、）（）也调整后三、空调与控制类运用阶段的性能检证例图、为假想在运用阶段中会发生的种故障和正常状态时的室内温度，冷房负荷，的计算结果的比较。表为种故障和正常状态时的各个评价指标的计算结果。，冷水阕开度故障由图、表可知，把冷水阀开度在：的期间固定在以下时，虽然系统耗能量比正常状态时少，但其代价是室内环境的恶化。反之，把冷水阀开度固定在全开状态时，系统耗能量和室内环境两者均恶化。蓊正常弱时间图冷水阀开度发生故障时和正常状态的室温，冷房负荷，运用阶段的种故障发生时和正常状态时的评价指标的比较冷水阀开度表给水温度送风量儿（）。（屯）笛送风机故障由图、表可知，把送风量在：的期间固定在原风量的时，虽然系统耗

23、能量比正常状态时少，但其代价是室内环境的恶化。反之，即使让送风量扩大到原风量的倍，系统耗能量和室内环境两者均无明显变化。一。一一。一。一图送风量发生故障时和正常状态的室温，冷房负荷，冷水供水温度异常由图、表可知，把供水温度在：的期间固定在时，虽然系统耗能量比正常状态时少，但其代价是室内环境的恶化。反之，即使让供水温度降低到，、空调与控制类系统耗能量和室内环境两者均无明显变化。§，。隋九稿囊萋”广。一一趟礴】删襄一、，。、”掣时间（）图冷水供水温度发生度故障时和正常状态的室温，冷房负荷，结束语本文归纳整理了从设计到实际运用等各阶段中空调系统的性能检证工作对模拟计算程序的机能及性能的要求

24、，阐述了作为空调系统的机能及性能检证的仿真计算工具时，对其可能实行的检讨事项和适用方法，并给出了几个实际应用例。就这些计算例而言，施工错误和运用时发生的故障，多半会产生室温异常或系统能耗量过大，所以在试运转调整阶段或实际运用过程中很容易发现这些故障。而对室温影响不大的设计时的问题，有必要用等可以模拟空调系统的动态特性的仿真计算程序来支持性能检证工作的实行。参考文献【，；，；，吲：，（），HVACSIM<'+>作为空调系统性能检证工具的适用性作者：作者单位：郑明杰， 中原信生郑明杰(株式会社三晃空调技术研究室)， 中原信生(名古屋大学)1.会议论文 周强华.江亿 用于供热及空

25、调系统故障诊断的故障向量空间法 1996该文提出了一种庆用于供热及空调系统（简称， ）故障诊断的新方法邦联向量空间法（简称， ）。在与以往故障诊断方法的比较中，阐明了的基本思想和实现方法，该方法地年月英国牛津接受了国际能源局第子课题（ ）主持的竞赛性能检验，并获得了第一名的殊荣。2.学位论文 王美霞 小型变频空调系统动态特性及控制策略研究 2005建立了完整的小型空调系统的动态仿真模型。以稳态集中参数法建立了压缩机模型；以分区集中参数法建立了蒸发器和冷凝器模型，并在模型中考虑了蒸发器管内流型及换热系数的变化；以稳态集中参数法建立了电子膨胀阀模型。将Origin自定义函数拟合方法应用到制冷剂热力

26、性质计算中。对R22替代工质R410A和R07C的热力性质进行简化计算。计算以Cleland简化模型为基础，采用显式拟合方法对R410A和R407C热力性质进行拟合计算，将计算结果和数据源进行比较，误差控制在允许范围内。通过对替代工质R410A和R407C的热力性质拟合结果的误差分析，证明了选用的模型和拟合方法的准确性，为以后研究新工质热力性质提供了新的思路。针对以前模型中存在的问题，建立以毛细管流动特性仿真为目的的毛细管流动数学模型，模型以Stocker's模型为基础，考虑入口渐缩、过冷和旋转直径对流动的影响。模型不仅可以用于R22，还可以应用于替代工质R410A和R407C。根据所建模型，利用C语言编写计算机程序对绝热毛细管内的流体流动进行模拟计算。模型中考虑了不同摩擦系数公式和粘度公式对计算结果的影响，在实际计算中，需要根据最优的计算结果进行摩擦系数公式和两相粘度公式的选择。从数值角度分析，这种选优的做法实际上是通过