249DeST中VRF模拟模型建立与验证

1、DeST中VRF模拟模型建立与验证清华大学建筑技术科学学系 王旭辉 夏夏建军 张晓亮 燕达摘要 本文从指导实际际工程中VRF空空调系统的设计和和运行优化出发，以DeST软软件为平台，建立立了适于全年逐时时模拟的VRF系系统分部件灰箱模型。利利用日本大金（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Daikin VRV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。L。关键词 VRF（变变制冷剂流量） DeST模拟模型型 参数识别 验证m。1 引言变制冷剂流量（Variable Refrig

2、erant Flow, 以以下简称VRF）空空调系统20世纪纪80年代始发展展于日本和西欧一一些国家中，90年年代被引入中国，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

3、益得到广泛应用。A。从VRF系统在建筑中实实际应用的效果来来看，其系统能效效性能与设计理想想工况以及厂家提提供的数据还存在在不小的差距，主主要原因有室内机与室室外机选型不当、对管长和高差对对系统性能未加以以修正、系统设计计超出匹配限制等等2，这些问题题造成VRF系统统在实际应用中容容量匹配不当、运运行能耗高、COP偏偏低。因此即使有性能良良好的VRF产品品，也要根据工程程实际进行认真的的设计，才能使VRF系系统在运行中真正正达到节能、舒适适的效果。w。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

4、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DeST3，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。i。本文以DeST软件为为平台，搭建了VRF系系统模拟模块，建建立了以分部件灰灰箱模型为基础的的VRF系统模拟拟模型，并且利用用厂家样品数据进行了模模型识别和验证，从从而获得能够进行行全年系统能耗模模拟的完整VRF模模型。y。2 VRF系统模拟模型型进行VRF系统模拟是是为了指导设计选选型和运行优化，因此VR

5、F系统模模型必须符合以下下三个基本要求：一是该模型能够够反映不同工况下下系统不同部件的的运行状况；二是是该模型适合于以以小时为步长的全全年逐时模拟；三三是该模型具有良良好通用性，对于于不同的VRF系统能够通过关关键参数的识别来来反映其特性。o。分部件联合模拟灰箱模模型是最符合上述述要求的模型，本文分别建立压缩缩机、室外机换热器、室内机换热器和膨胀阀阀的灰箱模型，然然后将它们联立为VRF系统模型，联合模模拟，联立求解。Z。VRF系统的基本组成成部件是1个室外外机、2个或多个个室内机，以及连连接室外机和室内内机的管网，如图1。其中室外外机由室外换热器器、风机和压缩机机构成，室内机由由室内换热器和风

6、风机构成。各室内内机的制冷剂流量量控制由各室内机机换热器前的电子子膨胀阀实现。H。图1 VRF系统组组成部件2.1 压缩机模型VRF系统多采用涡旋旋压缩机，其工作作过程可分为3个个阶段，如图2所示：b。(1) 制冷剂在吸气气口的预热过程（su-su1），(2) 制冷剂在压缩缩机中先绝热压缩缩后等容压缩过程程（su1-ex1）。m。(3) 制冷剂在排气气口的冷却过程（ex1-ex）。图2 涡旋压缩机工作过过程示意图图3涡旋压缩机工作过程在在压焓图上表示在压焓图上表示相应的的过程，如图3所示：(1)认为压缩机电机机的热损失全部用用于制冷剂进入吸吸气口之前的预热热，。l。(2) 涡旋压缩机压压缩过程

7、可以看成成一个绝热过程，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），分界点比容与进口比容以及内部压缩比有如下关系：。M。(3) 在压缩机出口口的冷却放热量由由如下公式计算：其中和为两个散热量常常系数，根据清华华大学的夏建军2000年年于比利时列日大大学的实验结果4，。P。压缩机的能耗计算如下下：其中为与实际压缩过程程无关的压缩机机机械损失；为与实实际压缩过程有关关的压缩机机械损损失，和为关联系数。对于于给定的压缩机，三个参数、和可以通过产品样本的拟合来获取。h。压缩机的频率计算公式式为：。其中为压缩机入口体积积排量，为压缩机容积

8、效率。2.2 冷凝器模型VRF系统的运行工况况包括全体制冷、大部分制冷、热热回收、大部分制制热、全体制热这这5种，其室外换换热器和室内换热热器依据工况的不不同，有时作为冷冷凝器，有时作为为蒸发器，它们的的换热原理是相同同的，但模型因内内部制冷剂相态分分区的不同而略有有不同。O。冷凝器采用三区换热器器分区集总参数模型型。压缩机出口的的制冷剂处于过热热状态，经冷凝器器分别经过过热区区、两相区和过冷冷区三个区域，在在冷凝器出口为过过冷液，流向电子子膨胀阀。在每个区内，制制冷剂的计算用集集总参数法，而空空气温度在整个换换热器表面视为一一致。S。三区换热器的示意图如如图4所示：图4 冷凝器模型示意图三个

9、区的制冷剂侧热阻阻关系为：两相区区的热阻，过热区区热阻，过冷区热热阻。5。在计算各区的换热量时时，采用-NTU方法，制制冷剂和空气视为为逆流。F。以过热区的计算为例，主主要用到如下公式式：，其中为过热区面积占占总换热器面积的的比例。由此算出过热区的换热热量。同样可以算算出两相区和过冷冷区的换热量，冷冷凝器总换热量等等于3区换热量之之和，即：6。当两侧流体流量变化时时，采用如下空气气侧和制冷剂侧的的热阻关于流量变变化的关系式：U。2.3 蒸发器模型蒸发器与冷凝器相比，其其进口制冷剂处于于两相区，出口制制冷剂状态根据控控制策略的不同，可可能为过液（两相区）或过热热（过热区）。因此蒸发器采用用的是两

10、区换热器器模型（当蒸发器器过液时，模型求求解结果会表明出出口制冷剂仍处于于两相区，即该蒸蒸发器无过热区），如图5所示：N。图5 蒸发器模型示意图与冷凝器模型相同，计计算蒸发器各区换热量量时用-NTU方法，制制冷剂和空气视为为逆流。在每个区区内，制冷剂的计计算用集总参数法法，而空气温度在在整个换热器表面面视为一致。b。2.4 膨胀阀模型VRV系统中所用的膨膨胀阀是电子膨胀胀阀。其热模型为为理想的等焓节流流装置，即。a。膨胀阀在工作时要求两两端具有一定的压压力差。随着电子子膨胀阀技术的提提高,膨胀阀两端端要求的最小压差差也变的更小了，因因此在模型中认为为膨胀阀两端压力力差（冷凝压力减减蒸发压力）总

11、能能满足最小压力的的要求。因此不需需要建立膨胀阀的的压降关于制冷剂剂流量的模型。E。2.5 管网模型管网模型根据流体力学学基本原理建立。连接管网压力损失主要要由管道损失和各各阻力部件（弯头头和阀门）损失组组成。由于连接管管网中制冷剂多为为单相流体，因此此压力损失为摩阻阻压降。可采用如如下公式进行计算算：B。式中：f为摩擦因子，可可通过Colebrook摩摩擦因子5关系式进行行计算（紊流）：I。 式中Re为雷诺数，为为管内壁粗糙度。VRF系统管网中存在在大量的弯头和三三通接头，流体由由于速度场的变形形和二次环流的影影响，造成较大的的压力损失，因此此在计算中需要进进行修正处理：6。其中K为由管径、

12、接头头和弯头形状决定定的阻力系数，可可通过查询ASHRAE手手册6中的表格得到。J。3 模拟参数识别与验证证在上面建立的VRF模模型的基础上，需需要利用产品样本本数据通过拟合等等方式识别出模型型中的关键参数，才才能构成完整的模模型，用于全年能能耗模拟。本文利用日本Daikin提提供的VRV单冷冷运行模式下（所所有室内机换热器器都是蒸发器，室室外机换热器为冷冷凝器）的样本数数据7进行模型参数识识别，并且验证识识别结果的准确性性。t。3.1 模型分析与简化化Daikin提供了从从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

13、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：P。图6 Daikin VRV 单冷运运行模式下运行参参数该型号室外机的其他性性能参数如表1：表1 RHXYQ16PY1主要性能参数压缩机台数：2制冷剂：R410A内部压缩比吸气容积换热器空气侧额定热阻阻换热器制冷剂侧两相区区额定热阻由于Daikin提供供的VRV运行参参数和性能参数只只涉及室外机，不不涉及室内机，而而且没有说明获得得该VRV运行参参数的具体工况，即即一台室外机所带带室内机的型号、数量、各室内机所处理理的负荷的大小，同时管网连连接情

14、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：F。1. 认为室内机一侧侧处于“理想控制工况”，所有室内机的的蒸发压力都能稳稳定地控制在设定定值，所有室内机机的出力都足以处处理各自的负荷。P。2. 流经压缩机和冷冷凝器的制冷剂总总流量由冷凝器出出口回液旁通控制，该控制制也是理想的，即即制冷剂总流量总总能达到所需值。x。3.假定Daikin VRV的控制模模式为：控制压缩缩机进口过热度为为5，冷凝器出口过过冷度为5，且认为其理想想控制，可保持不不变。n。根据上面的分析，在模模型中可以省去室室内机的模型，直直接以蒸发温度为为6作为输入条件，而而制冷剂流量在冷冷凝器

15、出口回液旁旁通的控制策略下下也能够达到所需需值，该值由迭代代计算的结果确定定。H。至于管网模型，由于实实际管网连接情况况非常复杂多样，无无法给出一个通用用连接形式，所以以在参数识别时只只能忽略管网的影影响，而在识别之之后的能耗计算时时再根据实际管网网连接形式加入管网模型进行行计算。4。3.2 模型参数识别模型参数识别，即利用用大量工况点的计计算结果进行模型型关键参数的拟合合。利用所给系统统参数，用模型识识别结果包括压缩缩机的能耗关联参参数和室外机风机机的能耗关联参数数，具体结果如下下：d。1. 压缩机能耗关联联式：2. 室外机风机能耗耗关联式室外机风机的能耗与室室外温度以及制冷冷量密切相关，因

16、因此把它的能耗拟拟合为关于和的二次三项式，如如下：f。3.3 识别结果验证证在获得以上识别参数之之后，就可以根据据图6中给定的工况点点分别模拟出所有有工况下的压缩机机能耗和室外风机机能耗，又根据给给定的总能耗样本本值减去即得到压压缩机能耗的样本本值，通过对比和的相对误差来考考察参数识别的准准确性，如图7：g。5.0%-3.5%图7 RHXYQ16PY1参数识别结果验证由图7的结果可见，在在所给的50%负负荷率以上所有工工况点下，压缩机机能耗的计算值和和样本值的相对误误差都在5%以内，可见见参数识别结果准准确，利用所形成成的模型进行VRV的的能耗模拟具有较较高的精度。Z。5.0%-3.5%5.0

17、%-3.5%4.5%-3.0%5.0%-5.0%图8 其他型号的Daikin VRF室外机参参数识别验证结果果利用相同的方法，识别别了大金所有21种种型号的室外机的的参数，其验证结结果（如图8）都说明参数识别结结果准确。这样所所得到的模型能够够准确反映VRV系系统的性能特点，可可以进一步用它们们来模拟Daikin VRV系统全年年各种工况下的运运行能耗。x。图9和图10是应用识识别后的VRF模模型计算某使用了带独立新风风处理机的Daikin VRV的案例计计算结果，该结果果与大金样本数据据所显示的产品性性能基本一致。w。图9 某带新风处理机机的VRV系统各各部件在整个制冷冷季的总能耗比例例图1

18、0 某VRV系统统全制冷工况下的的COP曲线4 结论本文从指导VRF系统统设计选型与运行行优化的目的出发，基基于DeST软件件平台建立了适于于全年逐时能耗模模拟的VRF系统统分部件灰箱模型型。利用Daikin提提供的VRV系统统参数，在合理简简化模型的基础上上，进行了参数识识别和验证，从而而得到了能够准确确反映Daikin VRV性能特性性的VRF模型，可可以进一步用其进进行全年能耗的模模拟。W。由于该模型具有良好的的通用性，可用于于识别任意一种VRF产产品，只要该产品品可获得的样本数数据符合一定要求求，因此将该模型型嵌套于DeST中中可以方便地模拟拟各种选型和分区区情况下的VRF运运行情况与室内环环境控制结果，为为指导工程设计提提供便利。3。目前模型的不足在于只只能模拟一种控制制模式下VRF运运行情况，在今后后工作中，将进一一步建立VRF的的控制模式模块，使使之能够模拟不同同控制模式下VRF系系统的运行情况和和能耗状况。3。参考文献1薛卫华, 陈沛霖, 刘传聚. 变频控制热泵泵式VRV 空调调机组运行特性与与节能性能实验研研究J. 节能技术, 2003, 21(5): 3-5.2郭筱莹. 多联式空调调机组的设计应用用研究J. 福建建筑, 2004, 89(4):43-44.3清华大学DeST开发发组. 建筑环境境系统模拟分析方方法DeSTM