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。关键词 VRRF（变制冷冷剂流量） DeST模拟拟模型 参数识别别 验证1 引言变制冷剂流量（VVariabble Reefrigeerant Fl

2、ow, 以下简称称VRF）空空调系统200世纪80年年代始发展于日本和和西欧一些国国家中，900年代被引入入中国，逐渐渐代替一些传传统的中央空空调系统，得得到较为广泛泛的应用。由于其采用用变容量调节节以匹配系统统负荷变化，通过改变流流经各室内机机的制冷剂流流量来满足不不同室内机所所带房间的热热湿负荷需求求，且各室内机机可以独立调调节，因此特别适合合于同一建筑筑内部各房间间功能和负荷荷多样化的建建筑，比如写写字楼、商场场等，在节能方面面具有较为突突出的表现。由于其良好好的调控性能能，其季节能能效比高于风风冷热泵空调调机组1；而与传统统大型中央空空调相比，VVRF系统又又具有自动化化程度高、使使用

3、灵活、管管理方便等优优点。因此VVRF空调系系统在现阶段段的工程设计计中日益得到到广泛应用。从VRF系统在在建筑中实际际应用的效果果来看，其系系统能效性能能与设计理想想工况以及厂厂家提供的数数据还存在不不小的差距，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。而要实现良好的的设计，应该该对VRF的的运行进行全全工况遍历，即即考察所设计计的VRF系系统在全年各各种工

4、况下的的运行性能，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。本文以DeSTT软件为平台台，搭建了VVRF系统模模拟模块，建建立了以分部部件灰箱模型型为基础的VVRF系统模模拟模型，并并且利用厂家家样品数据进行行了模型识别别和验证，从从而获得能够够进行全年系系统能耗模拟拟的完整VRRF模型。2 VRF系统统模拟模型

5、进行VRF系统统模拟是为了了指导设计选选型和运行优化，因此VRF系系统模型必须须符合以下三三个基本要求求：一是该模模型能够反映映不同工况下下系统不同部部件的运行状状况；二是该该模型适合于于以小时为步步长的全年逐逐时模拟；三三是该模型具具有良好通用用性，对于不不同的VRFF系统能够通通过关键参数数的识别来反反映其特性。分部件联合模拟拟灰箱模型是是最符合上述述要求的模型型，本文分别建立立压缩机、室室外机换热器、室室内机换热器和膨膨胀阀的灰箱箱模型，然后后将它们联立为VRFF系统模型，联联合模拟，联联立求解。VRF系统的基基本组成部件件是1个室外外机、2个或或多个室内机机，以及连接接室外机和室室内机

6、的管网网，如图1。其中中室外机由室室外换热器、风风机和压缩机机构成，室内内机由室内换换热器和风机机构成。各室室内机的制冷冷剂流量控制制由各室内机机换热器前的的电子膨胀阀阀实现。图1 VRFF系统组成部部件2.1 压缩机机模型VRF系统多采采用涡旋压缩缩机，其工作作过程可分为为3个阶段，如如图2所示：(1) 制冷剂剂在吸气口的的预热过程（ssu-suu1），(2) 制冷剂剂在压缩机中中先绝热压缩缩后等容压缩缩过程（suu1-exx1）。(3) 制冷剂剂在排气口的的冷却过程（eex1-eex）。图2 涡旋旋压缩机工作作过程示意图图图3涡旋压缩缩机工作过程程在压焓图上上表示在压焓图上表示示相应的过程

7、程，如图3所示：(1)认为压缩缩机电机的热热损失全部用用于制冷剂进进入吸气口之之前的预热，。(2) 涡旋压压缩机压缩过过程可以看成成一个绝热过过程，又分为两个阶阶段：等熵压压缩过程和绝绝热等容过程程。两个过程程的分界压力力为内部压比比所决定的出出口压力（用用“ad”来表示），分分界点比容与与进口比容以以及内部压缩缩比有如下关关系：。(3) 在压缩缩机出口的冷冷却放热量由由如下公式计计算：其中和为两个散散热量常系数数，根据清华华大学的夏建建军20000年于比利时时列日大学的的实验结果4，。压缩机的能耗计计算如下：其中为与实际压压缩过程无关关的压缩机机机械损失；为为与实际压缩缩过程有关的的压缩机机

8、械械损失，和为关联系数数。对于给定定的压缩机，三个参数、和可以通过产品样本的拟合来获取。压缩机的频率计计算公式为：。其中为压缩机机入口体积排排量，为压缩机容积效效率。2.2 冷凝器器模型VRF系统的运运行工况包括括全体制冷、大大部分制冷、热热回收、大部部分制热、全全体制热这55种，其室外外换热器和室室内换热器依依据工况的不不同，有时作作为冷凝器，有有时作为蒸发发器，它们的的换热原理是是相同的，但但模型因内部部制冷剂相态态分区的不同同而略有不同同。冷凝器采用三区区换热器分区区集总参数模模型。压缩机机出口的制冷冷剂处于过热热状态，经冷冷凝器分别经经过过热区、两两相区和过冷冷区三个区域域，在冷凝器器

9、出口为过冷冷液，流向电电子膨胀阀。在每个区内内，制冷剂的的计算用集总总参数法，而而空气温度在在整个换热器器表面视为一一致。三区换热器的示示意图如图44所示：图4 冷凝器模模型示意图三个区的制冷剂剂侧热阻关系系为：两相区区的热阻，过过热区热阻，过过冷区热阻。在计算各区的换换热量时，采采用-NTU方方法，制冷剂剂和空气视为为逆流。以过热区的计算算为例，主要要用到如下公公式：，其中为过热区区面积占总换换热器面积的的比例。由此算出过热区区的换热量。同同样可以算出出两相区和过过冷区的换热热量，冷凝器器总换热量等等于3区换热热量之和，即即：当两侧流体流量量变化时，采采用如下空气气侧和制冷剂剂侧的热阻关关于

10、流量变化化的关系式：2.3 蒸发器器模型蒸发器与冷凝器器相比，其进进口制冷剂处处于两相区，出出口制冷剂状状态根据控制制策略的不同同，可能为过液液（两相区）或或过热（过热热区）。因此蒸发器器采用的是两两区换热器模模型（当蒸发发器过液时，模模型求解结果果会表明出口口制冷剂仍处处于两相区，即即该蒸发器无无过热区），如如图5所示：图5 蒸发器模模型示意图与冷凝器模型相相同，计算蒸蒸发器各区换换热量时用-NTU方方法，制冷剂剂和空气视为为逆流。在每每个区内，制制冷剂的计算算用集总参数数法，而空气气温度在整个个换热器表面面视为一致。2.4 膨胀阀阀模型VRV系统中所所用的膨胀阀阀是电子膨胀胀阀。其热模模型

11、为理想的的等焓节流装装置，即。膨胀阀在工作时时要求两端具具有一定的压压力差。随着着电子膨胀阀阀技术的提高高,膨胀阀两两端要求的最最小压差也变变的更小了，因因此在模型中中认为膨胀阀阀两端压力差差（冷凝压力力减蒸发压力力）总能满足足最小压力的的要求。因此此不需要建立立膨胀阀的压压降关于制冷冷剂流量的模模型。2.5 管网模模型管网模型根据流流体力学基本本原理建立。连接管网压力损损失主要由管管道损失和各各阻力部件（弯弯头和阀门）损损失组成。由由于连接管网网中制冷剂多多为单相流体体，因此压力力损失为摩阻阻压降。可采采用如下公式式进行计算：式中：f为摩擦擦因子，可通通过Coleebrookk摩擦因子5关系

12、式式进行计算（紊紊流）： 式中Re为雷诺诺数，为管内内壁粗糙度。VRF系统管网网中存在大量量的弯头和三三通接头，流流体由于速度度场的变形和和二次环流的的影响，造成成较大的压力力损失，因此此在计算中需需要进行修正正处理：其中K为由管径径、接头和弯弯头形状决定定的阻力系数数，可通过查查询ASHRRAE手册6中的表格得得到。3 模拟参数识识别与验证在上面建立的VVRF模型的的基础上，需需要利用产品品样本数据通通过拟合等方方式识别出模模型中的关键键参数，才能能构成完整的的模型，用于于全年能耗模模拟。本文利用日本本Daikiin提供的VVRV单冷运运行模式下（所所有室内机换换热器都是蒸蒸发器，室外外机换

13、热器为为冷凝器）的的样本数据7进行模型参参数识别，并并且验证识别别结果的准确确性。3.1 模型分分析与简化Daikin提提供了从RHHXYQ8PPY1到RHXYQQ48PY1共221种型号的的室外机参数数，包括性能能参数和运行行参数两大类类。其中VRRV运行参数数有：从1000%500%负荷率下下，不同外温温时的VRVV系统的制冷冷量和总电耗耗（压缩机电电耗和室外机机风机电耗之之和），以RRHXYQ116PY1型号为为例，其运行行参数如图66：图6 Daikkin VRRV 单冷运运行模式下运运行参数该型号室外机的的其他性能参参数如表1：表1 RHXYYQ16PY1主要性能参数数压缩机台数：2

14、2制冷剂：R4110A内部压缩比吸气容积换热器空气侧额额定热阻换热器制冷剂侧侧两相区额定定热阻由于Daikiin提供的VVRV运行参参数和性能参参数只涉及室室外机，不涉涉及室内机，而而且没有说明明获得该VRRV运行参数数的具体工况况，即一台室室外机所带室室内机的型号号、数量、各室内机所所处理的负荷荷的大小，同时管管网连接情况况也未知，因因此根据所给给参数进行VVRV模型识识别时，有必必要对模型进进行合理的简简化，如下：1. 认为室内内机一侧处于于“理想控制工工况”，所有室内内机的蒸发压压力都能稳定定地控制在设设定值，所有有室内机的出出力都足以处处理各自的负负荷。2. 流经压缩缩机和冷凝器器的制

15、冷剂总总流量由冷凝凝器出口回液液旁通控制，该该控制也是理理想的，即制制冷剂总流量量总能达到所所需值。3.假定Daiikin VVRV的控制制模式为：控控制压缩机进进口过热度为为5，冷凝器出出口过冷度为为5，且认为其其理想控制，可可保持不变。根据上面的分析析，在模型中中可以省去室室内机的模型型，直接以蒸蒸发温度为66作为输入条条件，而制冷冷剂流量在冷冷凝器出口回回液旁通的控制策策略下也能够够达到所需值值，该值由迭迭代计算的结结果确定。至于管网模型，由由于实际管网网连接情况非非常复杂多样样，无法给出出一个通用连连接形式，所所以在参数识识别时只能忽忽略管网的影影响，而在识识别之后的能能耗计算时再再根

16、据实际管管网连接形式式加入管网模型型进行计算。3.2 模型参参数识别模型参数识别，即即利用大量工工况点的计算算结果进行模模型关键参数数的拟合。利利用所给系统统参数，用模模型识别结果果包括压缩机机的能耗关联联参数和室外外机风机的能能耗关联参数数，具体结果果如下：1. 压缩机能能耗关联式：2. 室外机风风机能耗关联联式室外机风机的能能耗与室外温温度以及制冷冷量密切相关关，因此把它它的能耗拟合合为关于和的二次三项项式，如下：3.3 识别结结果验证在获得以上识别别参数之后，就就可以根据图图6中给定的工工况点分别模模拟出所有工工况下的压缩缩机能耗和室室外风机能耗耗，又根据给给定的总能耗耗样本值减去去即得

17、到压缩缩机能耗的样样本值，通过过对比和的相对误差差来考察参数数识别的准确确性，如图77：5.0%5.0%-3.5%图7 RHXXYQ16PPY1参数识识别结果验证证由图7的结果可可见，在所给给的50%负负荷率以上所所有工况点下下，压缩机能能耗的计算值值和样本值的的相对误差都都在5%以内，可可见参数识别别结果准确，利利用所形成的的模型进行VVRV的能耗耗模拟具有较较高的精度。5.0%5.0%-3.5%5.0%5.0%-3.5%4.5%4.5%-3.0%5.0%5.0%-5.0%图8 其他型号号的Daikkin VRRF室外机参参数识别验证证结果利用相同的方法法，识别了大大金所有211种型号的室室

18、外机的参数数，其验证结结果（如图8）都说明参数识识别结果准确确。这样所得得到的模型能能够准确反映映VRV系统统的性能特点点，可以进一一步用它们来来模拟Daiikin VVRV系统全全年各种工况况下的运行能能耗。图9和图10是是应用识别后后的VRF模模型计算某使使用了带独立立新风处理机机的Daikkin VRRV的案例计计算结果，该该结果与大金金样本数据所所显示的产品品性能基本一一致。图9 某带新风风处理机的VVRV系统各各部件在整个个制冷季的总总能耗比例图10 某VRRV系统全制制冷工况下的的COP曲线线4 结论本文从指导VRRF系统设计计选型与运行行优化的目的出出发，基于DDeST软件件平台建立了了适于全年逐逐时能耗模拟拟的VRF系系统分部件灰灰箱模型。利利用Daikkin提供的的VRV系统统参数，在合合理简化模型型的基础上，进进行了参数识识别和验证，从从而得到了能能够准确反映映Daikiin VRVV性能特性的的VRF模型型，可以进一一步用其进行行全年能耗的的模拟。由于该模型具有有良好的通用用性，可用于于识别任意一一种VRF产产品，只要该该产品可获得得的样本数据据符合一定要要求，因此将将该模型嵌套套于DeSTT中可以方便便地模拟各种种选型和分区区情况下的VVRF运行情情况与室内环环境控制结果果，为指导工程设设