热回收型变频多联空调系统冬季运行的分析

热回收型变频多联空调系统冬季运行的分析热回收型变频多联空调系统冬季运行的分析 来源 中国空调制冷网 吴静怡 引言引言 商业建筑随着功能与形式的多样化 其建筑体积与使用面积也在不断增大 由于人员及 各种设备负荷 相对不易散热的建筑内区往往形成温度较高的热区 即使在冬季 位于该 区的人员均明显感到温暖过热 从而该区需要制冷 而同时其周边外区的房间需要供热 然而传统的中央空调形式一般不能在一个系统内同时供热和制冷 因此不能满足冬季建筑 同时制冷供热的需求 针对该问题 20 世纪 90 年代初研制出的高效热回收型变频多联空 调系统 HR VRF 可以在一个系统内同时供热和制冷 且可以回收各室内机的热量和冷 量 从而同时达到热舒适性和节能的目的 1 3 近几年 国内学者 4 9 先后从实验分析和软件模拟方面开始着手研究 VRF 系统的能耗 仿真与分析 在文献 4 7 中 建立了结合建筑能耗的变频多联空调 VRF 的仿真模型 实 现了 VRF 系统与建筑一体化的全年动态模拟 然而这些仿真模型均是以热泵型 VRF HP VRF 系统为基础 并未考虑可以同时制冷供热的热回收型 VRF 系统的能耗特性 文献 1 3 对于热回收型的 VRF 系统进行了定性的能耗特性分析或者进行了部分测试分析 但 是对于其结合建筑能耗的全年动态模拟的研究相对较少 本文在之前开发的热泵型水冷 热 VRF 变频多联空调的能耗计算模块的基础上 4 7 添加了新的计算逻辑 开发了热回收型 VRF 计算模型 并以一商业建筑为例 对该模型 的计算结果进行了分析 以此为基础 分析了该类空调系统的节能性 1 热回收型热回收型 VRF 系统系统 多元变频多联空调俗称一拖多 即由一个室外机和多个室内机组成 室外机主要包括压 缩机 换热器 风扇等部件 室内机则由换热器及风扇等主要设备组成 该系统主要包括 单冷型 热泵型和热回收型等三种型式 单冷型以制冷为主 热泵型则可以单独制冷或者 单独供热 热回收型则可以同时制冷和供热 并且具备热回收的功能 文献 1 3 均给出了热回收 VRF 空调系统的基本工作原理 热回收系统各室内机可以处 于不同的工作工况 其具体工况取决于各房间的实际负荷需求 假定各室内机对应不同的 房间 房间温度较低需要制热 则室内机 处于制热工况 同时房间温度较高需要制冷 则 室内机处于制冷工况 热回收功能则体现于各室内机的冷凝热或者蒸发热可以回收再利用 即室内机的换热器成为整个系统的冷凝器 而室内机的换热器则为蒸发器 如果室内机冷 凝热恰好与室内机的蒸发热相平衡 则室外换热器停止工作 即此时整个系统无需向室外 环境排出冷凝热或者蒸发热 而如果二者不能达到平衡的时候 室外换热器与室外换热从 而补充冷凝热或者蒸发热 其具体工作模式由各室内机的制冷制热负荷的大小决定 3 2 热回收型热回收型 VRF 系统的能耗模拟模型系统的能耗模拟模型 热回收型 VRF 计算模型是以热泵型 VRF 变频多联空调的能耗计算模块为基础 4 7 进行 开发的 主要的计算公式和数学模型参见参考文献 4 7 制冷工况下 一个室外机对应的 所有室内机的制冷负荷是相应的所有 DX 直接膨胀式 盘管的制冷负荷之和 基于这一 负荷 压缩机电耗可以用数学模型计算得到 4 7 制热工况的计算理论基本与制冷工况相 同 7 根据系统实际工作原理 我们制定仿真逻辑如下 该模型首先比较所有制冷模式室内机 负荷和所需电耗之和与所有制热模式下的室内机热负荷之和的大小 从而决定该时刻室外 机的工作模式 如果前者大于或者等于后者 则室外机为制冷模式 反之 则室外机为制 热模式 通过判断室外机的负荷模式之后 再输出相应的制冷或者制热负荷所需的压缩机 电耗 3 建筑模型和空调系统参数设置建筑模型和空调系统参数设置 本文采取一个简化的标准单层办公建筑进行冬季热回收 VRF 系统同时制冷制热的能耗 仿真分析计算 建筑物呈轴对称 其平面示意图见图 3 建筑物墙体材料参数见参考文献 6 建筑物内部人员及设备负荷参考国标 GB50189 2005 设定 其中空调机组的气象参数 为上海标准年气象数据 Shanghai CTYW 4 冬季工况下基于热舒适性的各区温度确定冬季工况下基于热舒适性的各区温度确定 4 1 典型冬季日无空调处理下建筑各区温度典型冬季日无空调处理下建筑各区温度 为了说明热回收系统的必要性 首先对冬季建筑各区的温度及热舒适性进行比较分析 热舒适性指标 PMV 的计算公式如下 PMV 0 303e 0 036M 0 028 H L 式中 M 每平方米的代谢率 W m2 H 每平方米每人内部产热量 W m2 L 人体的各种能量损失 W m2 PMV 的值与人体活动情况 人体周围空气的水蒸气分压力 人体周围空气温度 人体着 装情况等参数有关 随着气象条件的变化 各参数值会有所变化 比如冬季服装热阻一般 要高于夏季 因为冬季着装多于夏季 当 PMV 为正值时 室内环境偏暖 当 PMV 为负值 时室内环境偏凉 PMV 的绝对值越小表明室内环境越舒适 由于室外温度较低 建筑外区的室内温度普遍较低 最高温度没有达到 18 5 然而建 筑内区最高可达近 28 最低也达 24 以上 因此 从热舒适性角度来分析 建筑外区基 本偏冷 PMV0 5 为了提高室内环境的热舒适度 必须对建筑外区进行供热 同时对建筑内区进行制冷 4 2 外区不同室内温度设定点对内区的影响分析外区不同室内温度设定点对内区的影响分析 给建筑外区供热及其供热设定温度均对建筑内区的温度及热舒适性有一定的影响 当核 心区不进行制冷 建筑外区供热到不同室内设定温度时 建筑核心区的温度 当建筑外区 统一供热到 18 核心区的温度为 24 28 3 而当建筑外区统一供热到 20 和 22 核心 区温度为 24 5 28 8 图 5b 表明当核心区不进行制冷 建筑外区供热到不同室内设定温 度时 建筑核心区的热舒适性指标 PMV 的值 随着外区供热温度的升高 内区 PMV 值均 有所增加 建筑外区供热情况下 建筑内区的温度相对无供热情况下均有所提高 因此对建筑外区 房间供热提高其热舒适性 同时也降低了内区的热舒适性 温度增高 制冷量增大 4 3 不同设定温度下建筑各区热舒适性分析不同设定温度下建筑各区热舒适性分析 为了得到适宜的室内温度 因此对不同设定温度下的热舒适性进行分析 根据室内冷热 环境的不同 分别设定建筑外区 18 19 20 建筑内区 24 25 26 当建筑外区为 18 时 所有时刻的 PMV 值均低于 0 5 当建筑外区为 19 时 外区各房间大部分时刻的 PMV 值均高于 0 5 而当建筑外区为 20 时 除了北区 外区各房间的 PMV 值基本均高 于 0 5 同时 当建筑内区为 24 时 所有时刻的 PMV 值均低于 0 5 当建筑内区为 25 时 内区大部分时刻的 PMV 值略高于 0 5 而当建筑内区为 26 时 内区大部分时 刻的 PMV 值基本均高于 0 75 因此 从热舒适性的角度来看 建筑外区设定 20 内区 设定 24 比较合适 在某些时候 为了节能 可以适当降低热舒适度 当建筑外区设定 19 内区设定 25 的时候 大部分 PMV 值在 0 75 0 75 的范围内 5 设定温度下热回收设定温度下热回收 VRF 机组负荷及能耗计算机组负荷及能耗计算 设定建筑外区 20 内区 24 此时采取热回收型 VRF 系统对该建筑进行同时供热制 冷的空调处理 该日室外最高温度仅为 7 左右 最低可达 2 因此建筑外区基本处于 制热工况 且负荷量基本随室外温度的增加而降低 然而 建筑内区主要为制冷负荷 其 负荷大小主要取决于邻室温度及内部负荷的大小 同时由于少量新风的引入 随着室外温 度增高制冷负荷也有增加的趋势 中午 13 00 负荷降低是因为此时刻人员设备负荷的降低 对于内区 由于早上室外温度及人员设备负荷较低 系统启动的时刻即 7 00 7 07 这段 时间内会有制热负荷 而 7 07 8 00 及以后的系统工作时间内 内区以制冷负荷为主 在典型冬季日 虽然核心区需要制冷 但是其负荷与邻室的热负荷相比相对较小 也就 是说 对于机组 2 而言 除了 14 00 16 00 之外 主机以制热为主 室外换热器为蒸发 器 压缩机能耗为制热能耗 此时处于制冷工况的内区室内机换热器成为整个机组的蒸发 器 而该部分制冷负荷不再需要额外的室外机能耗 另外 对于机组 1 由于其处理的均 为外区 其制冷负荷此日均为 0 因此整个机组处于制热工况 对比两个不同机组 由于 机组 1 在此日并无热回收效应 因此所消耗的压缩机功耗只用来供热 而机组 2 所消耗的 压缩机功耗可以达到同时供热和制冷的目的 且充分回收利用了其中的制冷负荷 6 不同设定温度下热回收不同设定温度下热回收 VRF 机组冬季能耗分析机组冬季能耗分析 为了得到热回收型 VRF 系统相对普通热泵型系统 即单独制冷或者供热 的节能性 对两种系统的冬季能耗 12 月 1 日到 2 月 28 日 进行了计算比较 HP VRF 表示另外采 取一套热泵型 VRF 机组对核心区进行制冷 即建筑外区供热 建筑内区制冷 20 24 表示 外区设定温度为 20 内区设定温度为 24 19 25 表示外区设定温度为 19 内区设 定温度为 25 显然 就舒适度而言 20 24 PMV 值更为合适 但是设定温度 19 25 虽 然牺牲了少许的热舒适性 但是该设定温度下的不同系统分别节能 10 或者 15 左右 在 设定温度 19 25 下 HR VRF 系统比 VRF 系统节能 6 左右 在设定温度 20 24 HR VRF 系统比 VRF 系统节能 10 左右 本算例中热回收系统的节能性并不十分显著 原因 之一在于本算例中的热回收系统所采取的温度控制策略是 当区间内温度高于设定温度时 该室内机制冷 当区间内温度低于设定温度时 该室内机制热 然而对于热泵型系统 由 于无法进行冷热工况自由切换 因此其温度控制方法通常是 如果系统为制热工况 则当 房间温度低于设定点 系统制热 而当房间温度高于设定点时 系统停止制热 制冷工况 相似 本算例中的建筑室内温度 由于较大的人员负荷 室内温度有可能高于设定温度 因此 相对热泵型系统 热回收系统存在额外的负荷与能耗 从而节能性降低 改变算例中热回 收系统建筑外区室内机的温度控制策略 即当室内温度高于设定点时 室内机既不供热也 不制冷 使运行工况基本与热泵型系统相同 比较此时二者冬季运行能耗 当设定温度为 19 25 时 热回收系统的节能率由原来的 6 左右提高到 17 左右 当设 定温度为 20 24 时 热回收系统的节能率由原来的 10 左右提高到 15 左右 也就是说 当外区设定温度比较低的时候 由于热回收系统使房间温度维持恒定的控制策略导致负荷 增加 从而其相对节能性可降低 11 或者 5 左右 随着供热设定温度的升高 温度控制 策略对节能性的影响相对下降 另外一个原因是本算例的内区制冷负荷相对四个区的制热负荷而言所占比例并不高 因 此对于热回收系统 即使制冷负荷全部回收 其节能率也不高 如果增加内区制冷负荷 热回收系统的相对节能性应该会有所提高 为了说明这一点 图 11 给出了在相同外区温 度控制策略下 内区设定温度降低为 20 时 外区温度为 20 冬季能耗比较结果 由于 内区温度降低 制冷负荷增加 热回收系统相对热泵系统的节能率增加为 20 对于热泵 型系统 增加的制冷负荷必须消耗压缩机功率 从而增加系统能耗 而对于热回收系统 增加的制冷负荷几乎全部回收 而且随着制冷负荷的增加 压缩机以制冷工况为主的运行 时间增加 由于冬季压缩机制冷工况性能优于制热工况 因此整个热回收系统的能耗反而 可能会有所减少 因此 建筑外区热负荷较大的情况下 建筑内区的冷负荷越大 热回收 系统相对节能性越好 7 结论结论 本文针对热回收型变频多联空调系统系统的能耗特征 在建筑能耗动态模拟软件 EnergyPlus 的基础上 开发了新的能耗计算模块 以一典型的商业建筑模型为例 对该仿 真模型的计算结果进行了分析和比较 并得到以下主要结论 1 对于较大型的商业建筑 在典型冬季日 内区较热 其大部分 PMV 值大于 1 0 外 区较冷 其大部分 PMV 值小于 0 75 2 邻室温度对核心区室内温度存在一定的影响 建筑外区供热情况下 建筑内区的温度 相对无供热情况下均有所提高 因此对建筑外区房间供热提高其热舒适性 同时也降低了 内区的热舒适性 此时要保证热舒适性内区必须制冷 3 本文算例中 在设定温度组合 外区 19 内区 25 下 HR VRF 系统比 HP VRF 系 统节能 6 左右 在设定温度组合 外区 20 内区 24 HR VRF 系统比 HP VRF 系统 节能 10 左右 设定温度组合 外区 19 内区 25 虽然牺牲了少许的热舒适性 但是该 设定温度相对设定温度组合 外区 20 内区 24 而言 HP VRF 及 HR VRF 系统均可以 分别节能 15 或者 10 左右 4 影响热回收 VRF 系统的节能率主要有两点 其一是温度控制策略的影响 如果 HR VRF 系统采取与 HP VRF 相同的控制策略 则其节能率在不同设定温度 外区 19 内区 25 和外区 20 内区 24 下分别达到 17 和 15 其二是该建筑中 制冷负荷相对制 热负荷较低 此时即使制冷负荷全部回收 其系统节能率也是有限的 因此 如果内区冷 负荷增大 如有更多的发热设备 热回收系统的相对节能性也会有所提高 参考文献 参考文献 1 张强 李德英 张建东 VRV 变制冷剂流量 空调系统热回收型在建筑内区的应用及 节能性分析 建筑节能 2007 35 195 9 11 2 倪小静 周赵凤 陈华江 变频技术空调的节能分析 浙江树人大学学报 2004 4 3 80 82 3 邵双全 石文星 李先庭 彦启森 多元变频 VRV 空调技术综述 制冷与空调 2003 3 2 6 10 4 周宴平 吴静怡 王如竹 EnergyPlus 中变频多联空调的模块开发和能耗仿真分析 J 系统仿真学报 2007 19 20 4809 4811 5 周宴平 吴