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热回收型变频多联空调系统冬季运行的分析

添加人:admin 发布时间:2010-11-19 17:07:03 来源:中国热回收网

    引言

    贸易建筑跟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。因为职员及各种设备负荷,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,位于该区的职员均显著感到暖和过热,从而该区需要制冷,而同时其周边外区的房间需要供热。然而传统的中心空调形式一般不能在一个系统内同时供热和制冷,因此不能知足冬季建筑同时制冷供热的需求。针对该题目,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,从而同时达到热恬静性和节能的目的  。

    近几年,海内学者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门测试分析,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,并以一贸易建筑为例,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VRF 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,其详细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烧可以回收再利用,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。假如室内机冷凝热刚好与室内机的蒸发烧相平衡,则室外换热器休止工作,即此时整个系统无需向室外环境排出冷凝热或者蒸发烧;而假如二者不能达到平衡的时候,室外换热器与室外换热从而增补冷凝热或者蒸发烧,其详细工作模式由各室内机的制冷制热负荷的大小决定。

    2 热回收型VRF 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进行开发的,主要的计算公式和数学模型参见参考文献。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。制热工况的计算理论基本与制冷工况相同。

    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。假如前者大于或者即是后者,则室外机为制冷模式,反之,则室外机为制热模式。通过判定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

    本文采取一个简化的尺度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,建筑物墙体材料参数见参考文献[6],建筑物内部职员及设备负荷参考国标(GB50189-2005)设定。其中空调机组的景象形象参数为上海尺度年成象形象数据(Shanghai.CTYW)。

    4. 冬季工况下基于热恬静性的各区温度确定

    4.1典型冬季日无空调处理下建筑各区温度

    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恬静性进行比较分析。热恬静性指标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的值与人体流动情况,人体附近空气的水蒸气分压力,人体附近空气温度,人体着装情况等参数有关。跟着景象形象前提的变化,各参数值会有所变化,好比冬季服装热阻一般要高于夏季,由于冬季着装多于夏季。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恬静。

    因为室外温度较低,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,从热恬静性角度来分析,建筑外区基本偏冷(PMV<0.5),北区室内环境最冷,其PMV值在-2.2~-1.0之间;建筑内区则从9:00开始基本偏暖(PMV>0.5)。为了进步室内环境的热恬静度,必需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

    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恬静性有一定的影响。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。当建筑外区同一供热到18℃,核心区的温度为24-28.3℃,而当建筑外区同一供热到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,建筑核心区的热恬静性指标PMV的值。跟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进步,因此对建筑外区房间供热进步其热恬静性,同时也降低了内区的热恬静性,温度增高,制冷量增大。

    4.3 不同设定温度下建筑各区热恬静性分析

    为了得到相宜的室内温度,因此对不同设定温度下的热恬静性进行分析。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,外区各房间大部门时刻的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,内区大部门时刻的PMV值略高于+0.5,而当建筑内区为26℃时,内区大部门时刻的PMV值基本均高于+0.75。因此,从热恬静性的角度来看,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,可以适当降低热恬静度,当建筑外区设定19℃,内区设定25℃的时候,大部门PMV值在-0.75~+0.75的范围内。

    5. 设定温度下热回收VRF 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,同时因为少量新风的引入,跟着室外温度增高制冷负荷也有增加的趋势,中午13:00负荷降低是由于此时刻职员设备负荷的降低。对于内区,因为早上室外温度及职员设备负荷较低,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,固然核心区需要制冷,但是其负荷与邻室的热负荷比拟相对较小。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,压缩性能耗为制热能耗。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,而该部门制冷负荷不再需要额外的室外性能耗。另外,对于机组1,因为其处理的均为外区,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,因为机组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VRF 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,就恬静度而言,“20-24”PMV值更为合适,但是设定温度“19-25”固然牺牲了少许的热恬静性,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明显,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,因为无法进行冷热工况自由切换,因此其温度控制方法通常是:假如系统为制热工况,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,系统休止制热;制冷工况相似。

    本算例中的建筑室内温度,因为较大的职员负荷,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%左右进步到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%左右进步到15%左右。也就是说,当外区设定温度比较低的时候,因为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。跟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。假如增加内区制冷负荷,热回收系统的相对节能性应该会有所进步。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。因为内区温度降低,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,增加的制冷负荷必需消耗压缩机功率,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,而且跟着制冷负荷的增加,压缩机以制冷工况为主的运行时间增加,因为冬季压缩机制冷工况机能优于制热工况,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
  
    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。以一典型的贸易建筑模型为例,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)对于较大型的贸易建筑,在典型冬季日,内区较热,其大部门PMV 值大于1.0,外区较冷,其大部门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进步,因此对建筑外区房间供热进步其热恬静性,同时也降低了内区的热恬静性,此时要保证热恬静性内区必需制冷;

    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℃”固然牺牲了少许的热恬静性,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,假如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,假如内区冷负荷增大,如有更多的发烧设备,热回收系统的相对节能性也会有所进步。