变频多联空调系统的能耗分析和实验研究

论文摘要

在当前建筑节能的理念和科技背景下，如何利用适合的空调系统方式来节约建筑物设备能耗，是建筑节能领域学者们最关注的问题之一。对制冷系统仿真进行的研究成果中，目前主要以家用电冰箱、房间空调器和汽车空调器等为研究对象来进行系统仿真。但是，针对变频多联空调(VRV)空调系统进行模拟仿真研究现在还不多，尤其是结合建筑节能的VRV空调系统能耗仿真研究在国际、国内学术界上仍然是空白。对结合建筑能量仿真的VRV系统的能耗预测问题，本文进行了一系列的理论和实验研究，主要研究内容包括：（1）在巧妙利用建筑能耗软件中现有的DX(直膨式盘管)模型的基础上，使用虚拟室外机的方法进行VRV系统建模，便于利用简单的输入信息求得准确的系统能耗、性能系数，和部分负荷比。适合于建筑物能耗仿真平台(BESP)的模型算法可以方便地添加到不同的BESP环境中，具有广泛的适应性。本研究解决了国际上目前建筑能耗仿真各软件平台中尚未包括VRV的模型，从而无法对变频多联空调进行全年能耗仿真的难题，对VRV空调系统在建筑能耗分析软件中的应用具有重要意义。（2）建立了变频多联空调机组能耗测试台，并进行了一年的测试，目的是在实际建筑应用环境下，验证VRV模型能耗预测的准确性。与常见的VRV系统相比较，该实验台具有以下几个显著特点：在实际办公建筑中安装和运行，一拖二系统结构简单而富有代表性；使用专属的测试房间，内部得热用散热散湿设备进行模拟；整个VRV空调系统，及热湿负荷模拟设备的参数采集、温度设定、和开关控制，都由PC机统一完成；进行全年的测试运行。（3）在制冷和制热两种工况下，利用模拟和实验数据对比研究的方法，验证了VRV仿真模型的准确性，耗电量和制冷量的仿真结果与实测值吻合比较理想。更重要的是，证明了耗电量的仿真误差能够与制冷量的仿真误差相一致，也即VRV仿真模型的准确度能够追踪EnergyPlus的负荷计算引擎的精度，从而使研究者可以把注意力集中在建筑模型和气候参数的定义方面。（4）构建并改进了人工神经网络（ANN）负荷预测模型，在冬季和夏季有限的实验数据基础上，对VRV实验测试房间的季节能耗作了计算。结果表明，改进的负荷预测模型具备更好的性能，可以用于具备一定量的测试数据、推算整个季节能耗以致全年能耗的场合。（5）研究了VRV仿真模型能耗计算的若干影响因素及相应的解决方法，结果显示，设定温度参数的输入调整可以有效的校准仿真曲线，使其贴近真实曲线的轮廓。测试房间本身的设定温度以及周围空间的温度必须替换以真实的空气温度值；同时，围护结构蓄热以及换气次数对仿真结果有着较大的影响。提出了包含热桥的墙体折合传热系数和围护结构热质面积的计算方法，有效地提高了VRV模型的计算精度。（6）建立了作为VRV新风装置的全热交换器(ERV)的仿真模型，并进行了实验验证。使用比较分析的方法，来考察上海和北京两种气候条件下，VRV设定温度不同时，ERV的显、潜热回收量的变化规律和实际运行效率。结果表明，冬季北京和上海的潜热回收相差不大，但夏季两地有显著的差异，尤以最炎热潮湿的7、8月份最为明显，上海在7、8月的平均潜热回收达到北京的1.48倍；北京冬季显、潜热回收的最大值是过渡季和夏季对应值的10倍，相差1个数量级；上海则为5.5倍。可见对于寒冷气候地区，过渡季和夏季的全热回收量与冬季相比是微乎其微的。同时，定义λ ERV为ERV的空调利用率。分析在不同的VRV设定温度、季节、气候下，全热交换器冷热回收量与系统提供的总冷热量之间的关系和特点。结果表明，在不同的季节、不同的气候条件下，该份额的季节平均值与VRV室内设定温度之间存在线性关系。（7）对VRV变频多联空调系统进行经济型评估以及多目标评价。利用VRV仿真模型，以能耗为评价指标，对VRV空调系统与全空气变风量VAV系统、风机盘管空气－水系统（包括风冷式和水冷式冷机）进行了比较。进一步的，依据多目标模糊决策的理论，建立多目标评估模型，对变频多联系统进行多指标综合评价，可以同时考虑技术先进性、环保、经济性、管理便捷性等多种空调系统评价因素，从而优化系统整体性能设计，为变频多联空调的应用发展方向和应用可行性提供理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 VRV 空调系统的国内外研究背景
• 1.2 建筑物动态能耗仿真软件（BESP）的研究现状
• 1.3 结合 BESP 的空调系统建模及建筑节能理论研究
• 1.4 变频多联空调系统的节能策略
• 1.4.1 VRV 变频空调的控制目标研究
• 1.4.2 空气－空气型全热交换器的研究
• 1.4.3 VRV 变频空调系统研究中尚需解决的问题
• 1.5 课题的选题意义、难点及技术路线
• 1.5.1 课题研究的必要性
• 1.5.2 课题研究的难点及技术路线
• 1.6 本文的主要工作
• 第二章 变频多联空调能耗计算模型的建立
• 2.1 制冷工况下变频多联空调的能耗计算模型
• 2.1.1 DX 盘管的数学模型
• 2.1.2 变频多联系统能耗计算
• 2.2 制热工况下变频多联空调的能耗计算模型
• 2.2.1 DX 盘管的数学模型
• 2.2.2 变频多联系统能耗计算
• 2.3 小结
• 第三章 变频多联空调的实验台构建
• 3.1 VRV 实验台的特点
• 3.2 测试房间布局
• 3.3 实验装置和测试设备
• 3.4 实验测试方法
• 3.4.1 房间内部得热的设置
• 3.4.2 制冷量／制热量的确定
• 3.4.3 耗电量的测定
• 3.4.4 室内外温湿度测定
• 3.5 实验方案
• 3.5.1 VRV 仿真模型制冷工况测试方案
• 3.5.2 VRV 仿真模型制热工况测试方案
• 3.6 本章小结
• 第四章 变频多联空调的模型验证
• 4.1 VRV 模型的拟合曲线验证
• 4.2 制冷工况测试与 VRV 仿真模型的实验验证
• 4.2.1 IDF 模型的建立
• 4.2.2 设定温度输入值确定
• 4.2.3 制冷量和耗电量的仿真验证
• 4.2.4 性能系数 COP 及部分负荷系数 PLR 的仿真验证
• 4.3 制热工况测试与 VRV 仿真模型的实验验证
• 4.3.1 制热量和耗电量的仿真验证
• 4.3.2 性能系数 COP 及部分负荷系数 PLR 的仿真验证
• 4.3.3 仿真的误差来源分析
• 4.3.4 制热工况设定值及室内温度分布测试
• 4.4 VRV 能耗计算的影响因素分析
• 4.4.1 气象数据准确性的影响
• 4.4.2 室内逐时温度的确定策略
• 4.4.3 建筑结构因素对模型的作用
• 4.5 用于空调能耗计算的神经网络方法研究
• 4.5.1 VRV 能耗计算神经网络模型的构建
• 4.5.2 冬季 VRV 能耗的计算
• 4.5.3 夏季 VRV 能耗的计算
• 4.6 小结
• 第五章 VRV 空调新风系统 ERV 的仿真和实验研究
• 5.1 VRV 空调系统的新风策略
• 5.2. ERV 的能量仿真数学模型和实验验证
• 5.2.1 ERV 的测试验证
• 5.2.2 ERV 节能效果的冬季测试
• 5.2.3 使用 ERV 全年的节能预测
• 5.3. 不同气候及设定参数条件下 ERV 的运行分析
• 5.3.1 显热回收量和潜热回收量的比较分析
• 5.3.2 实际运行温湿度效率的比较分析
• 5.4 全热交换器的可利用性指标研究
• 5.4.1 全热交换器可利用性指标的提出
• 5.4.2 可利用性指标的应用分析
• 5.5 小结
• 第六章 VRV 空调系统的仿真研究和节能分析
• 6.1 VRV 机组的部分负荷性能仿真评价
• 6.1.1 变频多联空调系统的部分负荷性能仿真
• 6.1.2 变频多联空调系统部分负荷比 PLR 和性能系数 COP 的关系分析
• 6.2 VRV 和其他常用空调系统的能量对比分析
• 6.2.1 建筑模型和空调系统参数设置
• 6.2.2 仿真结果分析
• 6.3 VRV 能耗评价因素的拓展分析
• 6.3.1 多目标模糊决策的理论方法
• 6.3.2 VRV 与几种常用空调方式的模糊综合评价
• 6.4 小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文的主要工作
• 7.2 研究工作的创新点
• 7.3 存在问题和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文、申请专利与所获奖励