基于变蒸发与冷凝温度的变频多联空调系统能耗仿真分析和实验验证

论文摘要

在当今建筑节能技术日益发展和建筑节能理念越发深入人心的背景下,在建筑物中采用何种合适的空调方式能有效提高建筑物中各耗能设备的能源利用效率,是建筑节能领域学者们最关注的论题之一。为能耗预测而进行的有关空调系统的仿真研究中,结合建筑物结构参数和气象参数、并基于蒸发与冷凝温度控制的变频多联空调系统(Variable Refrigerant Flow System,以下简称VRF)能耗仿真研究在国际、国内学术界上目前仍然处于起步阶段。本文拟通过在美国能源部发布的新一代动态建筑物能耗模拟软件EnergyPlus的基础架构上,结合课题组先前所做的研究开发工作,对其新开发的VRF系统仿真程序进行了再开发,实现了蒸发温度与冷凝温度控制模式下的VRF系统能耗仿真,并将仿真结果与能耗实测结果做对比来分析研究蒸发温度设定值、冷凝温度设定值、室内温度设定值及气象参数对能耗仿真结果的影响,并提出仿真模型的优化改进方案。该工作旨在通过研究仿真结果的合理性,有效估算在建筑物中设置的VRF系统能耗,为VRF系统的设计和选型提供参考。对基于建筑物结构参数、气象参数及VRF系统性能曲线的变蒸发温度与冷凝温度模式下的VRF空调系统能耗仿真预测问题,本文阐述的一系列理论和实验研究包括:(1)通过利用建筑动态能耗仿真软件EnergyPlus中现有的直接膨胀式换热盘管的基础上,使用虚拟室外机的方法进行了VRF系统建模,便于利用相对简单的输入信息求得准确的系统能耗、性能系数(COP)和部分负荷比。为实现变蒸发温度和冷凝温度模式下的能耗仿真,利用了基于实验数据拟合而得到的性能曲线来模拟VRF系统在改变蒸发温度和冷凝温度情况下的能耗,具有广泛的适用性。本研究初步解决了国际上目前建筑能耗仿真各软件平台中尚未包括的变蒸发/冷凝温度的VRF系统模型,从而无法对VRF系统进行全年能耗仿真的难题,对VRF空调系统在建筑能耗分析软件中的应用具有重要的意义。(2)建立了VRF系统能耗测试台和当地气象站,并进行了连续两年夏冬季每天8小时开机运行的能耗实测记录,目的是在实际建筑环境和当地气象数据下,验证在EnergyPlus中建立的VRF系统能耗预测模型的准确性与合理性。本文建立的实验台以实际办公建筑中安装的一拖二形式VRF系统为测试对象,系统相对简单而富有代表性;而房间内部的散热散湿量则分别使用加热器和加湿器模拟;整个VRF空调系统及热湿负荷模拟设备的相关参数采集、温度设定和起停控制都由PC机统一完成;当地气象站的实时气象数据记录则实现以每间隔10分钟记录一次数据的不间断采集方法。(3)在VRF空调系统制冷工况下,通过提高室内机盘管蒸发温度来提高系统制冷量和性能系数;在VRF空调系统制热工况下,通过降低室内机盘管冷凝温度来提高系统制热量和性能系数。本文利用模拟和实验数据对比研究的方法,验证了VRF系统在上述变蒸发温度/冷凝温度模式下与标准控制模式下的仿真模型的准确性和合理性,研究了仿真值与实测值之间的偏差来源,分析了影响VRF系统能耗计算的若干因素,主要包括气象参数、蒸发温度设定值、冷凝温度设定值、室内温度设定值等因素的影响,证实了能耗仿真值的变化趋势与实测值的一致性,证明了模型的成功,并提出了改进模型的措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 建筑物动态能耗仿真软件EnergyPlus 简介
• 1.3 结合EnergyPlus 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 变频多联空调系统的控制策略和控制目标研究
• 1.4.2 变频多联空调蒸发温度与冷凝温度控制的节能原理介绍
• 1.4.3 变频多联空调系统节能研究中尚需解决的问题
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 变频多联空调系统能耗仿真模块的建立与优化
• 2.1 制冷工况下可变蒸发温度模块的能耗计算模型
• 2.1.1 VRF 系统制冷盘管的数学模型
• 2.1.2 VRF 系统在可变蒸发温度模式下的能耗计算
• 2.2 制热工况下可变冷凝温度模块的能耗计算模型
• 2.2.1 VRF 系统制热盘管的数学模型
• 2.2.2 VRF 系统在可变冷凝温度模式下的能耗计算
• 2.3 变频多联空调系统能耗仿真模块的结构
• 2.3.1 VRF 系统能耗仿真模块的实现方法
• 2.3.2 VRF 系统能耗仿真模块的运算流程
• 2.3.3 VRF 系统能耗仿真模块的输入接口开发
• 2.4 本章小结
• 第三章 变频多联空调系统测试台的建立与测试结果分析
• 3.1 变频多联空调系统测试台的组成和特点
• 3.2 变频多联空调系统测试台的测试房间布局
• 3.3 变频多联空调系统测试台的测试设备
• 3.4 变频多联空调系统测试台的测试方法
• 3.4.1 VRF 系统制冷量/制热量的测定
• 3.4.2 VRF 系统耗电量的测定
• 3.4.3 测试房间室内温度的测定
• 3.4.4 测试房间内部余热量和余湿量的设定
• 3.4.5 室外气象参数的测定
• 3.5 变频多联空调系统的测试方案
• 3.5.1 VRF 系统夏季制冷工况测试方案
• 3.5.2 VRF 系统冬季制热工况测试方案
• 3.6 变频多联空调典型日测试结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 变频多联空调系统的模型建立与验证
• 4.1 EnergyPlus 中变频多联空调系统模型的建立
• 4.1.1 变频多联空调系统模型建立的基本步骤
• 4.1.2 变频多联空调系统模型的组成
• 4.2 变频多联空调系统模型拟合性能曲线的确定和验证
• 4.2.1 制冷工况下能量输入比修正曲线（EIRcool）的确定
• 4.2.2 制冷工况下最大制冷量修正曲线（Qavail,cool）的确定
• 4.2.3 制冷工况下部分负荷系数曲线（RTFcool）的设定
• 4.2.4 制冷工况下制冷量、耗电量—蒸发温度变化量修正曲线
• 4.2.5 制热工况下能量输入比修正曲线（EIRheat）的确定
• 4.2.6 制热工况下最大制热量修正曲线（Qavail,heat）的确定
• 4.2.7 制热工况下部分负荷系数曲线（RTFheat）的设定
• 4.2.8 制热工况下制热量、耗电量—冷凝温度变化量修正曲线
• 4.2.9 拟合性能曲线的验证方法
• 4.3 制冷工况仿真模型的实验验证
• 4.3.1 制冷量和耗电量的仿真验证
• 4.3.2 制冷工况性能系数COP 的仿真验证
• 4.3.3 制冷工况下仿真结果验证结论
• 4.4 制热工况仿真模型的实验验证
• 4.4.1 制热量和耗电量的仿真验证
• 4.4.2 制热工况性能系数COP 的仿真验证
• 4.4.3 制热工况下仿真结果验证结论
• 4.5 仿真模型的验证结论及误差来源初步分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 变频多联空调系统模型的能耗仿真分析
• 5.1 变频多联空调系统能耗计算结果的影响因素分析
• 5.1.1 蒸发温度设定值对仿真结果的影响分析
• 5.1.2 冷凝温度设定值对仿真结果的影响分析
• 5.1.3 室内设定温度对仿真结果的影响分析
• 5.1.4 室外气象参数对仿真结果的影响分析
• 5.2 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 存在问题和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文