水冷(热)变频多联空调系统的全年能耗分析和比较

文章编号：CAR222水冷（热）变频多联空调系统的全年能耗分析和比较李越铭1 吴静怡1 盐地纯夫2（1上海交通大学制冷及低温工程研究所 200240；2日本大金株式会社）摘 要水冷（热）变频多联空调（VRF）是近年来发展起来的一种新型产品，它运行效率高，节能性好。

为评价该变频多联空调系统的能耗特征，在建筑能耗动态模拟软件EnergyPlus 的基础上，开发了水冷（热）变频多联空调系统（water cooled/heated-VRF）的全年能耗计算模块，并在一典型的商业建筑模型基础上，与已有的常见的空调系统作了建筑物全年总能耗仿真比较。

结果表明，在辅助设备及锅炉燃气能耗较大的情况下，空冷VRF系统比较节能，同时在冬季耗能较低的情况下，水冷（热）VRF系统与中央空调系统相比更为节能。

关键词变频多联空调能耗仿真EnergyPlus 软件ANNUAL ENERGY ANALYSIS AND COMPARISON OF THEWATER-COOLED/HEATED VARIABLE REFRIGERANT FLOWSYSTEMLi Yueming1, Wu Jingyi1, Sumio shiochi2(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China;2.Daikin Industries Ltd)2Abstract Water-cooled/heated variable refrigerant flow (VRF) is a new kind of product. It has good performance of the energy saving. To evaluate energy consumption features of the new-generation system, an energy calculation module for the system was developed based on the dynamic building energy simulation program, EnergyPlus. A building energy comparison between the water-cooled/heated VRF system and other air conditioning systems was implemented, using a typical commercial building model. Simulation results show that because of the large energy consumption of the assistant equipments and the boiler gas for other systems, the air-cooled/heated VRF system is the most energy saving. If the heating load in winter is small, the water-cooled/heated VRF system will be more energy saving than the central air conditioning system.Keywords Variable refrigerant flow system Energy simulation EnergyPlus software0前言作为一种新型的空调系统，变频多联VRF(variable refrigerant flow) 空调系统是在分体式空调机的基础上发展起来的，由室内机、室外机、冷媒配管和遥控装置等组成。

一台室外机可以配置不同规格、不同容量的室内机1～16 台。

传统的空气源VRF系统的室外机的冷却介质是空气，而水冷（热）变频多联（Water cooled/heated variable refrigerant flow)空调系统则是以冷热水作为热源，即制冷时向水环路放热，供热时又从水环路中取热。

该空调系统自开发以来，已经在欧洲市场得到广泛应用，并也于2005年4月开始登陆中国市场[2]。

建筑节能的迫切性要求我们在建筑设计阶段，就必须获得各种HV AC 系统方案的能源可利用程度信息，找到更省能的空调系统和冷热源方案，并做出评估。

因此，利用建筑能耗软件定量分析各种方案的能源消耗，对于指导建筑节能设计具有重要的意义。

近几年，国内学者[3-5,7-8]先后从实验分析和软件模拟方面开始着手研究空气源VRF系统的能耗仿真与分析。

在文献[3-5]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。

对于水冷（热）VRF的能耗计算，国内的研究者[1]在EnergyPlus软件仿真所得的建筑负荷的基础上，再利用水冷（热）VRF机组的输入功率与部分负荷比的拟合曲线（即部分负荷性能曲线回归）计算得出水冷（热）VRF机组的能耗。

不能否认，文献[1]的计算模型简单易行，其所作的国内各地水冷（热）VRF的应用评价，对于设计者来说具备一定的指导性，但是该方法在全面反映整个水冷（热）VRF系统各设备之间的互动与影响方面有所缺乏，这势必影响整个系统能耗分析的准确性。

有鉴于此，本文在获得EnergyPlus源代码的基础上，利用相关厂家公开的样本参数和性能数据，开发了适用于水冷（热）VRF 变频多联空调的能耗计算模块，并将其与EnergyPlus已有的水泵，冷却塔/锅炉，风机等计算模块连接起来，实现了整个系统各设备之间的同步动态模拟仿真，完整的补全该软件对水冷（热）VRF系统的仿真计算。

在此基础上，本文同时分析和比较了水冷（热）VRF和其它常见空调系统的全年能耗特征，以达到指导设计的目的。

1水冷（热）VRF 能耗计算模块开发1.1 水冷（热）VRF系统简介空冷VRF系统的室外机的冷却/加热介质是空气，而水冷（热）VRF系统的冷却/加热介质是水。

图1是水冷（热）VRF系统的简单示意图。

制冷模式下，水冷（热）VRF的室外机单元相当于常见空调的冷凝单元，而室内机单元相当于常见空调的蒸发器单元。

制热模式下，系统室外机换热器相当于蒸发器，室内机单元则相当于冷凝单元。

图1表明，与空冷VRF系统相同，一台室外机单元可同时连接多台室内机单元。

同时，水冷（热）VRF系统与常见的水冷（热）机组类似，其室外机单元通过循环水泵与冷却塔/锅炉相连，其间通过水循环冷却或者加热室外机单元。

由于水的比热和密度远大于空气，换热器面积大大减少，故水冷（热）VRF系统的室外机单元的体积大大减少，可安装在建筑物中任何方便的地方，而不像传统的VRF系统的室外机单元必须安装在室外[1-2]。

图1 水冷（热）VRF系统的简单示意图1.2 水冷（热）VRF系统的能耗模拟与之前开发的制冷模式下的水冷VRF系统类似[8]，只是全年能耗模拟需要添加制热模式并与锅炉等供热设备连接。

与空冷VRF系统不同的是，冬季水冷（热）VRF系统不需要考虑除霜问题。

在相应的时间步，水冷（热）VRF系统的实际总制冷（热）量为其所对应的所有单个DX盘管实际制冷（热）量之和：1()nWSrealtotal DXrealtotal iiQ Q==∑(1-1) 其中，Q WSrealtotal为水冷（热）VRF系统实际的总制冷（热）量（W），Q DSrealtotal为单个DX盘管实际的制冷（热）量（W）。

i为该水冷（热）VRF系统的室内机序数，n为该水冷（热）VRF系统的室内机总数。

同时，水冷（热）VRF系统的电耗输入通过以下公式可以计算得到：()()()WSrealtotalPower Q EIR MF=(1-2)()()EIR EnergyinputratioEIRTempModFac EIRFlowModFac==(1-3)2,,2,,,,()()()()()()wb i wb iw i w i wb i w i EIRTempModFac a b T c Td Te Tf T T=+++++(1-4)2()() EIRFlowModFac a b ff c ff′′′=++(1-5) 其中，EIR为能量输入比；EIRTempModFac为能量输入比温度修正系数，是室内盘管进口空气湿球温度加权平均值(T wb,i)和水冷（热）VRF系统室外机水管入口温度(T w,i)的二次函数；而EIRFLowModFac是能量输入比流量修正系数，是系统室外机水管流量比（ff）的二次函数；水管流量比（ff）是实际水流量与额定水流量的比值；MF 为部分负荷比修正系数，是部分负荷比PLR的函数；a~f和a´~c´均为二次拟合方程系数。

冬季制热程序结构与夏季类似，具体可参考文献[8]，主要不同点在于冬季室外机与锅炉连接。

经过这样的改造，便可在EnergyPlus软件环境下，利用其建筑和设备一体化仿真的功能，对水冷（热）VRF机组的能耗情况进行模拟计算。

2水冷（热）VRF系统制冷/热能耗特性分析2.1 建筑模型和空调系统参数设置本文着重比较了水冷（热）VRF系统与风机盘管加锅炉供热，以及空冷VRF系统全年能耗。

为了更具普遍性，本文参考文献[5,8]，采取了一个简化的典型的中型商业建筑模型进行能耗仿真比较计算。

建筑物总共十层，每层分为六个热区域，包括东、南、西、北四个外区，一个内区和一个核心筒区。

建筑物详细信息见参考文献[5,8]。

图2给出了建筑平面图。

保证各系统在相同建筑相同内部负荷条件下进行能耗计算比较分析。

图2 建筑平面图(单位：m)空调系统主要性能参数见表1，其中风机盘管（四管制）系统采取锅炉供热水给各风机盘管末端，室内风扇为定流量，供冷/供热侧水路水泵为变流量水泵。

假定各系统相同设备对应的性能参数相同或者接近，且主要设备的性能曲线选取自同一个厂家的产品样本数据，同时设各系统总额定制冷量和额定能效比相同或者相近。

文献[8]所采取的水冷（热）VRF系统的部分负荷性能曲线较为理想，本文中的性能曲线更接近实际情况，因此能耗计算结果略有不同。

表1 空调系统性能参数及设置情况名称参数描述HVAC系统水冷（热）VRF系统（冬季使用锅炉）；空冷（热）VRF系统；风机盘管系统+锅炉设计室内空气温度夏季：工作时间26℃；冬季：工作时间20℃，非工作时间15℃冷源额定工况性能系数水冷（热）VRF室外机：4.39；风机盘管水冷机组：4.7；空冷VRF室外机：3.38；气象数据上海CTYW.EPW仿真运行时段1月1日～12月31日，夏季每日8：00-18：00，节假日关闭；冬季每日24小时，节假日开2.2 制冷/热能耗特性分析和比较2.2.1 典型夏季日各机组部分性能分析由于压缩机的部分性能对能耗的影响较大，因此在比较能耗之前，先对各系统冷源机组的部分性能进行分析。