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 THE

WATER-COOLED/HEATED VARIABLE REFRIGERANT FLOW

SYSTEM

Li Yueming1, Wu Jingyi1, Sumio shiochi2

(1.Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University,

Shanghai 200240, China;2.Daikin Industries Ltd)2

Abstract 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 software

0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

()

n

WSrealtotal DXrealtotal i

i

Q 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：

()()()

WSrealtotal

Power Q EIR MF

=(1-2)

()()

EIR Energyinputratio

EIRTempModFac EIRFlowModFac

=

=

(1-3)

2

,,

2

,,,,

()()

()()()()

wb i wb i

w i w i wb i w i EIRTempModFac a b T c T

d T

e T

f 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