基于TRNSYS的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真研究

張曉林，翟曉強(qiáng)，徐鵬飛

（上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200240）

基于TRNSYS的空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)仿真研究

張曉林*，翟曉強(qiáng)，徐鵬飛

（上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，上海 200240）

本文基于TRNSYS軟件分別建立了空氣源熱泵的變水流量（VWV）和定水流量（CWV）模型。該模型可以對系統(tǒng)各部件的運(yùn)行特性進(jìn)行模擬。通過模擬仿真，對系統(tǒng)在VWV與CWV控制策略下的性能參數(shù)進(jìn)行了計算與分析。結(jié)果表明，與CWV系統(tǒng)相比，VWV系統(tǒng)室溫波動較小，并且能夠節(jié)能10.3%。本文所建立的模型及所應(yīng)用的VWV系統(tǒng)節(jié)能分析方法，為VWV系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣提供了理論依據(jù)。

空氣源熱泵；定水量系統(tǒng)；變水量系統(tǒng)

0 引言

近年來，隨著我國人民居住條件的改善及環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，人們對于建筑舒適性和建筑節(jié)能性的要求越來越高，因此，安全性好、舒適度高、節(jié)能性好的空氣源冷熱水機(jī)組被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑中。

王如竹等[1]提出家用空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)該更加注重節(jié)能性。熱泵水系統(tǒng)能耗占整個熱泵系統(tǒng)能耗的15%～20%，而定流量系統(tǒng)水泵效率低且長期處于大流量的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)的能耗較大。因此，合理控制水系統(tǒng)流量可以有效減少空氣源熱泵系統(tǒng)的整體能耗?；诙髁肯到y(tǒng)存在的上述缺陷，變水流量系統(tǒng)（Variable Water Volume，簡稱VWV系統(tǒng)）應(yīng)運(yùn)而生。李素花等[2]提出“VWV系統(tǒng)”是通過調(diào)節(jié)水泵的頻率，從而調(diào)節(jié)水泵的流量，使得水流量能夠與負(fù)荷動態(tài)變化的換熱末端所需的冷量相匹配。

歐美及日本已經(jīng)積累了一些VWV系統(tǒng)的研制和實踐經(jīng)驗，我國對于VWV系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。黃敏玨等[3]提出了幾種VWV系統(tǒng)的控制策略，并計算了VWV系統(tǒng)對于水泵的節(jié)能效果。寧巍等[4]利用TRNSYS軟件構(gòu)建了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)模型，并對同一建筑模型制定了不同的系統(tǒng)控制策略。晉欣橋等[5]建立了冷水機(jī)組、變流量供水系統(tǒng)等水循環(huán)系統(tǒng)的模型及其控制系統(tǒng)，驗證了該模型的運(yùn)行狀況。CHARGUI等[6]建立了建筑負(fù)荷結(jié)合熱泵系統(tǒng)的定水量系統(tǒng)（CWV）模型，并對采暖工況進(jìn)行了分析。劉洋等[7]根據(jù)實測數(shù)據(jù)建立了冷卻水系統(tǒng)的動態(tài)仿真平臺，證明了冷卻水變流量的節(jié)能性。柏晨等[8]對空調(diào)變水量系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究。蔣小強(qiáng)等[9]建立了適用于變流量模擬的冷水機(jī)組及水泵模型，探究空調(diào)水系統(tǒng)變流量工況下冷水機(jī)組性能參數(shù)和系統(tǒng)能耗的變化規(guī)律。現(xiàn)有研究在空氣源熱泵VWV系統(tǒng)與建筑的集成仿真方面的研究較少。本文將基于上海某辦公建筑，借助TRNSYS軟件對空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并進(jìn)一步針對VWV和CWV兩種控制模式開展了制冷工況下的仿真計算與分析。

1 模型建立

1.1 建筑模型

本文基于上海某四層辦公建筑進(jìn)行研究分析，建筑面積約為400 m2。建筑外墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.355 W（/m2·K）；外窗導(dǎo)熱系數(shù)為2.27 W（/m2·K）；建筑窗墻比為0.15。

1.2 室內(nèi)負(fù)荷

建筑室內(nèi)負(fù)荷主要有人員負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷和照明負(fù)荷。各項負(fù)荷在不同的時間段存在一定的差異，這些差異通過在軟件的TRN building中添加時間表來實現(xiàn)。室內(nèi)不同時間段的新風(fēng)量如表1所示。

表1 新風(fēng)量表

1.3 空氣源熱泵VWV空調(diào)系統(tǒng)流程圖

空氣源熱泵VWV空調(diào)系統(tǒng)原理如圖1所示，整個系統(tǒng)分為水循環(huán)系統(tǒng)和空氣循環(huán)系統(tǒng)。水循環(huán)系統(tǒng)由空氣源熱泵、VWV控制系統(tǒng)、水泵、換熱末端及一系列傳感器構(gòu)成。各種傳感器采集所需參數(shù)并反饋給VWV控制系統(tǒng)，然后由VWV控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定控制策略控制變頻水泵的頻率?？諝庋h(huán)系統(tǒng)包括換熱末端、傳感器、控制單元及建筑負(fù)荷等，傳感器采集溫度信息反饋給控制單元，控制單元控制風(fēng)機(jī)開閉，并通過風(fēng)機(jī)盤管實現(xiàn)循環(huán)水與室內(nèi)空氣的熱量交換。

圖1 空氣源熱泵VWV系統(tǒng)示意圖

1.4 基于TRNSYS的系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)流程圖建立空氣源熱泵VWV空調(diào)系統(tǒng)的TRNSYS模型，如圖2所示。整個模型應(yīng)用的模塊如表2所示。

表2 空氣源熱泵VWV系統(tǒng)模型采用部件

TRNSYS模塊之間通過一定的線連接，實現(xiàn)信號、能量、物質(zhì)的傳遞。差值控制器控制室內(nèi)風(fēng)機(jī)的啟停，線性控制器根據(jù)冷凍水系統(tǒng)供回水溫差實現(xiàn)變頻水泵流量的控制。與VWV系統(tǒng)形成對比的是定水流量系統(tǒng)，定水流量系統(tǒng)只需將VWV控制系統(tǒng)斷開。

選用TRNSYS軟件自帶的上海全年典型氣象參數(shù)。空氣源熱泵機(jī)組選擇Type655，制冷名義工況為：環(huán)境干球溫度為35 ℃，出水溫度為7 ℃時的額定制冷量為39.2 kW，額定性能系數(shù)（COP）為3.21。空調(diào)系統(tǒng)包括兩臺熱泵，每臺熱泵有兩臺壓縮機(jī)，根據(jù)負(fù)荷調(diào)節(jié)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式。冷凍水循環(huán)泵的額定流量為6.8 m3/h，額定功率為1.1 kW，水泵模型由實驗數(shù)據(jù)擬合出的性能曲線確定，如圖3所示。風(fēng)機(jī)盤管設(shè)定流量均為1,215 m3/h，額定功率69 W。通過運(yùn)行該仿真模型，能夠輸出室內(nèi)溫度、水泵能耗、熱泵機(jī)組能耗等性能參數(shù)，并獲得這些參數(shù)的變化曲線。

圖2 空氣源熱泵VWV系統(tǒng)圖

圖3 水泵特性曲線

2 空氣源熱泵數(shù)學(xué)模型

Type655模塊可以模擬空氣源熱泵機(jī)組，主要依賴外部輸入的數(shù)據(jù)表確定運(yùn)行參數(shù)；部分負(fù)荷數(shù)據(jù)文件借助于齊東等[10]的實驗研究數(shù)據(jù)；額定負(fù)荷數(shù)據(jù)文件采用TRNSYS默認(rèn)文件。該文件中提供制冷量與名義工況制冷量比值（Capacityratio）及COP與名義工況COP比值（COPratio）隨熱泵出口水溫和環(huán)境干球溫度的變化曲線。名義工況制冷量及名義工況COP由選定的熱泵機(jī)組提供。Type655首先根據(jù)設(shè)定的出口水溫和環(huán)境干球溫度調(diào)用動態(tài)數(shù)據(jù)程序，獲取COPratio和Capacityratio，并通過公式(1)和(2)計算出當(dāng)前條件下的制冷量和COP。

當(dāng)前環(huán)境干球溫度及設(shè)定出口水溫下的COP及制冷量計算式如下：

制冷負(fù)荷的計算公式為：

式中：

Cp——水定壓比熱容，計算時取4.190 kJ/(kg·K)；

若空氣源熱泵未在額定負(fù)荷下運(yùn)行，則需用到部分負(fù)荷率（Part Load Ratio，PLR）及能耗與額定功率比值（Fraction of Full Load Power，F(xiàn)FLP），兩者之間的關(guān)系由外部文件提供。計算式如下：

式中：

空氣源熱泵的能耗則由下式計算：

3 仿真計算與分析

分別針對VWV和CWV兩種模式，以0.5 h為時間步長，在5月1日至10月31日時段內(nèi)運(yùn)行TRNSYS模型。首先獲得全年室溫變化數(shù)據(jù)，如圖4所示。比較圖4(a)和圖4(b)可以看出，兩種運(yùn)行模式下建筑室內(nèi)溫度變化基本一致，最高室溫不超過26 ℃，但均有一定波動，這是由于在一個時間步長內(nèi)，風(fēng)機(jī)只能實現(xiàn)啟或停一種模式。另外可以看出，采用VWV系統(tǒng)的室溫波動略小于CWV系統(tǒng)的室溫波動，這是由于VWV系統(tǒng)流量較小，換熱末端換熱少，一個時間步長內(nèi)溫度變化較小。因此，空氣源熱泵VWV系統(tǒng)可以實現(xiàn)CWV系統(tǒng)的功能，并且能夠減小室溫波動。

圖4 室內(nèi)溫度變化曲線

通過設(shè)置模型輸出，可以得到系統(tǒng)主要部件的運(yùn)行能耗，如圖5所示。圖5表示了CWV系統(tǒng)和VWV系統(tǒng)的制冷季運(yùn)行能耗對比圖。由圖可以看出，VWV節(jié)能效果主要體現(xiàn)在節(jié)省了水泵能耗，但是，VWV系統(tǒng)對于風(fēng)機(jī)和熱泵的能耗還是有一定的影響。因此計算VWV系統(tǒng)節(jié)能效果時僅考慮水泵節(jié)能效果是不全面的，需要從系統(tǒng)整體出發(fā)，考察VWV系統(tǒng)中各主要部件的綜合節(jié)能效果。圖5(a)中，VWV系統(tǒng)風(fēng)機(jī)能耗略大于CWV系統(tǒng)，這是由于冷凍水流量減小，需要風(fēng)機(jī)增加開啟時間，以保證室溫達(dá)到設(shè)定值，這也是VWV系統(tǒng)室溫波動小的原因；從圖5(b)看出，VWV系統(tǒng)對于水泵的影響很大，相比CWV系統(tǒng)，VWV系統(tǒng)水泵節(jié)能在50%以上；在圖5(c)中，VWV系統(tǒng)熱泵能耗略小于CWV系統(tǒng)熱泵能耗，兩者整體相差不多；圖5(d)則直觀地顯示了VWV系統(tǒng)對于整個空氣源熱泵空調(diào)的影響。對本模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可得VWV系統(tǒng)相對于CWV系統(tǒng)可節(jié)能10.3%。

圖5 制冷季運(yùn)行能耗圖

根據(jù)輸出數(shù)據(jù)，對熱泵和系統(tǒng)COP進(jìn)行計算，如圖6所示。由圖可以看出，熱泵COP均在3.0以上，兩種模型的熱泵COP相差不大。系統(tǒng)COP均在2.5以上，VWV的系統(tǒng)COP大于CWV的系統(tǒng)COP。在負(fù)荷較大的7月和8月，VWV系統(tǒng)COP能達(dá)到3。

圖6 VWV和CWV系統(tǒng)的COP變化曲線

4 結(jié)論

本文搭建了空氣源熱泵在CWV和VWV兩種運(yùn)行模式下的TRNSYS模型，并將其應(yīng)用在上海某辦公建筑中。通過運(yùn)行模型實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，并得到系統(tǒng)主要的能耗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：

1） VWV系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)CWV系統(tǒng)的功能，并且更有利于對室溫的控制；

2） VWV系統(tǒng)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在循環(huán)水泵上，但是對風(fēng)機(jī)和熱泵的能耗也有一定程度的影響，因此分析VWV系統(tǒng)的節(jié)能效果時不能僅僅分析水泵，必須綜合考慮各部件進(jìn)行整體分析；

3） 本文的案例分析表明，空氣源熱泵VWV系統(tǒng)較CWV系統(tǒng)能夠節(jié)能10.3%。

[1] 王如竹, 張川, 翟曉強(qiáng). 關(guān)于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計要素的思考[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 32-41.

[2] 李素花, 代寶民, 馬一太. 空氣源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀分析[J]. 制冷技術(shù), 2014, 34(1): 42-48.

[3] 黃敏玨. 空調(diào)水系統(tǒng)VWV節(jié)能控制[J]. 制冷技術(shù), 2009, 29(4): 11-16, 21.

[4] 寧巍. 基于TRNSYS的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制仿真[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[5] 晉欣橋, 惠廣海, 肖曉坤, 等. 變流量冷水系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的動態(tài)仿真[J]. 暖通空調(diào), 2003, 33(5): 17-20.

[6] CHARGUI R, SAMMOUDA H. Modeling of a residential house coupled with a dual source heat pump using TRNSYS software[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 81(2): 384-399.

[7] 劉洋. 基于TRNSYS的中央空調(diào)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化仿真研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

[8] 柏晨. 空調(diào)變水量系統(tǒng)控制方法的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2004.

[9] 蔣小強(qiáng), 龍惟定, 王民, 等. 空調(diào)水系統(tǒng)變流量的運(yùn)行特性[J]. 流體機(jī)械, 2010, 38(3):71-75.

[10] 于齊東. 部分負(fù)荷率對熱泵系統(tǒng)能耗的影響分析[J].流體機(jī)械, 2012, 40(1): 76-80.

Simulation Research for Air Source Heat Pump Air Conditioning System Based on TRNSYS

ZHANG Xiao-ling*, ZHAI Xiao-qiang, XU Peng-fei
(Institute of refrigeration and cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In this paper, a variable water volume (VWV) model and a constant water volume (CWV) model of air source heat pump (ASHP) are built based on the TRNSYS software. The operation characteristics of the devices in the system can be simulated by the model. Through the simulation, the performances of the system operating in VWV and CWV control modes have been evaluated and analyzed. Compared with CWV mode, the fluctuation range of the indoor temperature is smaller when operating in VWV mode. Moreover, the energy consumption of VWV mode is 10.3% lower than that of CWV mode. In addition, the TRNSYS model and the method of analyzing the energy-saving effect of VWV system in this paper would work as theoretical basis for the application and promotion of VWV system.

Air source heat pump; Constant water volume system; Variable water volume system

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.108

*張曉林（1989-），男，碩士在讀。研究方向：熱泵系統(tǒng)仿真等。聯(lián)系地址：上海市東川路800號上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：15026608708。E-mail：1130209375@sjtu.edu.cn。

上海市國際科技合作基金項目（No.13160700900）