家庭空调地暖舒适节能控制技术仿真研究.pdf

2352023中国家电科技年会论文集0 引言辐射地暖系统连续具有运行时环境温度波动小、垂直温差小、采暖空间几乎“无风”等舒适特点1,2。研究表明，同等舒适度条件下，辐射供暖比传统散热器供暖节能20%30%，结合热泵等低品位热能、辨识并利用用户行为模式可以进一步节省能量3,4。降低空气源热泵型地暖运行能耗的研究主要集中在以下方面：（1）根据用户行为进行间歇供暖；（2）热泵的水温调控与建筑负荷的供需匹配节能策略；（3）空气源热泵设备的能效提升。李兆坚5等对间歇供暖模式分析表明，在满足舒适度的前提下，采用上班停暖的间歇供暖方式，全楼平均节能率最高可达10%。刘东等6对地板辐射供暖系统应用分析表明，以上海地区的100 m2住宅为研究对象，通过住宅和设备的简化仿真模型，得到大作者简介：祝用华，博士学位。研究方向：主要从事制冷空调系统的设计及优化控制研究。地址：上海市青浦区涞港路77号国家会展中心C座7楼美的集团。E-mail：。家庭空调地暖舒适节能控制技术仿真研究祝用华1 张倩茹1 邵昱昌1 李智强1 袁永莉1 李元超1 金跃迁1 杨阳21.美的集团（上海）有限公司 上海 201702；2.广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311摘 要：辐射供暖系统连续运行具有较好的舒适性，但能耗较高，如何保证舒适性同时降低运行能耗成为一个重要课题。通过搭建家庭空调辐射系统仿真平台，研究了不同的运行控制策略的舒适性和能耗表现，发现了一些规律。首先搭建了模块化系统仿真平台，并基于实验进行了标定和验证。再基于系统仿真平台研究和对比了不同的控制策略的舒适性和能耗特性。在间歇运行条件下，空调地暖双开策略可以确保较好的节能量而不降低人在家时的舒适性，相比于传统定水温控制策略典型日节能量达35%。随着间歇时间越长，空调地暖双开策略节能越明显，但节能率可能受开启机组时的室外工况影响。此研究结果可以用于指导家庭空调地暖系统的控制设计和优化。关键词：空调；辐射地板；仿真；控制；节能Simulation research on comfort and energy saving control for residential air conditioning and radiant systemZHU Yonghua1 ZHANG Qianru1 SHAO Yuchang1 LI Zhiqiang1 YUAN Yongli1 LI Yuanchao1 JIN Yueqian1 YANG Yang21.Midea Group(Shanghai)Co.,Ltd.Shanghai 201702;2.Guangdong Midea Air-Conditioning Equipment Co.,Ltd.Foshan 528311Abstract:The radiant heating system brings excellent thermal comfort but consumes much energy.How to ensure comfort while reducing the operating energy consumption has become an important issue.By building a simulation platform for home air conditioning radiation system,studies the comfort and energy consumption performance of different operation control strategies,and finds some rules.Firstly,a modular system simulation platform was built,and calibration and verification were carried out based on experiments.Based on the system simulation platform,the comfort and energy consumption characteristics of different control strategies were studied.Under intermittent operating conditions,the air conditioning and radiant floor double-on strategy can ensure better energy saving without reducing thermal comfort when people are at home,compared with the traditional constant water temperature control strategy.The typical daily energy saving is up to 35%.The longer the interval,the higher energy saving is observed.The energy saving rate may be affected by the outdoor working conditions when the unit is turned on.The results can be used to guide the control design and optimization of home air conditioning floor heating systems.Keywords:Air conditioning;Radiant floor;Simulation;Control;Energy saving 中图分类号：TM925.1 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.053236 2023中国家电科技年会论文集量仿真数据拟合出房间需求供水温度与环境温度的关系，并以此来设定每天的供水温度，此种控制策略相比传统的整个采暖季节恒定供水温度节能40%以上。崔明明等7研究空气源热泵直接地板辐射采暖，发现该种地板采暖系统的蓄热效果良好，室外温度0停机120 min后室内温度仍可维持在12以上。但上面的研究都没有很好地解决改变运行方式和供水温度以后系统温度波动和对舒适性影响。为了解决间歇供暖或变温供暖导致升温时间过长引起舒适性下降的问题，本文提出一种空调和地暖联动控制的策略，并搭建仿真模型进行测试和验证，基于所建模型对比两联供间歇供暖策略与传统地暖方案，并进一步探索了两联供间歇供暖的节能潜力。1 家庭空调地暖系统仿真平台1.1 家庭空调地暖系统结构本文研究的空调地暖系统结构如图1所示，其耦合了热泵空调室外机、室内机、水力模块、辐射地板等，系统还可连接中央加湿器，用于加湿操作（为聚焦研究内容，本文不涉及加湿内容），水力模块将制冷剂热量传递给水，热水通过泵输送至各房间地板，加热地板从而提高房间温度。1.2 家庭空调地暖系统仿真平台1.2.1 仿真平台功能根据系统结构，本文在Modelica/Dymola环境中构建了家庭空调地暖系统仿真平台。该仿真平台具有模块化的特点，如图2所示，住宅和各设备都为独立模型，再通过物理连接关系连接成为一个系统仿真平台。其中，住宅模型使用了美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的基于FMI标准的Spawn架构，它实现了基于Energy Plus的建筑能耗仿真模型与基于Modelica的系统设备模型的联合仿真。系统模型主要包括多联机模型、地暖模型、水力模块模型。多联机模型和水力模块模型参考并改造Energy Plus中空冷式DX（direct expansion直接膨胀式）盘管性能，输入产品的能力、能耗修正系数，具体方法可见文献8。地暖模型则采用了经典的阻容模型，根据构成地板的材料特性依次计算传热热阻，实现可编辑、可替换的地板模型，并与文献结果进行了验证。仿真平台还增加了控制逻辑模块。通过设置合适的变量取值实现设备启停等逻辑，可以实现超过温度上限关机、低于温度下限开机的地暖启停控制策略。通过水温变化控制模块，可以实现全天不同时刻设置不同的供水温度。通过热泵外机及PID控制模块可以模拟水力模块在实际运行过程中的出水温度变化并输出热泵主机的实时能耗。通过室外气象参数模块可以设置室外气象参数动态变化参数或者固定参数。当空调和地暖同开时，即在热泵两联供模式下，空调和地暖所需的热量存在竞争关系，热量分配因子根据实验数据拟合出与出水温度相关的一个关联式。1.2.2 仿真平台性能验证通过一组实验对仿真平台进行了验证。实验选取房间面积为28 m2的环境实验室，设置灯光开启个数模拟人员变化（不考虑湿负荷）。实验中维持室外干球温度-7，相对湿度74.6%。仿真模型选取相同大小的一间房间作为研究对象，并设置与实验相同的内热源与室外环境条件。将实验的供水温度及空调送风温度作为输入条件，对比仿真的室内温度、地暖回水温度等参数。实验持续6 h，前2 h为仅开地暖，中间2 h为空调和地暖同开，后2 h空调关闭。仿真结果如图3所示。可以看出，仿真模型输出的房间空气温度与实验数据趋势相同，误差在合理范围内，表明仿真模型可以反映实际系统运行特性，即可以将其代替真实系统用于更多运行控制的研究中。图1 家庭空调地暖系统结构 2372023中国家电科技年会论文集 2 基于仿真平台的空调地暖联控策略研究2.1 控制策略设置基于系统仿真平台进一步研究空调地暖联控优化方案。设计4种控制方案分别模拟不同的供暖控制策略：1）方案A-模拟传统定水温地暖，以较低水温运行；2）方案B-模拟传统定水温地暖，以较高水温运行，配合达温启停策略；3）方案C-模拟根据室外气温改变供水温度的改进型策略；4）方案D-两联供间歇供暖策略。负荷设置为离家模式，8:0018:00人员不在家，其余时间人员在家。气象条件为典型南京气象。2.2 控制策略仿真结果2.2.1 两联供间歇供暖与传统地暖解决方案对比各方案在24 h内室内温度、耗电量、地板温度随时间的变化如图4和图5所示。对比四个供暖方案可以看出，在室温接近的前提下，方案A和B仅采用简单的控制策略导致连续运行、能耗较大；而方案C采用变水温的控制策略可以将能耗大幅降低；而两联供间歇供暖方案在离家前采用水温控制策略对地板进行蓄热，离家阶段关闭地暖，回家阶段采用两联供快速升温结合水温控制策略，可以使图2 家庭空调地暖系统仿真平台图3 送风温度与房间温度的实验与仿真结果对比注：图3、4、5、6包含彩色线条示意，请查看电子版。图4 各方案耗电量和在家期间平均室温对比图5 各方案详细室内温度变化238 2023中国家电科技年会论文集房间温度快速上升并超过方案C的室内温度，由于离家阶段的节能潜力，可以保证全天能耗更低。方案C相对于方案A节能33%，而两联供间歇供暖方案节能量则为35%，高于方案C。2.2.2 离家时间对于两联供间歇供暖节能性的影响为进一步探索两联供舒适节能技术的节能潜力，对不同停机时长的工况进行仿真并对比分析其节能性与舒适性。由于方案C和两联供间歇供暖方案各项性能近似，选择其作为对比基准，再进一步扩大仿真时长和间歇运行时长（模拟离家时间不同）。以离家12 h内的结果为例，两个方案在不同间歇时长下的室内温度变化如图6所示，两联供间歇供暖方案在家期间室内温度超过方案C平均温度的时间大于85%以上，舒适性相当，但机组能耗相差明显，如图7所示。从图7可以看出，离家时间超过7 h后，两联供间歇供暖能耗低于方案C，具有节能优势。随着离家时间增加，相对节能量也逐渐增大，基本满足离家时间越长，节能率越高的规律。在离家36 h处出现了一个拐点，这是因为不同离家时间使得机组开启时运行所处的室外工况差别较大，导致机组性能（COP）差异较大。离家36 h的工况，开机时间为夜间，随着室外温度的下降机组的COP也随之下降，因此虽然机组停机时间更久，但是机组功耗略高于离家24 h工况，但仍比传统方案C节能10%。整体而言，离家时间越久，两联供间歇供暖更加节能。3 结论本文基于家庭空调地暖系统仿真平台研究了不同运行控制策略下的系统舒适性和节能性特性，重点研究了空调和地暖联动控制的策略，发现其相当于传统地暖运行策略具有较明显的节能特性。进一步探索了两联供间歇供暖随间歇时长变化的节能潜力。研究结果可以用于指导类似空调系统的运行控制设计。参考文献1 王晨光,马小飞,言树清,等.辐射空调系统的发展研究现状综述J.建筑热能通风空调,2014,33(05):47-50,26.2 任雁,刘云亮,张静思,等.辐射空调室内舒适度评价指标计算与工程应用J.建筑热能通风空调,2020,39(12):1-5.3 黄灵世,孙常权.多功能多联一体机在地暖领域的节能分析J.家电科技,2014(06):54-55.4 陈玲,董重成居住建筑间歇供暖热负荷研究J.低温建筑技术,2010,32(11):108-110.5 李兆坚,江亿,燕达.住宅间歇供暖模拟分析J.暖通空调,2005(08):110-113.6 刘东,王林忠,王如竹,等.地板辐射供暖系统应用分析J.制冷技术,2016,36(06):50-55.7 崔明明,马国远,曹瑞林,等.空气源热泵直接地板辐射采暖实验研究J.家电科技，2022(04):96-100.8 周宴平.变频多联空调系统的能耗分析和实验研究D.上海:上海交通大学,2013.图6 两联供离家时长时的室内温度变化图7 两联供间歇供暖节能特性