间歇供暖模式下多联机快速制热运行特性分析.pdf

2 2023中国家电科技年会论文集0 引言随着生活水平的不断提高，人们愈发关注自己所处室内环境的舒适性问题。舒适的环境不仅可以稳定人的情绪，还可以提升人员的工作效率1。多联机空调系统是一种能够根据用户使用需求，按需提供冷（热）量的多末端、变容量直接蒸发式供暖空调系统，随着技术的进步，其运行能效和室内舒适性大幅提升，且因其具备调节灵活，操作简单、无需专人运行管理等优势，深受具有“部分时间，部分空间”间歇供暖特征的商用、办公和住宅建筑的青睐，据统计，目前，中国多联机产品的销售额约占中央空调市场的50%，且有近一半的产品应用于住宅建筑中2。与空调系统电耗直接相关的运行费用和室内舒适性是用户关注的两个重要问题。对于房间空调器和多联机等住宅空调系统而作者简介：刘树荣，学士学位，博士研究生。研究方向：多联机空调技术。E-mail：。通讯作者：石文星，博士学位，清华大学建筑技术科学系教授。E-mail：。基金项目：本文由国家重点研发计划课题“局部环境营造一体化对流/辐射耦合末端”（课题编号：2022YFC3801502）资助。间歇供暖模式下多联机快速制热运行特性分析刘树荣1 罗彬1,2 肖寒松1 杨子旭1 石文星11.清华大学建筑技术科学系 北京 100084；2.广东美的暖通设备有限公司 广东佛山 528311摘 要：多联机因其控制灵活、高效节能、无需专人管理，在办公和住宅等具有“部分时间，部分空间”间歇供能需求的建筑中得到了广泛应用。然而在冬季间歇供暖模式下，启动多联机后，尽管只有部分房间需要制热，但室内仍需经过较长时间才能达到设定温度，影响室内的热舒适性。以一套南京住宅建筑的多联机系统为例，建立多联机系统启动过程的性能模型，并通过TRNSYS-TRNBUILD仿真平台，分析部分房间实现快速制热的可行性以及在此情景下的多联机性能和室内舒适性改善效果。结果表明：多联机启动后可利用其变容量调节特性进行热量调度，实现局部房间的快速制热，相较于常规制热启动模式，采用快速制热模式将提升系统能效比COP和室内舒适性。关键词：多联机；间歇供暖；快速制热；PPD；COP；空调Analysis of VRF system rapid heating operation characteristics in intermittent heating modeLIU Shurong1 LUO Bin1,2 XIAO Hansong1 YANG Zixu1 SHI Wenxing11.Department of Building Science,Tsinghua University Beijing 100084;2.Gangdong Midea Air-Conditioning Equipment Co.,Ltd.Foshan 528311Abstract:VRF system,because of its flexible control and high efficiency,is widely used in office and residential buildings with part time,part space requirement.However,in winter intermittent heating mode,after starting VRF system,although only some rooms need to be heated,each room still needs to go through a long time to reach setting temperature.This process would also affect the thermal comfort of the room.A VRF system of a residential building in Nanjing is taken as an example to establish a performance model of startup process of the VRF system.The feasibility of rapid heating is analyzed through the TRNSYS-TRNBUILD simulation platform,the VRF system performance and indoor comfort improvement effects under this scenario are analyzed.The results show that:in the rapid heating mode,the advantage of wide range of VRF capacity adjustment can be used for heat scheduling.The rapid heating of local room can be realized.Compared with the conventional heating start-up mode,the adoption of rapid heating mode will improve the system energy efficiency COP and indoor comfort.Keywords:VRF system;Intermittent heating;Rapid heating;PPD;COP;Air conditioner 中图分类号：TM925.12 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.001 32023中国家电科技年会论文集言，人们首要关注的是空调启动后制热与制冷快速性问题。调研发现，使用家用空调器供暖的居民中约有47%的人认为其在使用过程中舒适性不够理想，其不舒适感在空调启动阶段尤其明显，可见，空调启动后“热得不够快”已成为使用者不舒适的抱怨重点3。为研发快速启动制热的空调器，文献4采用模拟分析方法给出了我国典型地区住宅建筑采用空调器间歇供暖方式在启动时最不利的室内、外工况，以此作为设计条件研发快速制热空调器。另一方面，为了改善室内供暖的舒适性问题，市场上也出现了将一个末端设计成水末端，冬季制取供暖热水，通过地暖换热器实现室内供暖，而夏季采用室内风末端进行制冷的“天氟地水”多联机系统。此类系统虽然能有效提升了室内舒适性，但因地板的热惰性大，导致室内末端需持续供暖、系统运行时间显著延长5，进而转化为“全部时间，全部空间”供能系统，失去了间歇供能能耗和运行费低的用能特征，而且系统的投资显著增大，给建筑领域“双碳”目标的实现带来了巨大挑战。基于上述背景，本文通过建立多联机启动过程的准稳态性能模型，以TRNSYS-TRNBUILD为仿真平台获取多联机室内末端启动过程中的室内负荷，以一套住宅中的多联机为例，探讨多联机系统在间歇供暖模式下实现局部房间快速制热升温的可行性，并考察在快速制热情景下的系统性能和舒适性改善效果。1 仿真模型及研究方法以夏热冬冷地区南京市一套选配了一拖四多联机的三室一厅住宅建筑为例，搭建该住宅的建筑模型；通过负荷计算选定各房间的室内机容量，并根据多联机的技术要求配置室外机容量，在给定室外工况条件下（在启动过程可以认为室外温度变化很小），建立多联机启动过程（即室内温度逐渐升高时）的准稳态性能模型，分析不同时间长度下达到设定室温场景下的多联机系统性能和室内舒适性。1.1 建筑负荷模型（1）建筑模型图1给出了位于南京的某住宅建筑平面图，该住宅各房间分别有一扇窗户，青年人卧室北侧外窗面积4 m2，窗墙比0.38；老年人卧室西侧外窗5 m2，窗墙比0.38；中年人卧室西侧外窗5 m2，窗墙比0.38；客厅南侧外窗6 m2，窗墙比0.5；房间围护结构的传热系数根据 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准6设定，如表1所示。图2为在TRNSYS平台上建立的该住宅的建筑负荷模型。表1 住宅建筑模型的参数设置建筑类型房间面积（m2）层高（m）供暖面积（蓝）（m2）结构类型导热系数三室一厅住宅建筑1263.6111外墙kexwall=0.93 W/(m2K)外窗kexwin=2.82 W/(m2K)屋顶kroof=0.23 W/(m2K)内墙kinwall=1.10 W/(m2K)（2）多联机的运行作息在住宅建筑中采用多联机系统时，一般而言，每个房间设置一台室内机末端。实际调研表明，各室内机极少同时开启，其运行时段与用户的家庭成员结构、年龄段、使用季节以及用户自身的行为习惯等因素有关。相对于夏季而言，几乎不会出现卧室内的室内机整夜连续运行的情况，故其冬季卧室的开机时间往往会变得更短。本文依据文献7调研的空调使用习惯结果，设置了图3所示的各房间的室内机运行时长。对于设置在住宅中的多联机系统，测试表明，室内机启动制热图1 房间模型的平面示意图图2 TRNSYS-TRNBUILD仿真平台4 2023中国家电科技年会论文集后30 min左右可以将室温抬升至设定温度附近8。为研究多联机系统在部分房间使用时的快速制热性能，本文以客厅（最大居室面积）末端为例，分析其在间歇供暖典型工况（室外干/湿球温度为7/6、室内初始室温为10）下，在室内机启动后30 min内各时间步长下的多联机系统性能及其室内环境的舒适性。1.2 多联机启动过程的性能模型根据住宅的负荷模型，以各房间最大负荷确定各房间室内机的额定容量（四个房间的室内机的额定制冷量分别为：客厅5.0 kW，青年人、老年人和中年人卧室分别为2.2 kW、1.8 kW和2.8 kW），并以配置率（多联机系统各室内机额定制冷量之和与室外机额定制热量之比）1.2选取了一套一拖四多联机系统，其室外机容量为10 kW。在间歇供暖模式下，多联机启动后室内温度将逐渐升高，因此房间加热以及多联机的运行均是典型的动态过程。由于启动过程时长较短，为降低其模拟难度，将其启动过程简化为按计算时间步长确定的若干个室温的准稳态过程，以此建立多联机在启动过程的准稳态模型，以分析系统在快速制热过程中的性能。多联机的制热性能系数COP取决于室内、外工况和负荷率的大小。根据Li等人提出的多联机系统性能模型9，通过实验结果，拟合出在室外干/湿球温度为7/6条件下一拖四多联机在不同室内温度时的制热COP计算式：COP=a+bTin+cPLR+dTin2+eTinPLR+fPLR2+gPLRTin2+hTinPLR2+iPLR3 （1）式中，Tin-室内温度，；PLR-负荷率，%；COP-多联机的制热性能系数，W/W。式（1）各项系数如表2所示，图4给出了该多联机系统在干/湿球温度=7/6室外工况下室内温度逐渐上升时的性能曲面。表2 一拖四多联机性能模型公式（1）中的各系数值系数数值系数数值A-11.08f10.58b1.993g0.03293c-0.8971h-0.5509d-0.06325i-3.505从图4可以看出，多联机在启动时，由于室内温度较低，压缩机的压缩比较小，电机效率较低，其系统的COP较低，故可以通过提高压缩机运行频率以提高压缩比，以提高多联机系统的负荷率、增大其制热量输出并提高COP；在启动过程中，系统的COP也将随房间温度的逐渐升高而升高，当室温接近设定温度后，逐渐降频运行，提供需求的制热量以维持设定室温。因此，多联机能够利用其变容量特性，调度制热量，以提高单个或部分房间的升温速率。1.3 评价指标与分析方法（1）评价指标多联机间歇运行的快速制热性能应反映此场景下系统能效和图3 不同年龄段人员开启室内机供热的运行时间分布7图4 多联机系统制热性能曲线 52023中国家电科技年会论文集室内舒适性的综合效果。有学者提出了可以综合评价空调系统使用过程中的能效以及舒适性特征的指标6，该指标将表征人员舒适性的舒适不满意率LDz耦合到空调系统的能效指标中，构建了评价能效-舒适性的指标。式（2）（3）给出了制热性能系数COP以及综合考虑舒适性与能效的评价指标COP*的定义式：（2）（3）式中，COP/COP*-分别表示多联机的制热性能系数与综合考虑舒适性与能效的评价指标，W/W；LDz-工作区人员的热舒适不满意率，%；在评价室内整体热舒适性时，采用预测不满意率百分数，即PPD；Qhi,Pi-i时间步长时刻空调系统的制热量和输入功率，W；t-空调系统的运行时间，s；E-空调系统实际运行时间对应的时间步长总数。下面将采用COP*指标分析在多联机制热启动后，在不同时间段（30 min、20 min和10 min）达到设定室温20场景下的系统能效和室内舒适性的综合效果。（2）分析方法图5给出了多联机系统能效和室内舒适性模拟分析方法。其具体步骤如下：在TRNSYS-TRNBUILD平台上搭建建筑模型，输入相应的建筑参数，包括室内热源、建筑围护结构参数等，以及室外气象参数和用户对室内机的开启作息；将多联机系统启动过程的准稳态性能模型与建筑模型耦合，以10 s为步长计算室内的需热量，同时计算下一步长后的室内温度；以室内需热量作为室内机制热量Qh，转化为多联机系统的负荷率，并结合所计算的室内温度和制热量，通过多联机系统准静态性能模型计算系统的COP和输入功率Pi。在获得每个时间步长的室内温度后，根据人员的服装热阻、人体代谢率等参数，计算相应室温条件下人员的预测不满意率百分比PPD；并将PPD、供热量Qh以及输入功率P代入式（2）（3），计算制热启动过程的COP及COP*的变化。2 仿真结果与分析2.1 启动阶段房间温度变化图6给出了在间歇供暖情境下，初始室温为10时，多联机系统启动后在不同时间段（10 min、20 min和30 min）达到设定室温20时的室内温度变化和室内机输出的制热量。在启动阶段，由于开机后压缩机高频运行，制热量较大，随着时间的推移，室内温度升高、制热量逐渐减小，同时随着室内外温差的加大，传到室外的图5 研究分析框图图6 不同工况下室内温度及供热量变化注：图片6、7、8包含彩色线条，请查看电子版。6 2023中国家电科技年会论文集耗热量逐渐增大，空气自身温度提升的幅度逐渐减小，因此房间温度的抬升速度呈现先快后慢的趋势。2.2 启动阶段系统制热性能系数 COP 变化图7对应三种升温场景下系统COP以及输入功率的变化趋势。系统在启动初期供热量较大，输入功率较大，而随着室温的逐渐提升，供热量逐渐减小，系统输入功率减小。在启动初期室内温度较低时，由于压缩机的压缩比较小，电机效率较低，且此时蒸发温度较低，导致系统的COP较低。随着室内温度的提升，压缩比增大，COP上升速度先快后慢，与室温的抬升趋势相对应。当墙壁温度提升后，空气向围护结构传热量减小，室内需热量也逐渐减小，负荷率较低，COP有略微的下降，最后趋于平稳。表3给出了三种场景下多联机的供热量和能耗情况。从表中可以看出，随着达到设定室温时间的缩短，10 min到达设定室温场景所需的总供热量及能耗较大，这是因为房间围护结构的热惰性及建筑内热容等因素导致的。快速提升房间温度后，拉大了室内空气与墙体表面的温差，导致房间向围护结构的传热量增加所致。随着需求升温时间的缩短，房间需热量也将增大，对应系统负荷率提升并迁移至中高负荷率区间，从图7中还可以看出，也一定程度上提高了系统的COP，相较于30 min达到设定室温场景，10 min快速制热启动模式的COP最大可提升9.76%。但10 min快速制热场景下，在房间温度抬升过程末期，负荷率迁移至低能效区间，COP又有部分下降趋势，最后趋于稳定。图7 不同工况下COP及系统输入功率变化图8 不同工况下COP*及PPD变化表3 各工况下多联机的供热量及其耗电量制热运行场景前10 min（kJ）中10 min（kJ）后10 min（kJ）总供热量（kJ）系统耗电量（kJ）（kWh）10 min达到设定室温4363340934081118021030.5820 min达到设定室温3609348934081050619830.5530 min达到设定室温3508339533381024119350.53 72023中国家电科技年会论文集2.3 启动阶段系统能效-室内舒适性指标 COP*变化虽然在快速制热模式下需要多联机提供更多的供热量，但系统的能效比也得到了一定程度的提升。下面再进一步考察不同时间到达设定室温场景下的室内舒适性指标（采用预测不满意率百分数PPD进行评价）和系统能耗-室内舒适性综合评价指标（COP*）的变化情况，图8给出了系统的COP*和房间的PPD变化趋势的计算结果。从图8中可见，随着快速制热需求时间的缩短，室温抬升速度越快，PPD值下降速度加快，即舒适性改善效果更加明显。相对于30 min达到设定室温的常规制热启动模式而言，10 min达到室温的工况下，启动阶段人员的不满意率（PPD）最大可下降40.79%，有效提升了室内机在启动阶段人员的舒适性，进而提升能效-舒适性COP*，其COP*最大可提升24.06%。可见，采用部分房间的快速制热启动模式，不仅可以提高多联机系统的能效比，还能有效提升室内舒适性。3 结论本文以住宅建筑中的一套一拖四多联机系统为例，通过数值模拟方法，针对多联机系统对某一房间进行制热时，考察其在不同需求升温时间场景下的系统运行特征，得到如下结论：（1）在间歇供暖模式下，仅对部分房间进行供热时，可利用多联机变容量特性调度供热量实现房间的快速制热。（2）仅有部分房间制热时，通过提升压缩机频率来提高系统的负荷率，可提高系统的能效比COP和室内舒适性。在计算案例中，相对于30 min达到设定室温的常规制热启动模式，在10 min快速制热模式下，系统的COP最大可提升9.76%；预测不满意率百分数PPD最大可下降40.79%，系统能效与室内舒适性综合能效比COP*最大可提升24.06%。由此可见，在“部分时间，部分空间”供能需求建筑中，可利用多联机系统具备热量调配能力的特点，实现部分房间或局部区域的快速制热要求。合理设计多联机系统的控制策略，可有效发挥其变容量调节特性，实现室内环境的舒适控制，使其接近“天氟地水”系统的舒适性水平，并可大幅度降低系统的投资成本和运行能耗。参考文献1 刘晶.夏热冬冷地区自然通风建筑室内热环境与人体热舒适的研究D.重庆:重庆大学,2007.2 华经产业研究院.2023年中国中央空调行业市场研究报告R.2023.3 李丹,张华玲.南方供暖需求现状及技术分析J.制冷与空调(四川),2013,27(06):621-625.4 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