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热回收型变频多联空调运行分析
近几年，国内学者[4-9]先后从实验分析和软件模拟方面开始着手研究VRF 系统的能耗仿真与分析。在文献[4-7]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。然而这些仿真模型均是以热泵型VRF(HP-VRF)系统为基础，并未考虑可以同时制冷供热的热回收型VRF 系统的能耗特性。文献[1-3]对于热回收型的VRF 系统进行了定性的能耗特性分析或者进行了部分测试分析，但是对于其结合建筑能耗的全年动态模拟的研究相对较少。 

　　本文在之前开发的热泵型水冷(热)VRF 变频多联空调的能耗计算模块的基础上[4-7]，添加了新的计算逻辑，开发了热回收型VRF 计算模型，并以一商业建筑为例，对该模型的计算结果进行了分析。以此为基础，分析了该类空调系统的节能性。 

　　1 热回收型VRF 系统 

　　多元变频多联空调俗称一拖多，即由一个室外机和多个室内机组成。室外机主要包括压缩机，换热器，风扇等部件，室内机则由换热器及风扇等主要设备组成。该系统主要包括单冷型、热泵型和热回收型等三种型式。单冷型以制冷为主，热泵型则可以单独制冷或者单独供热，热回收型则可以同时制冷和供热，并且具备热回收的功能。 

　　文献[1-3]均给出了热回收VRF 空调系统的基本工作原理。热回收系统各室内机可以处于不同的工作工况，其具体工况取决于各房间的实际负荷需求。假定各室内机对应不同的房间，房间温度较低需要制热，则室内机 处于制热工况，同时房间温度较高需要制冷，则室内机处于制冷工况。热回收功能则体现于各室内机的冷凝热或者蒸发热可以回收再利用，即室内机的换热器成为整个系统的冷凝器，而室内机的换热器则为蒸发器。如果室内机冷凝热恰好与室内机的蒸发热相平衡，则室外换热器停止工作，即此时整个系统无需向室外环境排出冷凝热或者蒸发热;而如果二者不能达到平衡的时候，室外换热器与室外换热从而补充冷凝热或者蒸发热，其具体工作模式由各室内机的制冷制热负荷的大小决定[3]。 

　　2 热回收型VRF 系统的能耗模拟模型 

　　热回收型VRF计算模型是以热泵型VRF变频多联空调的能耗计算模块为基础[4-7]进行开发的，主要的计算公式和数学模型参见参考文献[4-7]。制冷工况下，一个室外机对应的所有室内机的制冷负荷是相应的所有DX(直接膨胀式)盘管的制冷负荷之和。基于这一负荷，压缩机电耗可以用数学模型计算得到[4-7]。制热工况的计算理论基本与制冷工况相同[7]。 

　　根据系统实际工作原理，我们制定仿真逻辑如下：该模型首先比较所有制冷模式室内机负荷和所需电耗之和与所有制热模式下的室内机热负荷之和的大小，从而决定该时刻室外机的工作模式。如果前者大于或者等于后者，则室外机为制冷模式，反之，则室外机为制热模式。通过判断室外机的负荷模式之后，再输出相应的制冷或者制热负荷所需的压缩机电耗。 

　　3 建筑模型和空调系统参数设置 

　　本文采取一个简化的标准单层办公建筑进行冬季热回收 VRF 系统同时制冷制热的能耗仿真分析计算。建筑物呈轴对称，其平面示意图见图3。建筑物墙体材料参数见参考文献[6]，建筑物内部人员及设备负荷参考国标(GB50189-2005)设定。其中空调机组的气象参数为上海标准年气象数据(Shanghai.CTYW)。 

　　4. 冬季工况下基于热舒适性的各区温度确定 

　　4.1典型冬季日无空调处理下建筑各区温度 

　　为了说明热回收系统的必要性，首先对冬季建筑各区的温度及热舒适性进行比较分析。热舒适性指标PMV的计算公式如下： 

　　PMV = (0.303e−0.036M + 0.028)(H − L) 

　　式中，M——每平方米的代谢率(W/m2);H——每平方米每人内部产热量(W/m2);L——人体的各种能量损失(W/m2)。 

　　PMV的值与人体活动情况，人体周围空气的水蒸气分压力，人体周围空气温度，人体着装情况等参数有关。随着气象条件的变化，各参数值会有所变化，比如冬季服装热阻一般要高于夏季，因为冬季着装多于夏季。当PMV为正值时，室内环境偏暖，当PMV为负值时室内环境偏凉。PMV的绝对值越小表明室内环境越舒适。 

　　由于室外温度较低，建筑外区的室内温度普遍较低，最高温度没有达到18.5℃。然而建筑内区最高可达近28℃，最低也达24℃以上。因此，从热舒适性角度来分析，建筑外区基本偏冷(PMV<0.5)，北区室内环境最冷，其PMV值在-2.2～-1.0之间;建筑内区则从9:00开始基本偏暖(PMV>0.5)。为了提高室内环境的热舒适度，必须对建筑外区进行供热，同时对建筑内区进行制冷。 

　　4.2外区不同室内温度设定点对内区的影响分析 

　　给建筑外区供热及其供热设定温度均对建筑内区的温度及热舒适性有一定的影响。当核心区不进行制冷，建筑外区供热到不同室内设定温度时，建筑核心区的温度。当建筑外区统一供热到18℃，核心区的温度为24-28.3℃，而当建筑外区统一供热到20和22℃，核心区温度为24.5-28.8℃。图5b表明当核心区不进行制冷，建筑外区供热到不同室内设定温度时，建筑核心区的热舒适性指标PMV的值。随着外区供热温度的升高，内区PMV值均有所增加。 

　　建筑外区供热情况下，建筑内区的温度相对无供热情况下均有所提高，因此对建筑外区房间供热提高其热舒适性，同时也降低了内区的热舒适性，温度增高，制冷量增大。 

　　4.3 不同设定温度下建筑各区热舒适性分析 

　　为了得到适宜的室内温度，因此对不同设定温度下的热舒适性进行分析。根据室内冷热环境的不同，分别设定建筑外区18，19，20℃;建筑内区24，25，26℃。当建筑外区为18℃时，所有时刻的PMV值均低于-0.5，当建筑外区为19℃时，外区各房间大部分时刻的PMV值均高于-0.5，而当建筑外区为20℃时，除了北区，外区各房间的PMV值基本均高于-0.5。同时，当建筑内区为24℃时，所有时刻的PMV值均低于+0.5，当建筑内区为25℃时，内区大部分时刻的PMV值略高于+0.5，而当建筑内区为26℃时，内区大部分时刻的PMV值基本均高于+0.75。因此，从热舒适性的角度来看，建筑外区设定20℃，内区设定24℃比较合适。在某些时候，为了节能，可以适当降低热舒适度，当建筑外区设定19℃，内区设定25℃的时候，大部分PMV值在-0.75～+0.75的范围内。 

　　5. 设定温度下热回收VRF 机组负荷及能耗计算 

　　设定建筑外区20℃，内区24℃，此时采取热回收型VRF系统对该建筑进行同时供热制冷的空调处理。该日室外最高温度仅为7℃左右，最低可达-2℃，因此建筑外区基本处于制热工况，且负荷量基本随室外温度的增加而降低。然而，建筑内区主要为制冷负荷，其负荷大小主要取决于邻室温度及内部负荷的大小，同时由于少量新风的引入，随着室外温度增高制冷负荷也有增加的趋势，中午13：00负荷降低是因为此时刻人员设备负荷的降低。对于内区，由于早上室外温度及人员设备负荷较低，系统启动的时刻即7：00-7：07这段时间内会有制热负荷，而7：07-8：00及以后的系统工作时间内，内区以制冷负荷为主。 

　　在典型冬季日，虽然核心区需要制冷，但是其负荷与邻室的热负荷相比相对较小。也就是说，对于机组2而言，除了14：00-16：00之外，主机以制热为主，室外换热器为蒸发器，压缩机能耗为制热能耗。此时处于制冷工况的内区室内机换热器成为整个机组的蒸发器，而该部分制冷负荷不再需要额外的室外机能耗。另外，对于机组1，由于其处理的均为外区，其制冷负荷此日均为0，因此整个机组处于制热工况。对比两个不同机组，由于机组1在此日并无热回收效应，因此所消耗的压缩机功耗只用来供热，而机组2所消耗的压缩机功耗可以达到同时供热和制冷的目的，且充分回收利用了其中的制冷负荷。 

　　6. 不同设定温度下热回收VRF 机组冬季能耗分析 

　　为了得到热回收型VRF系统相对普通热泵型系统(即单独制冷或者供热)的节能性，对两种系统的冬季能耗(12月1日到2月28日)进行了计算比较。HP-VRF表示另外采取一套热泵型VRF机组对核心区进行制冷，即建筑外区供热，建筑内区制冷。“20-24”表示外区设定温度为20℃，内区设定温度为24℃，“19-25” 表示外区设定温度为19℃，内区设定温度为25℃。显然，就舒适度而言，“20-24”PMV值更为合适，但是设定温度“19-25”虽然牺牲了少许的热舒适性，但是该设定温度下的不同系统分别节能10%或者15%左右。在设定温度“19-25”下，HR-VRF系统比VRF系统节能6%左右，在设定温度“20-24”，HR-VRF系统比VRF系统节能10%左右。本算例中热回收系统的节能性并不十分显著，原因之一在于本算例中的热回收系统所采取的温度控制策略是：当区间内温度高于设定温度时，该室内机制冷，当区间内温度低于设定温度时，该室内机制热。然而对于热泵型系统，由于无法进行冷热工况自由切换，因此其温度控制方法通常是：如果系统为制热工况，则当房间温度低于设定点，系统制热，而当房间温度高于设定点时，系统停止制热;制冷工况相似。
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