基于TRNSYS的空氣源熱泵空調系統仿真研究

張曉林，翟曉強，徐鵬飛

（上海交通大學制冷與低溫研究所，上海 200240）

基于TRNSYS的空氣源熱泵空調系統仿真研究

張曉林*，翟曉強，徐鵬飛

（上海交通大學制冷與低溫研究所，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。該模型可以對系統各部件的運行特性進行模擬。通過模擬仿真，對系統在VWV與CWV控制策略下的性能參數進行了計算與分析。結果表明，與CWV系統相比，VWV系統室溫波動較小，并且能夠節能10.3%。本文所建立的模型及所應用的VWV系統節能分析方法，為VWV系統的應用及推廣提供了理論依據。

空氣源熱泵；定水量系統；變水量系統

0 引言

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

王如竹等[1]提出家用空氣源熱泵空調系統的設計應該更加注重節能性。熱泵水系統能耗占整個熱泵系統能耗的15%～20%，而定流量系統水泵效率低且長期處于大流量的運行狀態，導致系統的能耗較大。因此，合理控制水系統流量可以有效減少空氣源熱泵系統的整體能耗。基于定流量系統存在的上述缺陷，變水流量系統（Variable Water Volume，簡稱VWV系統）應運而生。李素花等[2]提出“VWV系統”是通過調節水泵的頻率，從而調節水泵的流量，使得水流量能夠與負荷動態變化的換熱末端所需的冷量相匹配。

歐美及日本已經積累了一些VWV系統的研制和實踐經驗，我國對于VWV系統的研究起步較晚，但發展迅速。黃敏玨等[3]提出了幾種VWV系統的控制策略，并計算了VWV系統對于水泵的節能效果。寧巍等[4]利用TRNSYS軟件構建了變風量空調系統模型，并對同一建筑模型制定了不同的系統控制策略。晉欣橋等[5]建立了冷水機組、變流量供水系統等水循環系統的模型及其控制系統，驗證了該模型的運行狀況。CHARGUI等[6]建立了建筑負荷結合熱泵系統的定水量系統（CWV）模型，并對采暖工況進行了分析。劉洋等[7]根據實測數據建立了冷卻水系統的動態仿真平臺，證明了冷卻水變流量的節能性。柏晨等[8]對空調變水量系統的控制策略進行了研究。蔣小強等[9]建立了適用于變流量模擬的冷水機組及水泵模型，探究空調水系統變流量工況下冷水機組性能參數和系統能耗的變化規律。現有研究在空氣源熱泵VWV系統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系統進行建模，并進一步針對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行研究分析，建筑面積約為400 m2。建筑外墻導熱系數為0.355 W（/m2·K）；外窗導熱系數為2.27 W（/m2·K）；建筑窗墻比為0.15。

1.2 室內負荷

建筑室內負荷主要有人員負荷、設備負荷和照明負荷。各項負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。室內不同時間段的新風量如表1所示。

表1 新風量表

1.3 空氣源熱泵VWV空調系統流程圖

空氣源熱泵VWV空調系統原理如圖1所示，整個系統分為水循環系統和空氣循環系統。水循環系統由空氣源熱泵、VWV控制系統、水泵、換熱末端及一系列傳感器構成。各種傳感器采集所需參數并反饋給VWV控制系統，然后由VWV控制系統根據設定控制策略控制變頻水泵的頻率。空氣循環系統包括換熱末端、傳感器、控制單元及建筑負荷等，傳感器采集溫度信息反饋給控制單元，控制單元控制風機開閉，并通過風機盤管實現循環水與室內空氣的熱量交換。

圖1 空氣源熱泵VWV系統示意圖

1.4 基于TRNSYS的系統仿真模型

根據流程圖建立空氣源熱泵VWV空調系統的TRNSYS模型，如圖2所示。整個模型應用的模塊如表2所示。

表2 空氣源熱泵VWV系統模型采用部件

TRNSYS模塊之間通過一定的線連接，實現信號、能量、物質的傳遞。差值控制器控制室內風機的啟停，線性控制器根據冷凍水系統供回水溫差實現變頻水泵流量的控制。與VWV系統形成對比的是定水流量系統，定水流量系統只需將VWV控制系統斷開。

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

圖2 空氣源熱泵VWV系統圖

圖3 水泵特性曲線

2 空氣源熱泵數學模型

Type655模塊可以模擬空氣源熱泵機組，主要依賴外部輸入的數據表確定運行參數；部分負荷數據文件借助于齊東等[10]的實驗研究數據；額定負荷數據文件采用TRNSYS默認文件。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由選定的熱泵機組提供。Type655首先根據設定的出口水溫和環境干球溫度調用動態數據程序，獲取COPratio和Capacityratio，并通過公式(1)和(2)計算出當前條件下的制冷量和COP。

當前環境干球溫度及設定出口水溫下的COP及制冷量計算式如下：

制冷負荷的計算公式為：

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荷下運行，則需用到部分負荷率（Part Load Ratio，PLR）及能耗與額定功率比值（Fraction of Full Load Power，FFLP），兩者之間的關系由外部文件提供。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日時段內運行TRNSYS模型。首先獲得全年室溫變化數據，如圖4所示。比較圖4(a)和圖4(b)可以看出，兩種運行模式下建筑室內溫度變化基本一致，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，風機只能實現啟或停一種模式。另外可以看出，采用VWV系統的室溫波動略小于CWV系統的室溫波動，這是由于VWV系統流量較小，換熱末端換熱少，一個時間步長內溫度變化較小。因此，空氣源熱泵VWV系統可以實現CWV系統的功能，并且能夠減小室溫波動。

圖4 室內溫度變化曲線

通過設置模型輸出，可以得到系統主要部件的運行能耗，如圖5所示。圖5表示了CWV系統和VWV系統的制冷季運行能耗對比圖。由圖可以看出，VWV節能效果主要體現在節省了水泵能耗，但是，VWV系統對于風機和熱泵的能耗還是有一定的影響。因此計算VWV系統節能效果時僅考慮水泵節能效果是不全面的，需要從系統整體出發，考察VWV系統中各主要部件的綜合節能效果。圖5(a)中，VWV系統風機能耗略大于CWV系統，這是由于冷凍水流量減小，需要風機增加開啟時間，以保證室溫達到設定值，這也是VWV系統室溫波動小的原因；從圖5(b)看出，VWV系統對于水泵的影響很大，相比CWV系統，VWV系統水泵節能在50%以上；在圖5(c)中，VWV系統熱泵能耗略小于CWV系統熱泵能耗，兩者整體相差不多；圖5(d)則直觀地顯示了VWV系統對于整個空氣源熱泵空調的影響。對本模型數據進行計算，可得VWV系統相對于CWV系統可節能10.3%。

圖5 制冷季運行能耗圖

根據輸出數據，對熱泵和系統COP進行計算，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COP均在2.5以上，VWV的系統COP大于CWV的系統COP。在負荷較大的7月和8月，VWV系統COP能達到3。

圖6 VWV和CWV系統的COP變化曲線

4 結論

本文搭建了空氣源熱泵在CWV和VWV兩種運行模式下的TRNSYS模型，并將其應用在上海某辦公建筑中。通過運行模型實現系統仿真，并得到系統主要的能耗數據。結果表明：

1） VWV系統能夠實現常規CWV系統的功能，并且更有利于對室溫的控制；

2） VWV系統的節能效果主要體現在循環水泵上，但是對風機和熱泵的能耗也有一定程度的影響，因此分析VWV系統的節能效果時不能僅僅分析水泵，必須綜合考慮各部件進行整體分析；

3） 本文的案例分析表明，空氣源熱泵VWV系統較CWV系統能夠節能10.3%。

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

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

[3] 黃敏玨. 空調水系統VWV節能控制[J]. 制冷技術, 2009, 29(4): 11-16, 21.

[4] 寧巍. 基于TRNSYS的變風量空調系統優化控制仿真[D]. 哈爾濱工業大學, 2013.

[5] 晉欣橋, 惠廣海, 肖曉坤, 等. 變流量冷水系統及其控制系統的動態仿真[J]. 暖通空調, 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的中央空調冷卻水系統節能優化仿真研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2013.

[8] 柏晨. 空調變水量系統控制方法的研究[D]. 天津: 天津大學, 2004.

[9] 蔣小強, 龍惟定, 王民, 等. 空調水系統變流量的運行特性[J]. 流體機械, 2010, 38(3):71-75.

[10] 于齊東. 部分負荷率對熱泵系統能耗的影響分析[J].流體機械, 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：熱泵系統仿真等。聯系地址：上海市東川路800號上海交通大學制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯系電話：15026608708。E-mail：1130209375@sjtu.edu.cn。

上海市國際科技合作基金項目（No.13160700900）