张晓林，翟晓强，徐鹏飞

（上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240）

基于TRNSYS的空气源热泵空调系统仿真研究

张晓林*，翟晓强，徐鹏飞

（上海交通大学制冷与低温研究所，上海 200240）

本文基于TRNSYS软件分别建立了空气源热泵的变水流量（VWV）和定水流量（CWV）模型。该模型可以对系统各部件的运行特性进行模拟。通过模拟仿真，对系统在VWV与CWV控制策略下的性能参数进行了计算与分析。结果表明，与CWV系统相比，VWV系统室温波动较小，并且能够节能10.3%。本文所建立的模型及所应用的VWV系统节能分析方法，为VWV系统的应用及推广提供了理论依据。

空气源热泵；定水量系统；变水量系统

0 引言

近年来，随着我国人民居住条件的改善及环境保护意识的增强，人们对于建筑舒适性和建筑节能性的要求越来越高，因此，安全性好、舒适度高、节能性好的空气源冷热水机组被广泛应用于现代建筑中。

王如竹等[1]提出家用空气源热泵空调系统的设计应该更加注重节能性。热泵水系统能耗占整个热泵系统能耗的15%～20%，而定流量系统水泵效率低且长期处于大流量的运行状态，导致系统的能耗较大。因此，合理控制水系统流量可以有效减少空气源热泵系统的整体能耗。基于定流量系统存在的上述缺陷，变水流量系统（Variable Water Volume，简称VWV系统）应运而生。李素花等[2]提出“VWV系统”是通过调节水泵的频率，从而调节水泵的流量，使得水流量能够与负荷动态变化的换热末端所需的冷量相匹配。

欧美及日本已经积累了一些VWV系统的研制和实践经验，我国对于VWV系统的研究起步较晚，但发展迅速。黄敏珏等[3]提出了几种VWV系统的控制策略，并计算了VWV系统对于水泵的节能效果。宁巍等[4]利用TRNSYS软件构建了变风量空调系统模型，并对同一建筑模型制定了不同的系统控制策略。晋欣桥等[5]建立了冷水机组、变流量供水系统等水循环系统的模型及其控制系统，验证了该模型的运行状况。CHARGUI等[6]建立了建筑负荷结合热泵系统的定水量系统（CWV）模型，并对采暖工况进行了分析。刘洋等[7]根据实测数据建立了冷却水系统的动态仿真平台，证明了冷却水变流量的节能性。柏晨等[8]对空调变水量系统的控制策略进行了研究。蒋小强等[9]建立了适用于变流量模拟的冷水机组及水泵模型，探究空调水系统变流量工况下冷水机组性能参数和系统能耗的变化规律。现有研究在空气源热泵VWV系统与建筑的集成仿真方面的研究较少。本文将基于上海某办公建筑，借助TRNSYS软件对空气源热泵空调系统进行建模，并进一步针对VWV和CWV两种控制模式开展了制冷工况下的仿真计算与分析。

1 模型建立

1.1 建筑模型

本文基于上海某四层办公建筑进行研究分析，建筑面积约为400 m2。建筑外墙导热系数为0.355 W（/m2·K）；外窗导热系数为2.27 W（/m2·K）；建筑窗墙比为0.15。

1.2 室内负荷

建筑室内负荷主要有人员负荷、设备负荷和照明负荷。各项负荷在不同的时间段存在一定的差异，这些差异通过在软件的TRN building中添加时间表来实现。室内不同时间段的新风量如表1所示。

表1 新风量表

1.3 空气源热泵VWV空调系统流程图

空气源热泵VWV空调系统原理如图1所示，整个系统分为水循环系统和空气循环系统。水循环系统由空气源热泵、VWV控制系统、水泵、换热末端及一系列传感器构成。各种传感器采集所需参数并反馈给VWV控制系统，然后由VWV控制系统根据设定控制策略控制变频水泵的频率。空气循环系统包括换热末端、传感器、控制单元及建筑负荷等，传感器采集温度信息反馈给控制单元，控制单元控制风机开闭，并通过风机盘管实现循环水与室内空气的热量交换。

图1 空气源热泵VWV系统示意图

1.4 基于TRNSYS的系统仿真模型

根据流程图建立空气源热泵VWV空调系统的TRNSYS模型，如图2所示。整个模型应用的模块如表2所示。

表2 空气源热泵VWV系统模型采用部件

TRNSYS模块之间通过一定的线连接，实现信号、能量、物质的传递。差值控制器控制室内风机的启停，线性控制器根据冷冻水系统供回水温差实现变频水泵流量的控制。与VWV系统形成对比的是定水流量系统，定水流量系统只需将VWV控制系统断开。

选用TRNSYS软件自带的上海全年典型气象参数。空气源热泵机组选择Type655，制冷名义工况为：环境干球温度为35 ℃，出水温度为7 ℃时的额定制冷量为39.2 kW，额定性能系数（COP）为3.21。空调系统包括两台热泵，每台热泵有两台压缩机，根据负荷调节热泵系统的运行模式。冷冻水循环泵的额定流量为6.8 m3/h，额定功率为1.1 kW，水泵模型由实验数据拟合出的性能曲线确定，如图3所示。风机盘管设定流量均为1,215 m³/h，额定功率69 W。通过运行该仿真模型，能够输出室内温度、水泵能耗、热泵机组能耗等性能参数，并获得这些参数的变化曲线。

图2 空气源热泵VWV系统图

图3 水泵特性曲线

2 空气源热泵数学模型

Type655模块可以模拟空气源热泵机组，主要依赖外部输入的数据表确定运行参数；部分负荷数据文件借助于齐东等[10]的实验研究数据；额定负荷数据文件采用TRNSYS默认文件。该文件中提供制冷量与名义工况制冷量比值（Capacityratio）及COP与名义工况COP比值（COPratio）随热泵出口水温和环境干球温度的变化曲线。名义工况制冷量及名义工况COP由选定的热泵机组提供。Type655首先根据设定的出口水温和环境干球温度调用动态数据程序，获取COPratio和Capacityratio，并通过公式(1)和(2)计算出当前条件下的制冷量和COP。

当前环境干球温度及设定出口水温下的COP及制冷量计算式如下：

制冷负荷的计算公式为：

式中：

Cp——水定压比热容，计算时取4.190 kJ/(kg·K)；

若空气源热泵未在额定负荷下运行，则需用到部分负荷率（Part Load Ratio，PLR）及能耗与额定功率比值（Fraction of Full Load Power，FFLP），两者之间的关系由外部文件提供。计算式如下：

式中：

空气源热泵的能耗则由下式计算：

3 仿真计算与分析

分别针对VWV和CWV两种模式，以0.5 h为时间步长，在5月1日至10月31日时段内运行TRNSYS模型。首先获得全年室温变化数据，如图4所示。比较图4(a)和图4(b)可以看出，两种运行模式下建筑室内温度变化基本一致，最高室温不超过26 ℃，但均有一定波动，这是由于在一个时间步长内，风机只能实现启或停一种模式。另外可以看出，采用VWV系统的室温波动略小于CWV系统的室温波动，这是由于VWV系统流量较小，换热末端换热少，一个时间步长内温度变化较小。因此，空气源热泵VWV系统可以实现CWV系统的功能，并且能够减小室温波动。

图4 室内温度变化曲线

通过设置模型输出，可以得到系统主要部件的运行能耗，如图5所示。图5表示了CWV系统和VWV系统的制冷季运行能耗对比图。由图可以看出，VWV节能效果主要体现在节省了水泵能耗，但是，VWV系统对于风机和热泵的能耗还是有一定的影响。因此计算VWV系统节能效果时仅考虑水泵节能效果是不全面的，需要从系统整体出发，考察VWV系统中各主要部件的综合节能效果。图5(a)中，VWV系统风机能耗略大于CWV系统，这是由于冷冻水流量减小，需要风机增加开启时间，以保证室温达到设定值，这也是VWV系统室温波动小的原因；从图5(b)看出，VWV系统对于水泵的影响很大，相比CWV系统，VWV系统水泵节能在50%以上；在图5(c)中，VWV系统热泵能耗略小于CWV系统热泵能耗，两者整体相差不多；图5(d)则直观地显示了VWV系统对于整个空气源热泵空调的影响。对本模型数据进行计算，可得VWV系统相对于CWV系统可节能10.3%。

图5 制冷季运行能耗图

根据输出数据，对热泵和系统COP进行计算，如图6所示。由图可以看出，热泵COP均在3.0以上，两种模型的热泵COP相差不大。系统COP均在2.5以上，VWV的系统COP大于CWV的系统COP。在负荷较大的7月和8月，VWV系统COP能达到3。

图6 VWV和CWV系统的COP变化曲线

4 结论

本文搭建了空气源热泵在CWV和VWV两种运行模式下的TRNSYS模型，并将其应用在上海某办公建筑中。通过运行模型实现系统仿真，并得到系统主要的能耗数据。结果表明：

1） VWV系统能够实现常规CWV系统的功能，并且更有利于对室温的控制；

2） VWV系统的节能效果主要体现在循环水泵上，但是对风机和热泵的能耗也有一定程度的影响，因此分析VWV系统的节能效果时不能仅仅分析水泵，必须综合考虑各部件进行整体分析；

3） 本文的案例分析表明，空气源热泵VWV系统较CWV系统能够节能10.3%。

[1] 王如竹, 张川, 翟晓强. 关于住宅用空气源热泵空调、供暖与热水设计要素的思考[J]. 制冷技术, 2014, 34(1): 32-41.

[2] 李素花, 代宝民, 马一太. 空气源热泵的发展及现状分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(1): 42-48.

[3] 黄敏珏. 空调水系统VWV节能控制[J]. 制冷技术, 2009, 29(4): 11-16, 21.

[4] 宁巍. 基于TRNSYS的变风量空调系统优化控制仿真[D]. 哈尔滨工业大学, 2013.

[5] 晋欣桥, 惠广海, 肖晓坤, 等. 变流量冷水系统及其控制系统的动态仿真[J]. 暖通空调, 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] 刘洋. 基于TRNSYS的中央空调冷却水系统节能优化仿真研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[8] 柏晨. 空调变水量系统控制方法的研究[D]. 天津: 天津大学, 2004.

[9] 蒋小强, 龙惟定, 王民, 等. 空调水系统变流量的运行特性[J]. 流体机械, 2010, 38(3):71-75.

[10] 于齐东. 部分负荷率对热泵系统能耗的影响分析[J].流体机械, 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

*张晓林（1989-），男，硕士在读。研究方向：热泵系统仿真等。联系地址：上海市东川路800号上海交通大学制冷与低温研究所，邮编：200240。联系电话：15026608708。E-mail：1130209375@sjtu.edu.cn。

上海市国际科技合作基金项目（No.13160700900）