復雜制冷系統通用建模方法與仿真研究

　　此系統的另外一個特點是空氣依次通過兩個換熱器，因此在計算中需要補充一個方程，即HE2空氣側的入口狀態為HE1的空氣側出口狀態。

　　4.4 算例

　　采用復雜制冷系統汽液兩相流體網絡模型和分布參數法支路數學模型，對各種復雜制冷系統進行了仿真研究來分析各個系統的性能，以進行進一步的優化設計和優化控制研究。圖5所示為對圖2所示的變頻VRF空調系統在全體制冷模式下系統性能的仿真結果。三個室內機的結構完全一樣，風量都為550m3/h，但是三個房間的溫度分別時房間A為22oC，房間B為25oC，房間C為27oC，房間的相對濕度都為50%。三個房間的電子膨脹閥分別控制對應蒸發器出口過熱度為5oC。整個系統內的制冷劑充注量為3.5Kg。

　　從圖中可以看出，隨著壓縮機頻率的上升生發，冷凝溫度(Tc)上升，蒸發溫度(Te)下降，壓縮機的輸入功率(Wcomp)和每個房間的制冷量(QA,QB,QC)也都不斷上升，整個系統的能效比(EER)在壓縮機頻率為40Hz達到z*大值，這主要時在極低頻率下壓縮機的效率迅速下降，而隨著頻率的升高，系統壓縮比變大，也導致系統的能效比降低。上述系統層面的性能變化規律與傳統的單元空調系統(變頻空調器)是基本一致的[11,12]。在某個特定的頻率下，房間的溫度越高，該房間的制冷量越大。這主要是因為整個系統的蒸發溫度是基本一致的，而且每個室內機的出口都被控制在相同的過熱度，因此房間溫度越高，換熱溫差就越大，在換熱器結構和風量相同的情況下，換熱溫差越大，和空氣的熱交換量也就越大。

　　本文所提出的基于分布參數法支路模型的復雜制冷系統汽液兩相流體網絡模型可以用來分析系統制冷劑充注量、壓縮機頻率、聯接管路結構、系統換熱器結構、風量與環境溫濕度條件對整個系統以及每個支路的影響,可以用來對復雜制冷系統的性能分析，優化設計和優化控制進行仿真研究。而且在上述算例中，每個工況的計算都在5分鐘之內完成，有著良好的計算效率。

　　圖5 變頻VRF空調系統性能分析(全體制冷模式)

　　5. 結論

　　本文采用汽液兩相流體網絡的方法建立了復雜制冷系統的物理模型和數學模型。制冷劑汽液兩相流體網絡模型具有連接形式靈活，擴展性強的特點，具有良好的通用性，能夠用關聯矩陣的形式對各種復雜制冷系統附件之間的聯接關系進行描述，并采用虛實支路相結合的方法，使得每個系統盡管有多種運行模式，各個支路的功能并不確定的情況下，每個系統都有一種統一的描述方式。采用基于圖形法的變頻壓縮機和膨脹閥的仿真模型以及分布參數法換熱器和管路模型，使得模型可以用來分析系統制冷劑充注量、壓縮機頻率、聯接管路結構、系統換熱器結構、風量與環境溫濕度條件對整個系統以及每個支路的影響,并具有較高的精度和計算效率。本方法用來建立變頻VRF空調系統、帶生活熱水熱泵系統和熱泵型調溫除濕機系統的仿真模型，并用來進行性能分析，取得了良好的效率。本方法可以用來對各個復雜制冷系統進行建模和仿真研究，為復雜制冷系統的性能分析，優化設計和優化控制提供了一套有效的工具。

　　6. 參考文獻

　　[1] Field A. News, markets and technical developments in the AC/R industries as reported in the European media. Japan Air Conditioning, Heating & Refrigeration News, 2002, 34(3): 5.

　　[2] Masuda, M., K. Wakahara, and K. Marsuki. 1991. Development of a multi-system air conditioner for residential use. ASHRAE Transactions 97(2): 127-131.

　　[3] Lijima, H., N. Tanaka, Y. Sumida, and T. Nakamura. 1991. Development of a new multi-system air conditioner with concurrent heating and cooling operation. ASHRAE Transactions 97(2): 309-315.

　　[4] Shao S.Q., Shi W.X, Li X.T., Ma J. A new inverter heat pump operated all-year-round with domestic hot water. Energy Conversion and Management, in press.

　　[5] Chua K.J., Chou S.K., Ho J.C., Hawlader M.N.A. Heat pump drying: recent developments and future trends. Drying Technology, 2002, 20(8): 1579-1610.

　　[6] 石文星. 變制冷劑流量空調系統特性及其控制策略研究:[博士學位論文]. 北京：清華大學建筑技術科學系，2000

　　[7] 彥啟森. 論多聯式空調機組. 暖通空調, 2002, 32(5):2-4

　　[8] Xia J.J, Winandy E., Georges B., Lebrun J. 2002. Testing methodology for VRF systems. Proceedings of the ninth international refrigeration and air conditioning conference at Purdue, R4-2.

　　[9] Choi J.M., Kim Y.C. Capacity modulation of an inverter-driven multi-air conditioner using electronic expansion valves. Energy, 2003, 28: 141-155.

　　[10]Fischer, S.K., Rice C.K., and Jackson W.L. The Oak Ridge Heat Pump Design Model: Mark III Version Program Documentation. ORNL/TM-10192. Oak Ridge National Laboratory. 1988.

　　[11]Domanski P, Didion D. Mathematical model of an air-to-air heat pump equipped with a capillary. International Journal of Refrigeration, 1984, 7(4): 249-255.

　　[12]Park Y.C., Kim Y.C., Min M.K. Performance analysis on a multi-type inverter air conditioner. Energy conversion and Management, 2001, 42: 1607-1621.

　　[13]邵淵, 周興禧, 陳武. 雙聯變頻空調系統特性的仿真研究. 暖通空調, 2003, 33(2): 15-18

　　[14]Shi, W.X., Shao S.Q., Li X.T., Peng X.F., Yang X.D. A network model to simulate performance of variable speed refrigerant volume refrigeration systems. ASHRAE Transactions, 2003, 109(2): 4636

　　[15]邵雙全, 石文星, 李先庭, 彥啟森. 多元變頻空調系統物理模型研究. 系統仿真學報，2002, 14(6): 690-694

　　[16]邵雙全, 石文星, 李先庭, 彥啟森. 基于兩相流體網絡的復雜制冷空調系統模型研究. 中國機械工程，2003, 14(8): 690-693

　　[17]Shao S.Q., Shi W.X., Li X.T., Chen H.J. Performance representation of variable-speed compressor for inverter air conditioners based on experimental data. International Journal of Refrigeration, in press.

　　[18]Nakashima Y., Lijima H., Umehara M., Matusuoka F. Reversible Flow Type Linear Expansion Valve for Heat Pump. ASHRAE Transactions, 1985, 91: 1555-1568.

　　[19]Shao S.Q., Li X.T., Shi W.X., Yan Q.S. A universal simulation model of air-cooled condenser consisting of plate-fin-tube. Proceedings of 2003 ASME Heat Transfer: 2003 ASME Summer Heat Transfer Conference, July, 2003, Las Vegas, Nevada: HT2003-47405.