摘要：

 本文以集总参数方法为基础，建立了空调系统部件的模型。同时，建立了建筑负荷计算的简化数学模型。在系统模型的基础上，动态模拟了从开机到稳定的一段时间内空调系统和房间状态的瞬态变化。引进室外气象参数，模拟出空调系统的季节性能，包括SEER, HSPF, APF, CSTE, HSTE, APC等反映系统性能的特征值。基于模拟结果，对能更准确反映系统性能的参数：季节能效比和季节能耗，对数码系统和定速系统进行对比分析。


关键词：

数码多联系统，定速系统，瞬态特性，季节性能


前言

科技的发展，技术的进步，人们对生活水平的要求也日益提高，空调的产品形式也趋于多样化，由传统的定速空调发展到现在的变容量空调系统。变容量空调系统包括了变频系统和数码涡旋系统。数码多联技术采用世界首创的PWM（脉冲宽频调节）数码涡旋压缩机，可按负载的大小自动控制制冷制热容量，能有效的降低能耗和运行成本。从七十年代起，人们开始注意到当时空调和热泵评价标准方面存在问题。90年代，中国对季节能效方面也开始重视，制定了空调器的技术导向指标―季节性能系数[1-2]。SEER 的优点在于能较好地反映了实际系统的能源使用情况,为总能耗及设备性能的比较提供了更好的依据，反映了开停机损失。

本文首先对空调系统统进行动态模拟。采用了简化的房间负荷系统和空调系统结合，模拟系统运行情况和室内空气状态的变化。同时，选用了2套具有不同能量调节方式的空调系统，对他们的运行情况和室内温度控制能力进行对比。然后，以室外气象参数为基础[3-4]，通过空调系统的动态运行模拟，得到基于此气象条件下的系统模型的季节性能，包括SEER, HSPF, APF, CSTC, HSTC, APC, 等等。对所得两套不同的空调系统－数码涡旋系统和定速转子式系统的性能进行对比分析，主要是季节能耗和季节能效比。

模型建立

2.1 压缩机模型

数码涡旋技术有一个与众不同的特性，称为轴向柔性。这使得定涡盘可以在轴向有一个较小的运动，保证了定涡盘和动涡盘一直以最优的方式加载。循环周期是数码系统涉及的一个重要概念。它有负载期和卸载期组成。负载期和卸载期的时间长短决定了压缩机的容量调节。“负载期”电磁螺线阀关闭，压缩机运转就和定速涡旋压缩机一样，这时它的流量和制冷量就等于正常运行时的值；“卸载期”电磁螺线阀打开，压缩机的制冷量和流量都是零。例如：一个15秒的循环周期中，有7.5秒是负载期，7.5秒卸载期，那么压缩机的容量即是（7.5秒100% + 7.5秒x 0%)/ 15 = 50%（图2-3）。数码涡旋压缩机可以从容量的10%到100%进行无级输出。压缩机开开停停的运行方式将比正常连续运行消耗更多的能量，数码系统大范围的容量调节可以提高压缩机的季节能效比。

压缩机性能模拟，利用最小二乘法，依据已知的压缩机性能图表拟和出一个以蒸发温度和冷凝温度为自变量的二元多次方程。

2.2系统模型

选用数码涡旋压缩机和定速转子式压缩机，公平起见，两套系统采用相同的室内机，并具有相同的额定制冷量，但是他们的EER和性能曲线并不相同。

对系统各个部件进行耦合，建立了系统动态换热模型。通过室外机换热模型，得到系统运行状态下的冷凝温度；并由室内温度，由经验确定蒸发温度范围；根据蒸发温度和冷凝温度，计算系统理论换热量；再由求得的系统换热量，进行室内换热过程模拟，得到当前时刻的出风状态下一个时刻的室内环境状态；最后由求得的系统各个参数，进入下一时刻的模拟循环。通过这些动态逐时的累积，就可以得到在整个季节或者一年中，系统的能效和能耗。

2.3 负荷模型

研究所采用的房间模型为地处上海的某一三室一厅公寓。该公寓共90平方米，净高2.7米。从1号房间到4号房间的面积依次是：15 m2, 20 m2, 25 m2, 30 m2。建筑热负荷简化为室内外温差的线性函数；湿负荷简化为室内外水蒸气分压力的线性函数。

模拟结果对比分析

3.1动态性能模拟
本文主要模拟了从开机到稳定的一段时间内，室内状态的逐秒变化情况及系统的运行性能。数码系统运行情况有全负荷运行和部分负荷运行工况。当4个室内机全部运行时，数码系统处于全负荷运行状态，当只有部分房间使用空调时，为部分负荷运行。主要进行了数码系统和定速系统从开机时刻起，在室内温度，制冷量，输入功方面的性能参数的比较。


T分两种运行情况进行对比。一是全负荷运行，4个房间室内机同时开机；二是部分负荷运行，1号、4号房间室内机开，2号、3号房间室内机关。

在制冷季节，数码系统的室内温度波动上下范围只有0.9 ℃，而定速系统几乎是数码系统的3倍左右，约3 ℃的温度波动；定速系统共开停7.5次而数码系统只有1次停机；部分负荷运行时因为系统部分容量可以由未开机房间转移到开机房间，故数码系统在8分钟达到了设定温度26℃，而定速系统用了11分钟。

数码系统运行稳定，迅速的改变被控房间的温度，精确的室温控制，提高了房间的舒适性。而定速系统，频繁的开停一方面使得室内温度波动大，舒适性差；另一方面，由于开机阶段的输入功率是正常运行时的几倍，故增加了系统功耗。

对冬季系统的运行情况模拟得到了与夏季类似的结果。

 注: 
室外温度– 7 C
室内温度– 18 C  


3.2季节性能模拟

COP是一个单纯额定工况下的能效比指标值，并不能完全准确的评价空调的节能性。季节性能参数的计算是根据建筑物负荷和空调器的运转能力划分空调器在各个环境温度下的运转能力，恰当地对房间空调器的全年运行情况进行评价，真实反映空调器的实际性能。

本文研究讨论的内容主要针对三个方面（区域性季节能效系数，季节能耗，季节运行费用），针对两种不同的用户类型（商业用户、家庭用户）进行了模拟分析。季节能效模拟基于上海市典型年气象参数。在制冷季节计算100天，制热季节计算150天。R-1代表一级定速系统，R-2代表二级定速系统，依此类推。“1” 代表开机, “0” 代表关机。

季节性能模拟结果：

对夏季，冬季以及全年的季节能效比，针对数码涡旋系统和4套不同COP的定速转子式系统进行了对比分析。

1）夏季：在白天（商用）运行情况，数码系统是5套系统中最好的，数码系统比一级定速系统少消耗了101Kwh。但是，在夜间（家庭）运行工况，数码性能有所下降。
2）冬季：数码系统的HSPF是最好的。白天运行情况，数码系统比一级定速系统少消耗了263Kw h，节省了约5.3％的能源。夜间运行情况，数码系统比一级定速少消耗了478Kwh，节省了8.4％的能源。
下面，对白天运行情况下，系统的季节运行费用进行对比分析，上海市电费0.61/Kwh.可以看到，数码系统比定速系统有6.92％～22.85％不同比例的节省。

4 结论

瞬态模拟结果显示：数码涡旋系统运行稳定，室内温度控制更精确，温度波动小，舒适性好。在部分使用情况下，数码涡旋系统能使得室内温度迅速达到要求的温度，也增强了房间的舒适性。季节性能方面：数码涡旋系统在季节能效比、季节能耗、季节运行费用方面都具有一定的优势。因为数码系统可以变容量调节，没有开停，减少了开机能耗。

 参考文献

作者简介：
谷波：1964年生，教授，博导，上海交通大学制冷与空调工程研究所常务副所长，通讯地址：上海交通大学制冷低温研究所308, 邮编：200030，电话：021-62933240，邮箱：gubo@sjtu.edu.cn
甄伟：1980年生，上海交通大学在读硕士研究生，通讯地址：上海交通大学制冷低温研究所205, 邮编：200030，电话：021-62933240，邮箱：wzhen@sjtu.edu.cn