湖南大学土木工程学院 李厚培 彭晋卿 李思慧
【摘 要】应用低GWP制冷剂并采用高效换热器对建筑节能有利，因此本文构建了一个基于微通道换热器的空调系统仿真模型，研究了采用微通道换热器与R1234yf作为工质的制冷空调系统对建筑能耗的影响。基于建筑能耗仿真探究了上海地区某中型办公建筑中一个房间的制冷需求特性，通过制冷空调模型研究了空调制冷量与能效比受到压缩机转速与蒸发器风速影响的规律。结合建筑仿真、气候数据、空调系统模型探索了该办公建筑能耗随气温变化的规律。本文提出了一种耦合了微通道蒸发器模型的建筑空调建模方法，为研究高效换热器对建筑能耗的影响提供了工具。
【关键词】制冷空调 微通道换热器 建筑节能 仿真 环保型制冷剂
1 背景介绍
我国提出了“3060”碳目标，力争在2030年碳排放达峰， 2060年之前实现碳排放中和，以完成《巴黎协定》中要求将全球气温升高较工业时代前控制在2摄氏度以内的目标[1]。而我国建筑能耗占社会总能耗比值超过25%，其中空调能耗占比大，有较大的节能空间[2]。采用高效换热技术以及应用环保型制冷剂是实现建筑空调节能减排的有效途径[3]。同样，《蒙特利尔协定书》及其基加利修正案将推进上一代高GWP（全球暖化潜势）制冷剂的削减工作，高GWP制冷剂将逐步退出历史舞台[4]。因此，研究应用低GWP制冷剂且采用高效换热器的建筑制冷空调系统迫在眉睫。
目前国内外学者已经针对建筑空调系统开展了一系列关键技术研究，在仿真技术上有较大的突破[5,6]。而目前建筑空调的仿真研究中专门针对换热器结构设计对整体能耗影响的研究较少，忽略了高效换热器对建筑节能的作用。微通道蒸发器具有体积小、集成度高、换热好、充注量低等优点，近年来逐渐被广泛采用[7]。Li等人通过耦合建筑冷量需求与空调能耗曲线，对建筑物的空调设备选型匹配进行了深入研究，提出了动态耦合的解决途径[8]。本文基于动态耦合，以建筑冷量需求作为输入条件构建空调仿真模型，计算了采用微通道蒸发器及应用低GWP制冷剂R1234yf的系统的夏季制冷能耗。
2 建筑仿真
本文建筑负荷仿真采用的建筑为一个三层办公建筑，该办公建筑尺寸为54，模型如图1所示。外墙传热系数为0.6 W/m2K，地板传热系数为0.86 W/m2K，屋顶传热系数为0.47 W/m2K，窗户传热系数为2.97 W/m2K，遵循我国《公共建筑节能设计标准》对公共建筑的要求。建筑负荷仿真软件为EnergyPlus。
图1 某中型办公建筑模型图
3 空调系统仿真
本文所建空调系统模型采用了40管的单流程平行流微通道换热器作为冷凝器与蒸发器，膨胀设备假设为等焓膨胀过程，压缩机排量为20 cm3。
针对压缩机构建其运行工况与效率的拟合关系式，流量、轴功、出口焓值方法如公式1-4所示。其中流量如公式1采用转速、入口密度、及排量计算而来；轴功如公式2通过等熵效率计算而来；将发热量如公式3假设为轴功的0.9倍；而出口焓值通过轴功与等熵效率计算而来。压缩机的体积效率与等熵效率如公式5所示，皆基于实验数据建模。
系统换热器（蒸发器与冷凝器）耦合了微通道换热器仿真模型。微通道换热器通过提供工质与空气产生交叉流换热的界面以改变两种流体的热力学状态。换热器模型通过空气与工质的入口状态作为输入，输出两种流体的出口状态，而出入口状态差则可以求解出换热器的换热量及压降。在模型中，每根微通道管被分成数个微小单元（已经借助计算证实，每个单元最大不能超过10mm以确保结果与单元数量无关），通过类似有限体积的方法计算每个单元内的工质换热量与压降，再计算总换热量与压降，如图2所展示。
图2 基于有限元法的微通道蒸发器模型
在每个单元内，通过∈-NTU法计算换热量与压降，计算方法在公式6-18简单列出。相关参数的关联式与模型选用如表1所示。
表1 换热器模型中关联式与模型选用
微通道换热器共40根管，管长500mm，其中翅片覆盖长度达490mm。微通道管管壁厚0.25mm，微通道孔间壁厚0.25mm，管深20.25mm，管厚1.6mm，管孔数20个，管水力直径1mm。翅片间距1mm，长度5.2mm，厚度0.1mm，角度28度。出于简化系统研究的目的，蒸发器与冷凝器采用同一结构设计。仿真中膨胀设备假定为等焓膨胀过程。
系统模型将耦合换热器仿真方法以计算蒸发器与冷凝器出口条件，膨胀设备将简单地以等焓膨胀过程进行计算。仿真中的迭代流程如图3所展示，关键控制参数是冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度，关键系统迭代参数是蒸发器进出口压力。虽然冷凝器过冷度应该由充注量控制，但是在此出于简化模型的目的，通过排气压力控制过冷度。因此模型中将通过对比计算的过冷度与控制需求的过冷度（5摄氏度）比较，若差值过大（在此选择0.05摄氏度为判据）将重新迭代压缩机模型与冷凝器模型；对比计算的过热度（5摄氏度）与控制需求比较（判据为0.05摄氏度），判断是否需要迭代蒸发器模型；通过对比计算出的压缩机进口压力与迭代开始所估值比较（判据为0.05千帕），判断是否需要迭代整个仿真流程。
图3 蒸汽压缩循环迭代流程图
4 结果讨论
4.1 建筑5-10月冷量需求
通过仿真计算了上海地区某办公建筑每小时的冷量，空调设定温度为24摄氏度。图4所述为该房间的逐月冷量。数据基本满足平均气温越高，制冷量约高的规律，而7、8两月呈相反规律，7月份平均气温为30.07摄氏度，冷量需求为2,484,344kJ。而8月份平均气温较7月低，为28.49摄氏度，冷量需求却较7月高，为2,622,374kJ。这主要是逐日与逐时数据变化较大带来的月平均统计差异导致。
图4 上海地区某办公建筑5-10月空调制冷需求。
4.2 空调系统制冷量与能耗受到转速与换热器风速影响。
空调系统仿真中换热器模型耦合了风速、风温、空气湿度对换热量的影响。如公式19所示，空调COP计算以制冷量除以轴功而来；而对空调效能比EER评估时亦考虑了压缩机能耗与换热器鼓风机、风扇能耗，列入公式20中。
图5展示了该制冷空调系统在冷凝器风温36摄氏度，相对湿度50%，风速3m/s；蒸发器风温24摄氏度，相对湿度50%，风速3m/s时的制冷量与能效比。其中空调制冷量随着转速增加而增加，空调COP与EER皆随着压缩机转速升高而下降。这是因为压缩机转速升高后，压缩机入口进气量随之增加，增加了系统中制冷剂流量，进而增加了换热器换热量，最终提升了系统制冷量。而COP与EER受到转速影响，转速越高压缩机效率越低，导致能效比下降。图6展示了同样的空调系统，但压缩机定转速为3000RPM，蒸发器风速从1提升至6m/s时效能的变化规律。当风速升高时，空调制冷量升高，COP随之升高。这是因为风速升高后，蒸发器换热增强，蒸发器换热量增加，进而使空调制冷量与COP升高。但是由于风速升高导致蒸发器侧风阻增加，蒸发器鼓风机能耗升高，导致空调EER在3.5m/s达到最大值。
图5 空调效能受压缩机转速影响 图6 空调效能受蒸发器风速影响
4.3 基于建筑输入的微通道换热器空调系统能耗
前文总结了空调效能会随压缩机转速及蒸发器风速影响的规律，同时归纳了上海某办公建筑的冷量需求逐月特征。本文以该建筑每小时冷量需求为输入，计算空调系统在典型气象数据下的效能，并且通过调整冷凝器风扇转速与蒸发器鼓风机转速使空调达到最高的能效比EER。空调能耗(Power)计算方法如公式21所列，由每小时制冷量与EER计算而来；每月平均EER（EERavg）如公式22，通过每月总制冷量（Qtotal）与总能耗（POWERtotal）计算而来。
图7展示了上海该办公建筑逐月空调能耗仿真计算结果。5-10月中，空调总共能耗 约632.5 kWh，对应制冷量累计2847.1 kWh。随着平均气温升高，空调月平均EER降低，这主要是因为随着气温升高，空调所需制冷量升高，压缩机转速上升，导致系统效率下降而能耗升高。
图7 上海某办公建筑逐月空调能耗仿真计算结果
5 总结与展望
本文构建了一种以建筑仿真结果作为输入的微通道换热器空调系统仿真方法。基于该方法总结了上海某办公建筑5-10月的冷量特性（图4），通过空调系统仿真研究阐明了空调效能受到转速与蒸发器风速变化的影响规律（图5、6），揭示了上海某办公建筑5-10月空调能耗的特性（图7）。
本文提出了一种耦合微通道换热器仿真的建筑空调模型构建方法，提供了深入研究换热器结构对建筑能耗影响的建模工具。未来将基于本研究基础，深入探索换热器结构设计（微通道管尺寸、翅片尺寸、流程设计、等）对建筑空调能耗的影响，基于更多地区的气候数据探明空调能耗的变化规律，并且将本研究拓展至可逆热泵空调系统。
参考文献：
[1] 王鑫. 中国争取2060年前实现碳中和[J]. 生态经济, 2020, 36(12): 9–12.
[2] 江亿. 中国建筑能耗现状及节能途径分析[J]. 新建筑, 2008, 2: 4–7.
[3] 赵岩, 李响. 制冷空调能耗及节能减排技术研究[J]. 工程技术研究, 2019, 19(4): 255–256.
[4] 张朝晖, 陈敬良, 高钰等. 《蒙特利尔议定书》基加利修正案对 制冷空调行业的影响分析[J]. 制冷与空调, 2017, 17(1): 1–7.
[5] 张晓琛, 高岩, 王闯等. 基于自动控制的建筑与空调冷冻水系统耦合模拟及实验研究[J]. 建筑科学, 2020, 36(4): 214–222.
[6] 张珣珣. 某一低能耗建筑地源热泵空调系统虚拟仿真实验平台开发[D]. 山东建筑大学, 2019.
[7] FENG L. Intermediate Vapor Bypass : A Novel Design for Mobile Heat Pump at Low Ambient Temperature[D]. University of Illinois at Urbana-Champaign, 2019.
[8] LI S, GONG G, PENG J. Dynamic coupling method between air-source heat pumps and buildings in China’s hot-summer/cold-winter zone[J]. Applied Energy, 2019, 254. DOI:10.1016/j.apenergy.2019.113664.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
