空调系统的动态模拟

变风量空调系统研究综述西安交通大学人居环境与建筑工程学院摘要：介绍了变风量空调系统(V A V)的国内外的研究现状，分析了VAV系统的优缺点，得出国内变风量系统能耗较大的原因，应结合国外成熟的VAV技术对我国变风量空调系统进行深入的理论与应用研究。

关键词：变风量系统；建筑节能；控制模拟变风量空调系统（V A V）最早由美国提出，具有节能、系统灵活等特点，在美国、日本和欧洲等国家得到迅速推广。

变风量系统分为单风道V A V系统、双风道V A V系统、多区域V A V系统[1]。

根据末端装置的不同，又分为单管型变风量末端、双管型变风量末端、风机动力型末端、诱导型末端、压力相关型末端、热力型末端。

变风量系统（V A V）保持送风温度不变，当实际负荷减少时通过末端装置改变送风量来调节室内温度实现节能。

变风量系统还可灵活适用于室内负荷变化大的房间或系统中各房间负荷相差悬殊的情况。

因此有必要对变风量系统的能耗情况进行研究。

1国外VAV 系统的研究和应用现状变风量(VAV)空调系统根据空调负荷的变化及室内要求参数的改变,自动调节空调送风量(达到最小送风量时调节送风温度) ,以满足室内人员的舒适要求或其他工艺要求。

国外对VAV系统的研究始于20 世纪70 年代。

S.C.SEKHAR和CHUNG JEE YAT通过能量模拟程序对应用于一幢高层办公建筑的不同空调系统形式进行整体评价，其中包括变风量空调系统、定风量空调系统、两管制风机盘管加新风系统等五种空调系统形式[2]。

在研究过程中应用DOE-2能量模拟程序，对建筑物全年进行动态模拟，从模拟结果中证明了变风量空调系统的良好节能特性。

C.S.EKHAR还研究了在热湿条件下以五幢建筑为模型，对变风量空调系统与定风量空调系统进行能耗比较[3]。

另外还有许多学者对该系统形式进行了研究，对其进行了详尽的理论建模及分析。

变风量系统中风量控制是V A V 系统控制的关键环节,它关系着整个系统的能耗情况和系统的稳定性。

科学技术创新2020.12空调房数学建模与仿真郭安柱马永志（青岛大学机电工程学院，山东青岛266071）1概述随着我国经济的快速发展，人民生活水平也在不断提高，空调已经是家家户户必备的产品。

众所周知，空调房系统是一个具有高度的非线性、滞后性的复杂系统[1]，房间温度受到各种因素的影响，各种因素对房间温度的影响程度不一，为了探究外界因素对房间温度的影响，更好的通过空调系统对房间温度进行调节，利用集总参数法建立了空调房系统的动态数学模型，采用Matlab/Simulink 对系统进行模拟仿真。

2模型建立2.1物理模型的建立文章物理模型的原型为青岛某一办公室，其室内结构布局如图1所示，办公区被分隔为三部分，整个办公区长6.2m ，宽4m ，高3m 。

整个办公区采用全空气空调系统，送风形式为侧送风。

图1青岛某办公室平面结构图2.2数学模型的建立空调房为一个非常复杂的热力学系统，具有惯性大、影响因素多、高度的非线性等特点[1]，想要准确的描述其热力学特征非常困难，为了方便建模和求解，本文在实际的空调房热力学模型的基础上提出了以下假设[2]：（1）房间温度场分布均匀，即房间各个点的温度一样；（2）不考虑房间中其他因素对温度场的影响，仅考虑几个主要的热源；（3）与室内进行热交换的围护结构主要为墙体，不考虑其他结构如窗户等对室内温度的影响且室内无阳光直接照射；空调房空气温度对象建模：根据能量守恒定律，空调房内空气储热量的变化率等于单位时间内空调房得到的能量减去空调房失去的能量[3]，则空调房能量守恒的计算公式为：式中，h s 为空调房送风焓值，J/Kg ；h a 为空调房空气焓值，J/Kg ；ρa 为空气密度，Kg/m 3；V a 为空调房室内空气体积，m 3；G s 为送风量，Kg/s ；Q w 为室内围护结构与空气的对流换热量，W ；Q b 为空调房内人体与空气之间的换热量，W ；Q o 为室内其他热源如电灯和电子设备的产热量，W ；K wa 为墙体与空气之间的对流传热系数，W/（m 2·K ）；A b 为墙体与室内空气之间的对流换热面积，m 2；T w 与T a 分别为墙体内表面与室内空气温度，K ；τ为时间，s ；人体与空气之间的换热量由三部分组成，分别是人体通过呼吸作用、辐射作用和自然对流与空气之间的换热量。

空调压缩机虚拟样机开发中的建模与仿真摘要：该文介绍了建模与仿真技术在开发新型汽乍空调旋叶式压缩机虚拟样机中的应用。

该虚拟样机由产品的三维几何模型、动力学模型和反映其工作过程（热力学、流体力学、传热传质等过程）的动态数学模型为基础，利用虚拟样机对压缩机性能进行了仿真研究利优化。

关键词：虚拟样机；制冷压缩机；计算机仿真1引言随着计算机技术的飞速发展，压缩机的设计与研宪已经从传统的经验或半经验方法逐步转向虚拟样机开发这一先进有效的手段。

虚拟样机是i种基于建模与仿真的设计，包括几何形状、传动的联接关系、物理特性和动力学特性的建嘆与仿真。

本文利用建模与仿真技术开发了一个汽车空调用旋叶式压缩机的虚拟样机，它具有与真实斥缩机一致的内在和外观特性, 即模拟了其运动学、动力学和工作过程（热力学、流体力学、传热传质）的性能。

该虚拟样机己在产品和实际开发和制适中发挥了重要的理论指导作用。

2旋叶式制冷压缩机简介新型旋叶式压缩机由于其对汽车空调良好的适应性，目前在国内外得到了人力发展。

这种压缩机结构设计巧妙，结构紧凑，每个工作基元在一转当中有两次吸排气，转子运动平稳，整机的振动小、噪声低。

在口本和美国的一些压缩机制造公司己进行大批量生产。

在国内，旋叶式压缩机还处于引进、消化和设计开发阶段。

图1为旋叶式（又称滑片式）压缩机的结构示意图，该压缩机的结构特点为：1）缸内壁型线为多段复杂型线光滑连接而成，转子与气缸同心放登，无偏心。

2）转子和气缸短轴处的密封圆弧段将气缸分成两个圧缩腔，两组吸、排气II柑错180°布置，使作用在转子上的径向'（体力基本平衡，卸除了轴承的径向负荷。

3）为改善叶片运动，叶片斜員。

4）转子与气缸同心，这给机器的制造和安装带来了极大的便利。

5）采用压力供油，以起到润滑和密封作用。

□1-排气阀2-转子3-气缸4-滑片5-吸气【」图1压缩机结构简图⑴旋叶式压缩机主要用于小型气体斥缩装置和汽车空调系统中，另外还在机舱、军用车辆及民用住宅等空气制冷空调系统中有所应用。

自动空调系统工作过程
1.传感器测量：自动空调系统通常配备有多个传感器，包括温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器等。

这些传感器会不断地监测室内环境的参数，并将测量结果反馈给控制器。

2.参数分析：控制器会对传感器测量的参数进行实时分析和比较。

例如，当室内温度超过设定的温度阈值时，控制器将判断室内温度过高，并采取相应的控制措施。

3.控制策略：根据传感器测量的参数和设定的控制策略，控制器将计算出合适的控制动作。

自动空调系统的控制策略通常包括调节送风温度、风速、湿度等。

4.控制执行：控制器将控制策略转化为控制信号，通过执行器来实现具体的控制操作。

执行器包括电动阀、电机、风扇等。

例如，当控制器检测到室内温度过高时，它会向执行器发送开启空调的信号，使得冷却剂被送入室内，降低室内温度。

5.反馈调整：自动空调系统会不断地对室内环境进行监测和调整。

如果控制器检测到室内温度仍然超过设定的温度范围，它会对控制策略进行调整，以更好地满足用户的需求。

总体来说，自动空调系统的工作过程是一个不断监测、分析、控制和调整的循环。

通过不断地检测和调整室内环境参数，它可以提供一个更为舒适和健康的室内环境。

同时，自动空调系统具有智能化的特点，可以根据用户的需求进行个性化调整，提高能源利用效率，并降低能耗。

1.TRNSYS简介TRNSYS软件最早是由美国Wisconsin-Madison大学Solar Energy 实验室（SEL）开发的，并在欧洲一些研究所的共同努力下逐步完善，迄今为止其最新版本为Ver.17。

美国的Thermal Energy Systems Specialists （TESS）专门开发出针对暖通空调系统的各种模块。

TRNSYS的全称为Transient System Simulation Program，即瞬时系统模拟程序。

TRNSYS软件由一系列的软件包组成：其中，Simulation Studio的作用是：调用模块，搭建模拟平台；TRNBuild的作用是：输入建筑模型；TRNEdit的作用是：形成终端用户程序；TRNOPT的作用是：进行最优化模拟计算。

TRNEdit、TRNExe由美国的SEL开发；Simulation Studio由法国的建筑技术与科学研究中心（CSTB）开发；TRNBuild由德国的太阳能技术研究中心（TRANSSOLAR）开发；TRNOPT由美国的热能研究中心（TESS）开发。

软件的核心理念TRNSYS软件是模块化的动态仿真软件，所谓模块化，即认为所有系统均由若干个小的系统（即模块）组成，一个模块实现某一种特定的功能，因此，在对系统进行模拟分析时，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，就可以对系统进行模拟分析。

某些模块在对其他系统进行模拟分析时同样用到，此时，无需再单独编制程序来实现这些功能，只要调用这些模块，给予其特定的输入条件就可以了。

TRNSYS软件的主要功能TRNSYS软件区别于其它建筑能耗模拟软件的主要方面有：1、开放性TRNSYS软件最大的特点就是其开放性，TRNSYS软件是目前能耗模软件中最开放的一个软件，它的开放性体现在很多方面，主要体现在如下方面：1) 源代码开放TRNSYS软件组件源代码是开放的。

用户可以基于源代码理解算法核心，同时可以参考软件中成熟算法开发独立软件、模块。

VAV、VRV、FCU，写字楼空调是越高级越好？市面上写字楼普遍用到的空调系统分为三种，我们先说V A V （V a r ia b l e A i r Vo l u m e），即变风量调节空调系统。

这是一种通过改变送风量来调节室内湿/温度的空调系统（又称：集中式空调系统）。

实质是在保持空调送风温度的前提下，根据房间内实际温度的变化来调节空调送风量，达到控制房间温度的目的。

V A V系统的优点：1、节能：由于空调系统在全年大部分时间里是在部分负荷下运行，而变风量空调系统是通过改变送风量来调节室温的，因此可以大幅度减少送风风机的动力耗能。

2、新风舒适度高：变风量空调系统是全空气系统，在过渡季节可大量采用新风作为天然冷源，大幅度减少制冷机的能耗，亦可改善室内空气质量，也可避免避免在局部区域产生过冷或过热现象。

3、噪音小：变风量空调系统噪声主要集中在机房，用户端能感觉到的噪声微乎其微。

4、智能化可塑性强：采用数控的变风量空调系统，可以实现计算机联网运行，接入到楼宇自控系统中，从而提高楼宇智能化程度。

5、易于改造：由于它的末端装置及其所带风口用软管连接，易于装修或二次改造。

第二种是V RV（V ar i a b l e R e fr i g e r an t V o l u me），即变制冷剂流量系统。

这种空调系统通过控制压缩机的制冷剂循环和进入室内换热器的制冷剂流量，适时地满足室内冷热负荷要求的高效率冷剂空调系统。

V R V系统的优点：1、节能：目前VR V空调系统普遍采用变频压缩机和电子膨胀阀。

V R V先进的变频技术，可在15%-100%容量范围内进行控制，根据负荷变化进行稳定的运转控制。

压缩机在不同转速下连续运行，减少了因压缩机频繁启停造成的能量损失。

2、占用面积小：条件许可时，VR V系统外机机组可摆放在裙楼楼顶或塔楼楼顶，占用写字楼内部的面积较小，可满足自用型楼宇客户的个性需求。

3、舒适度较高：可选择带冷源的新风处理机或不带冷源的全热交换器，除湿量较大，对于很多空气湿度较大的地区项目很适用。

TRNSYS软件介绍中国建筑科学研究院2009－12－8主讲内容软件概述建筑物全年动态负荷模拟计算系统模拟计算软件操作－实例介绍1. 软件概述一、TRNSYS软件开发的背景 开发机构TRNSYS（Transient System Simulation）软件是瞬时系统模拟程序，最早由美国Wisconsin-Madison大学Solar Energy 实验室（SEL）开发，并在欧洲一些研究所(CSTB、TRANSSOLAR)的共同研究下逐步完善的。

另外，美国的Thermal Energy SystemsSpecialists（TESS）专门开发出针对暖通空调系统的各种模块。

TRNSYS软件的特点¾模块的源代码开放，用户根据各自的需要修改或编写新的模块并添加到程序库中；¾计算灵活，模块化开放式结构，用户可以根据需要任意建立连接，形成不同系统的计算程序；¾形成终端用户程序，为非TRNSYS用户提供方便；¾输出结果可在线输出100多个系统变量，可形成EXCEL 计算文件；¾与EnergyPlus、MATLAB等其它软件建立链接。

软件构成TRNSYS由一系列的软件构成，主要有：Trnsys Studio；TRNBuild；TRNEdit；TRNOPT等。

TRNSYS软件是模块化的动态仿真程序，所谓模块化，即认为所有系统均由若干个小的系统（即模块）组成，一个模块实现某一种特定的功能，因此，在对系统进行模拟分析时，只要调用实现这些特定功能的模块，给定输入条件，就可以对系统进行模拟分析。

某些模块在对其他系统进行模拟分析时同样用到，此时，无需再单独编制程序来实现这些功能，只要调用这些模块，给与其特定的输入条件就可以了。

Trnsys Studio各种模块各种模块TRNBuildTRNEditTRNEditTRNOPT软件的功能TRNSYS软件功能强大，涉及的范围较广，可对多种系统的运行状况进行动态仿真，主要有：z建筑物全年的逐时能耗；z优化空调系统方案，预测系统运行费用；z太阳能（太阳能光热和光伏系统）模拟计算；z地源热泵空调系统模拟计算；z地板辐射供暖、供冷系统模拟计算；z蓄冷、蓄热系统模拟计算；z冷热电联产系统模拟计算；z燃料电池系统模拟计算；2.建筑物全年动态负荷模拟计算TRNBuild¾具有常用的墙体、窗户数据库。

空调系统节能改造方案第一部分空调系统现状分析 (2)第二部分能效评估与目标设定 (4)第三部分节能技术选型研究 (7)第四部分改造方案设计原则 (10)第五部分系统优化策略探讨 (12)第六部分实施步骤与计划安排 (15)第七部分预期效果与效益评估 (18)第八部分维护与管理策略建议 (21)第一部分空调系统现状分析空调系统作为现代建筑的重要组成部分，其运行效率直接影响到建筑的能耗水平。

随着全球能源危机的加剧以及环保意识的提高，对空调系统的节能改造已成为当务之急。

本文将针对空调系统的现状进行分析，并提出相应的节能改造方案。

一、空调系统现状分析1.能效问题当前，许多建筑的空调系统存在能效低下的问题。

据统计，空调系统能耗占建筑总能耗的比例高达 40%-60%，其中，制冷主机、水泵和风机的能耗占据了较大比例。

这些设备往往采用传统的定频控制方式，导致在部分负荷下运行效率低下，浪费了大量能源。

2.控制系统落后许多建筑的空调系统仍采用传统的开关式控制或简单的 PID 控制，无法根据室内外环境变化及用户需求进行精确调控。

这种落后的控制方式不仅影响了空调系统的运行效率，还可能导致室内环境的舒适度下降。

3.维护管理不善由于缺乏专业的维护和管理，许多空调系统的设备老化严重，故障率较高。

此外，系统的水处理、过滤等环节也常常被忽视，导致换热效率降低，能耗增加。

二、节能改造方案针对上述问题，我们可以从以下几个方面对空调系统进行节能改造：1.变频技术改造通过引入变频技术，实现对制冷主机、水泵和风机等设备的变频调速控制。

这样可以根据实际负荷的变化自动调整设备的运行速度，从而提高设备的运行效率，降低能耗。

据相关研究，采用变频技术后，空调系统的能耗可降低 15%-30%。

2.智能控制系统升级将传统的开关式控制或 PID 控制升级为基于物联网的智能控制系统。

该系统可以实时采集室内外环境参数、用户需求等信息，并通过大数据分析、人工智能等技术实现对空调系统的精确调控。