基于VRF的户式化辐射空调系统的应用研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 4.16MB 88 页 15积分

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摘要

针对温湿度独立控制系统的应用现状及现有问题，本课题将温湿度独立控制

技术与变制冷剂流量（VRF）空调系统有机的结合在一起，建立了一套基于 VRF

的户式化辐射空调系统。本文将在此系统形式下进行相关理论研究、设备研制、

不同工况下的实验测试分析及样板房实际运行测试研究。

首先，在基于 VRF 的户式化辐射空调系统的应用研究分析中，认为室内余热

的排除可以通过辐射末端得到很好的解决，同时室内余湿的排除与保证室内空气

品质具有一致性，即满足卫生品质要求设计的人均新风量完全可以排除室内的余

湿。

此外，对室内温湿度调控区间进行了研究，确定了本课题的室内温湿度控制

状态点为：夏季DB25.0℃/ RH55%，冬季DB20℃（湿度相应浮动）。同时对上海地

区的全年热湿负荷特性进行了分析得出：夏季新风最高热负荷为3.45 kJ/kg，湿负

荷为22.40kJ/kg；湿负荷约占新风全热负荷的87%，即除湿需求是长江流域夏季空

气处理的关键问题。

其次，设计出一种新型新风除湿设备，该设备在满足室内湿度控制的同时还

可以满足室内空气品质的要求。在该新型新风除湿设备的研究上，本文将该新风

除湿机作为 VRF系统的一个室内机，利用 VRF室外机的冷媒对新风进行深度除湿，

从而省去了新风除湿机内部的压缩机，降低了系统的初投资成本，大大地提高了

系统的能效。

最后，在集成温湿度独立控制技术和 VRF 技术的系统上进行了全年环境条件

的实验测试研究。实验主要测试了系统在夏季工况模式、过渡季节工况模式及冬

季工况模式下的运行特性，并对测试结果进行处理与分析，得出：系统在不同工

况下均能稳定可靠的运行，并能在典型夏季工况、低热高湿过渡季节工况及冬季

工况下满足室内环境（夏季 DB25.0℃/ RH55%，冬季 DB20℃）的设定要求。

此外，在实验的基础上还对长兴朗诗研发基地的样板房进行了系统实际运行

测试。基于当地的气候特点及负荷要求，对样板房的空调系统进行了设计，并测

试了系统在低温高湿的过渡季节及冬季运行模式下的运行特性，得出：系统在过

渡季节及冬季运行模式下均能很好的满足用户的设置要求。

关键词：温湿度独立控制变制冷剂流量（VRF）辐射空调

ABSTRACT

Considering the present application situation of independent temperature and

humidity control system and the existing problems, this topic combined the independent

temperature and humidity control technique and variable refrigerant flow (VRF) air

conditioning system organically together, and has established a set of household type

radiation air conditioning system which is based on VRF. This paper will do some

related theoretical research, equipments development, experimental tests on different

conditions and the research on the testing of actual operation of model houses in this

system form.

Firstly, the analysis and application study of household type radiation air

conditioning system which is based on VRF shows that indoor heat elimination can be

solved well through the radiation terminal, and the indoor excess moisture removal is

consistent with the indoor air quality, that is, per capita fresh air volume design which

meets the health quality requirements can exclude indoor excess moisture.

Secondly, the study of the indoor temperature and humidity control interval

confirmed the control state of indoor temperature and humidity of the subject that is

summer DB25.0℃/RH55%, winter DB20 C(humidity corresponding floating).At the

same time, the annual hot wet load characteristics to the Shanghai were analyzed and

concluded that in summer, the maximum heat load of fresh air is 3.45kJ/kg, the

maximum moisture load of outdoor air is 22.40kJ/kg, and the moisture load accounted

for the total outdoor air heat load of 87%, namely dehumidification demand is the key

problem of Yangtze River in summer air treatment.

Then, a new type of air humidity control device is designed, which can meet the

requirements of indoor air quality while meeting the indoor humidity control. In the

study of the new type of outdoor air humidity control equipment, this paper will take the

outdoor air dehumidification machine as an indoor machine of VRF system, using the

refrigerant of VRF outdoor machine to dehumidify for fresh air deeply, thereby

eliminating the need for internal compressor of outdoor air dehumidification machine,

reducing the system's initial investment cost, and greatly improving the efficiency of the

system energy.

Finally, do the experimental study on system of independent control technology

and VRF technology in the integration of temperature and humidity on the annual

environmental conditions. The experiment mainly tested the operating characteristics of

the system in summer condition mode, transition season condition mode and winter

condition mode, and the processing and analysis of test results, obtained that the system

can run steadily and reliably under different conditions, and under typical summer

conditions, low heat and high humidity conditions and transition season winter

conditions can satisfy the indoor environment (summer DB25.0℃/ RH55%, winter

DB20℃) set requirements.

In addition, on the basis of experiment, Chang Xing Landsea R&D base housing

model was made of actual operation system test. Basing on local climate characteristics

and load requirements, designed the air conditioning system of the housing model and

tested the operating characteristics of the system in low temperature high humidity

transition season and winter operation mode which is obtained that system can well

satisfy the setting requirements for users in both transition season and winter operation

mode.

Key Word: Independent Temperature and Humidity Control，

Variable Refrigerant Flow(VRF), Radiation

Air-conditioning

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................... 1

1.1 课题研究背景 ................................................................................................. 1

1.1.1 室内居住环境的要求 ............................................................................ 1

1.1.2 社会的能源环境现状 ............................................................................ 2

1.1.3 长江流域地区的气候特性 .................................................................... 3

1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 4

1.2.1 变制冷剂流量（VRF）空调系统研究现状 .......................................... 4

1.2.2 辐射空调系统的发展与现状 ................................................................ 5

1.2.3 新风除湿技术发展与现状 .................................................................... 7

1.2.4 温湿度独立控制技术的发展与现状 .................................................... 9

1.3 本课题主要研究内容 ................................................................................... 10

1.4 本章小结 ....................................................................................................... 10

第二章基于 VRF 的温湿度独立控制系统在辐射空调中的应用分析 ....... 11

2.1 室内热湿环境与空气品质的需求 ............................................................... 11

2.1.1 室内余热来源及特点 .......................................................................... 11

2.1.2 室内余热的排除过程分析 .................................................................. 11

2.1.3 室内余湿来源及特点 .......................................................................... 15

2.1.4 室内余湿的排除过程分析 .................................................................. 16

2.1.5 排除室内余湿与室内空气品质的一致性 .......................................... 16

2.2 室内温湿度调控区间及上海地区的全年热湿负荷分析 ........................... 17

2.2.1 室内温湿度调控区间 .......................................................................... 17

2.2.2 上海地区全年热湿负荷分析 .............................................................. 18

2.3 基于 VRF 的辐射空调温湿度控制系统 ..................................................... 20

2.3.1 基于 VRF 的温湿度独立控制系统简介 .............................................. 21

2.3.2 基于 VRF 的辐射空调温度控制系统 .................................................. 22

2.3.3 基于 VRF 的辐射空调湿度控制系统 .................................................. 22

2.4 新型新风除湿机的设计方法及原理 ........................................................... 22

2.4.1 新型新风除湿机的设计计算 .............................................................. 22

2.4.2 新型新风除湿机的原理及构成 .......................................................... 23

2.4.3 新型新风除湿机全年空气调节过程 .................................................. 24

2.5 本章小结 ....................................................................................................... 25

第三章基于 VRF 的户式化辐射空调系统实验设计 ..................... 26

3.1 实验目的及内容 ........................................................................................... 26

3.1.1 实验目的 .............................................................................................. 26

3.1.2 实验内容 .............................................................................................. 26

3.2 实验系统原理及构成 ................................................................................... 27

3.2.1 实验室概况 .......................................................................................... 27

3.2.2 实验系统原理 ...................................................................................... 29

3.2.3 实验系统装置组成 .............................................................................. 30

3.3 数据采集系统及测试仪器简介 ................................................................... 35

3.3.1 数据采集系统 ...................................................................................... 35

3.3.2 实验系统测试仪器 .............................................................................. 35

3.4 本章小结 ....................................................................................................... 36

第四章实验数据处理与分析 ....................................... 37

4.1 夏季工况下实验 1数据处理与分析 ........................................................... 37

4.1.1 夏季实验 1测试工况 1的运行实验及数据分析 .............................. 37

4.1.2 夏季实验 1测试工况 2的运行实验及数据分析 .............................. 39

4.1.3 夏季实验 1测试工况 3的运行实验及数据分析 .............................. 40

4.1.4 夏季实验 1测试工况 4的运行实验及数据分析 .............................. 42

4.2 夏季工况下实验 2数据处理与分析 ........................................................... 43

4.2.1 夏季实验 2测试工况 1的运行实验及数据分析 .............................. 44

4.2.2 夏季实验 2测试工况 2的运行实验及数据分析 .............................. 45

4.2.3 夏季实验 2测试工况 3的运行实验及数据分析 .............................. 46

4.2.4 夏季实验 2测试工况 4的运行实验及数据分析 .............................. 48

4.3 过渡季节工况下实验 1数据处理与分析 ................................................... 49

4.3.1 过渡季节实验 1测试工况 1的运行实验及数据分析 ...................... 49

4.3.2 过渡季节实验 1测试工况 2的运行实验及数据分析 ...................... 50

4.3.3 过渡季节实验 1测试工况 3的运行实验及数据分析 ...................... 51

4.4 过渡季节工况下实验 2数据处理与分析 ................................................... 52

4.4.1 过渡季节实验 2测试工况 1的运行实验及数据分析 ...................... 52

4.4.2 过渡季节实验 2测试工况 2的运行实验及数据分析 ...................... 53

4.5 冬季工况下实验 2数据处理与分析 ........................................................... 54

4.6 本章小结 ....................................................................................................... 57

第五章样板房测试—长兴朗诗研发基地户式化辐射空调系统运行测试分析 58

5.1 样板房测试概况 ........................................................................................... 58

5.1.1 样板房概况 .......................................................................................... 58

5.1.2 系统运行测试概况 .............................................................................. 58

5.2 辐射空调系统设计 ....................................................................................... 59

5.2.1 湖州长兴的气候特点 .......................................................................... 59

5.2.2 样板房空调负荷特点 .......................................................................... 59

5.2.3 样板房空调负荷计算 .......................................................................... 59

5.3 空调系统组成及原理 ................................................................................... 60

5.2.1 系统组成及设备布置 .......................................................................... 60

5.2.2 系统原理 .............................................................................................. 62

5.4 测试方法与仪表 ........................................................................................... 65

5.4.1 测试方法 .............................................................................................. 65

5.4.2 测试仪表 .............................................................................................. 65

5.5 样板房测试数据分析 ................................................................................... 66

5.5.1 过渡季节测试实验分析 ...................................................................... 67

5.5.2 冬季测试实验分析 .............................................................................. 73

5.6 本章小结 ....................................................................................................... 77

第六章结论与展望 ............................................... 78

6.1 主要研究成果及结论 ................................................................................... 78

6.2 需要进一步开展的工作 ............................................................................... 79

6.3 展望 ............................................................................................................... 79

参考文献 ......................................................... 80

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................... 83

一、论文 ................................................................................................................ 83

二、专利 ................................................................................................................ 83

三、科研项目 ........................................................................................................ 84

致谢 ........................................................... 85

第一章绪论

- 1 -

第一章绪论

1.1 课题研究背景

随着生活水平的提高，人们对生活质量的要求也相对提高，尤其是对室内居

住环境的要求。构筑一个舒适健康的绿色家居环境需做到室内温湿度、风速及新

鲜度可控。而空调系统在室内温湿度控制方面起着至关重要的作用。但传统空调

系统温湿度耦合控制，能耗很大，相关研究表明空调能耗占到了整个建筑能耗的

一半以上且存在温度和风速不均匀、吹风感较强、CO2浓度过高等弊端。

同时，长江流域具有夏热冬冷和夏季高热高湿等气候特征，该地区全年湿度

高，其主要城市年平均相对湿度约 75%～80%，尤其在阴雨等湿闷气象环境时可达

95-100%。因此，居住环境除了夏季需要制冷、冬季需要制热控制室内温度以外，

除湿需求也是长江流域夏季空气处理的关键问题。基于以上问题的提出，如何研

制出一套既舒适节能且满足室内空气品质需求又满足长江流域地区温湿度情况的

空调系统成为迫在眉睫的大事。

1.1.1 室内居住环境的要求

随着物质与文化生活水平的提高，自我保护意识的加强，人们对空气的品质

也提出了更高的要求。然而，舒适、健康的室内环境要求室内温度、湿度、空气

流动速度和空气品质都控制在一定范围内。室内的热湿环境是影响人们热舒适度

最为重要的因素，它主要是由室外气候参数、室内设备、照明、人员等室内热湿

源，以及室内空气流动状况所共同作用产生的。除了工业空调外，随着民用建筑

内的空调迅速增加，我国对舒适性空调的室内参数做出了具体的规定（GB 50189），

其冬夏室内参数的设置推荐值参如表 1-1 所示。

表1- 1 冬夏季室内参数

参数

冬季

夏季

温度/℃

一般房间

大堂、过厅

室内外温差≤10

风速v/(m/s)

0.10≤v≤0.20

0.15≤v≤0.30

相对湿度(%)

30～60

40～65

上海理工大学硕士学位论文

- 2 -

好的室内空气品质可以为人们提供健康的生活环境，有益于提高学习、工作

效率，提高生活的质量。我国出台了旅店业、文化娱乐场所。体育馆、商场、书

店等活动场所的一系列卫生标准（GB 9663~GB 9673），对室内的二氧化碳、一氧

化碳、甲醛、可吸入颗粒物的浓度以及空气细菌数的含量做出了明确的规定。以

室内二氧化碳的浓度要求为例，在图书馆、博物馆、美术馆、旅店招待所、医院

候诊室等环境要求其室内的二氧化碳浓度低于 1000ppm（0.10％），在影剧院、音

乐厅、游艺厅、舞厅、商场、书店等环境要求其室内的二氧化碳浓度低于 1500ppm

（0.15％）。将室外的新鲜空气送入室内，被普遍认为是去除上述污染物最佳的途

径。

想要营造一个舒适良好的室内居住环境，需要做到能排除室内余热、余湿、

CO2、室内异味与其他有害气体（VOC），使其参数在上述规定的范围内。

1.1.2 社会的能源环境现状

为了解决全球能源环境的可持续发展问题，在过去的 20 多年里国际社会做出

了积极的响应和措施。上世纪 80 年代末达成的蒙特利尔协议(UNEP 2003)对危害

臭氧层的氟类制冷工质进行了淘汰，该协议有效的促进了传统 CFC 工质的淘汰，

其全球产量变化如图 1-1 所示。

图1- 1 CFC 的全球产量变化[1]

另外一个似乎更具有争议性的环境议题便是同样于上世纪 90 年代早期引起广

泛重视的温室气体排放与全球气候变暖问题，为此制定了旨在限制全球温室气体

(CO2) 排放并被多国签署和接受的东京议定书(UNFCCC 1998)。尽管目前在其框架

下的全球推动前景并不乐观，但对于我国而言节能减排的能源政策正是在这一背

景下制定和执行的，其对于我国的能源消费结构调整和能源利用层次的提升具有

第一章绪论

- 3 -

积极意义。

具体来讲，伴随能源消耗需求的日益提高和可再生能源开发及利用的技术瓶

颈以及限制，世界范围内因使用化石能源而形成的碳排放量由 1996 年至 2005 年

增加了 25.1%，其总量为 281.9 亿吨 CO2；其中我国碳排放量继本世纪初已接近增

长一倍，并贡献了全球碳排量总增幅的 84.9%，成为目前世界第二排碳经济体，如

图1-2 所示。从本行业角度来看，研究和推行低耗高效的空调形式和设备产品对建

筑节能减排具有极大贡献和重要意义。

图1- 2 世界碳排放增幅及分布比例[1]

1.1.3 长江流域地区的气候特性

作为横跨我国东中部经济发展重要地区的长江流域，其国土覆盖面积广阔，

且由于其特有的地理条件而形成了夏热冬冷和夏季高热高湿等气候特征。对于较

为特殊的夏季气候而言，环境气温 35℃以上日数约 15-25 天，最高气温可达 41℃

以上且持续伴随较高湿度；该流域内全年湿度高，其主要城市年平均相对湿度约

75%-80%，如图 1-3 所示，尤其在阴雨等湿闷气象环境时可达 95%～100%。此外

该地区还存在环境温度不高但湿度仍很大的季节性天气过程，如过渡季节及梅雨

期等。因而，除湿在长江流域是重要的问题。

对于长江流域夏季高湿环境下的住宅建筑而言，为维持室内适宜的热湿环境

(温度 18℃-28℃，相对湿度 30%-70% ) ，换气新风所需含湿量约要求达到

8g/kg-10g/kg；因而除湿需求是长江流域空调处理过程的关键问题。

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摘要：

摘要针对温湿度独立控制系统的应用现状及现有问题，本课题将温湿度独立控制技术与变制冷剂流量（VRF）空调系统有机的结合在一起，建立了一套基于VRF的户式化辐射空调系统。本文将在此系统形式下进行相关理论研究、设备研制、不同工况下的实验测试分析及样板房实际运行测试研究。首先，在基于VRF的户式化辐射空调系统的应用研究分析中，认为室内余热的排除可以通过辐射末端得到很好的解决，同时室内余湿的排除与保证室内空气品质具有一致性，即满足卫生品质要求设计的人均新风量完全可以排除室内的余湿。此外，对室内温湿度调控区间进行了研究，确定了本课题的室内温湿度控制状态点为：夏季DB25.0℃/RH55%，冬季DB20℃（...

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