基于TRNSYS的主動式建筑相變蓄冷空調(diào)系統(tǒng)模擬

葛鳳華 蔡鴻志 張源

DOI： 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.03.012

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

摘要： 以夏熱冬冷地區(qū)的辦公建筑為例，利用瞬態(tài)系統(tǒng)仿真程序（transient system simulation program，TRNSYS）構(gòu)建主動式相變蓄能地板模塊，建立了主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的仿真模型，對其節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬計算.以典型日和供冷季晚間蓄冷運行工況為條件，研究冷凍水溫對主動式相變蓄能地板的蓄釋能特性、室溫波動與熱泵制冷系數(shù)的影響.結(jié)果表明：夜間相變蓄冷工況下，在滿足每平方米冷負(fù)荷為74.78 W情況下，9 ℃為最佳供水水溫；采取晚間低電價時段間歇運行蓄冷熱泵的方案，能夠有效提高熱泵運行時的制冷系數(shù)，并降低運行費用；主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)供冷季的能耗相比于常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)減少30.5%，運行費用減少44.24%，夏季制冷綜合能效比達(dá)到了2.38.

關(guān)鍵詞：? 相變材料； TRNSYS模擬； 主動式蓄能； 輻射供冷； 系統(tǒng)性能； 制冷系數(shù)

中圖分類號： TU111.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A? 文章編號：?? 1671-7775（2024）03-0330-07

引文格式：? 葛鳳華，蔡鴻志，張? 源. 基于TRNSYS的主動式建筑相變蓄冷空調(diào)系統(tǒng)模擬［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，45（3）：330-336，345.

收稿日期：?? 2022-01-13

基金項目：? 國家自然科學(xué)基金資助項目（51508232）

作者簡介：?? 葛鳳華（1963—），男，吉林長春人，教授（gfhgq@126.com），主要從事建筑節(jié)能、空氣調(diào)節(jié)和供暖通風(fēng)的研究.

蔡鴻志（1997—），男，江西撫州人，碩士研究生（1753836671@qq.com），主要從事相變蓄能材料與空調(diào)系統(tǒng)的研究.

Simulation of phase change cold storage air conditioning

system for active building based on TRNSYS

GE Fenghua， CAI Hongzhi， ZHANG Yuan

（School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： Taking the building in hot summer and cold winter zone as research object， the transient system simulation program（TRNSYS）simulation platform was used to build the active phase change energy storage floor module. The simulation model of the active phase change cold storage floor air conditioning system and the conventional fan coil plus fresh air conditioning system was established， and the energy saving and economy were simulated and calculated. The effects of chilled water temperature on energy storage and release characteristics of active phase change energy storage floor， room temperature fluctuation and coefficient of performance （COP） of heat pump were investigated under the condition of night cold storage operation in the cooling season and typical day. The results show that under the condition of phase change cold storage at night，the optimal chilled water temperature is 9 ℃ when the cooling load per square meter is 74.78 W. When the cold storage heat pump adopts the intermittent operation scheme with low electricity price at night， the COP of heat pump operation can be effectively improved with reduced operation cost. Compared with the conventional fan coil plus fresh air air-conditioning system， the energy consumption of the active phase change energy storage floor air-conditioning system in the cooling season is reduced by 30.5% with operating cost reduced by 44.24%， and the comprehensive refrigeration energy efficiency ratio reaches 2.38 in summer.

Key words：? phase change material； TRNSYS simulation； active energy storage； radiant cooling； system performance； coefficient of performance

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中加入相變材料可有效調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和熱舒適性.眾多學(xué)者使用了試驗和數(shù)值模擬的方法研究了相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能及其對室內(nèi)負(fù)荷和溫度的影響.閆全英等［1］制備了一種輕薄相變供暖地板進(jìn)行試驗，并用ANSYS對其進(jìn)行模擬，得到了不同供回水溫度下地板表面溫度和熱流密度的變化規(guī)律.張群力等［2］建立了蓄熱地板的二維傳熱模型，并分析了相變材料物性對室內(nèi)溫度和蓄能比的影響.焦浩等［3］構(gòu)建了太陽能相變蓄熱地板輻射耦合供暖系統(tǒng)，在采用合適的運行策略下使得太陽能熱量占房間負(fù)荷比例達(dá)到60%～80%.LU S. L.等［4］建立了相變材料（PCM）地板、PCM墻體和太陽房耦合系統(tǒng)，經(jīng)過試驗對比發(fā)現(xiàn)室溫比常規(guī)室溫提高7.5 ℃.SUN W. C.等［5］研究了雙層輻射地板系統(tǒng)，通過試驗分析了無機(jī)PCM層的位置對冬夏兩季室內(nèi)熱舒適性的影響.綜上，人們對于相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱性能及其對室內(nèi)負(fù)荷和熱舒適的影響規(guī)律也有了系統(tǒng)的認(rèn)識.但是，目前關(guān)于PCM在輻射空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少.

為此，筆者依托鎮(zhèn)江市某建筑，以圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合相變蓄冷盤管為主動式蓄能方式，圍繞相變蓄能地板建立以空氣源熱泵為冷源的相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)，探究主動式相變蓄能地板供冷過程中的蓄釋能特性，以期獲得主動式相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)的運行特性.

1? 主動式相變蓄能地板模型

1.1? 主動式相變蓄能地板的結(jié)構(gòu)

建立了相變材料（PCM）層的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，采用瞬態(tài)系統(tǒng)仿真程序（transient system simulation program，TRNSYS），編程得到Type208相變材料層模塊.在主動式相變蓄能地板模型構(gòu)建中，地板的標(biāo)準(zhǔn)部分和毛細(xì)管活動層在Type56中建模，且在Type Studio環(huán)境下構(gòu)建Type208相變層模塊.毛細(xì)管活動層是嵌入了密集的毛細(xì)管網(wǎng)的混凝土層，冷凍水流入毛細(xì)管網(wǎng)帶走地板的熱量，達(dá)到給地板降溫、輻射供冷的目的.根據(jù)Type56模塊中的壁面熱流輸出概念，采用Type208模塊可依據(jù)上下邊界壁傳遞的能量通量實時計算PCM層內(nèi)部各節(jié)點溫度.同時，以Type208的計算結(jié)果作為室內(nèi)地板邊界溫度的輸入，采用Type56模塊進(jìn)行計算.為了簡化毛細(xì)管層與PCM層間的傳熱過程，要引入直接接觸的空穴節(jié)點，由于其內(nèi)部對流換熱系數(shù)很高，因此熱阻基本可忽略.圖1為主動式相變蓄能地板模型的建立過程和基本結(jié)構(gòu).

1.2? 物性及幾何參數(shù)

主動式相變蓄冷地板各層材料及其物性參數(shù)、厚度數(shù)據(jù)如表1所示.

十六烷具有蓄能密度大、相變過程中物性較穩(wěn)定、吸熱和放熱過程中溫度波動小等優(yōu)點，其熔化初始點與凝固初始點分別為16.89、20.56 ℃，基本滿足壁面輻射5 ℃溫差的要求.向十六烷中加入膨脹石墨可顯著提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，且有利于相變材料定型.加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%膨脹石墨的十六烷物性參數(shù)如下：密度為770 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.539 W/（m·K），固、液相比熱容皆為2 000 J/（kg·K），熔化起始溫度為16.89 ℃，凝固起始溫度為20.56 ℃，相變潛熱為225 kJ/kg.

1.3? PCM層的熱傳導(dǎo)模型

1.3.1? 模型假設(shè)

為了簡化PCM層的熱傳導(dǎo)模型，對PCM層做出如下假設(shè)： ① 忽略水平方向上的導(dǎo)熱，認(rèn)為PCM層傳熱是沿垂直方向的一維導(dǎo)熱問題［6］； ② PCM層在液態(tài)或部分液態(tài)狀態(tài)下，其內(nèi)部對流換熱可以忽略［7］； ③ 相變過程中，PCM層不與外界發(fā)生物質(zhì)交換； ④ 相變過程中，相變材料的比熱容隨溫度呈階梯式函數(shù)的變化［8］； ⑤ 相變過程中，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度等物性參數(shù)不隨溫度發(fā)生改變［9］； ⑥ PCM層內(nèi)部無內(nèi)熱源.

1.3.2? PCM層的控制方程與邊界條件

研究中將PCM層內(nèi)部傳熱簡化為一維非穩(wěn)態(tài)無內(nèi)熱源傳熱問題，并結(jié)合顯熱容法［10］對其進(jìn)行求解：

ρcpTt=λ2Tx2.（1）

初始條件為

T（x，t）τ=0=Tini.（2）

上下兩側(cè)邊界條件均為第二類邊界條件，即

λdTdxx=0=Qi，（3）

λdTdxx=δ=Qo.（4）

其中相變材料比熱容隨溫度變化的階梯式函數(shù)如下：

cp=cp，s，T

cp，s+cp，l2+LΔt，Ts≤T≤Tm，

cp，l，T>Tm，（5）

式中： ρ為相變材料密度，kg/m3；cp為相變材料比熱容，J/（kg·K）；T為相變材料溫度，K；t為時間步長，s；x為空間步長，m；λ為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；Tini為相變材料初始溫度，K；Qi為毛細(xì)管層傳遞的熱流，W/m2；Qo為地板傳遞給室內(nèi)的熱流，W/m2；cp，s、cp，l分別為相變材料固相比熱容和液相比熱容，J/（kg·K）；L為相變材料相變潛熱，kJ/kg；Ts、Tm分別為相變材料的凝固溫度和熔化溫度，K.

1.3.3? PCM層數(shù)值計算方法

使用Taylor展開法導(dǎo)出PCM層控制方程的差分表達(dá)式：

ρcpTn+1i-TniΔt=λTni+1-2Tni+Tni-1Δx2；（6）

使用補充邊界節(jié)點代數(shù)方程［11］的方法處理第二類邊界條件：

T0=T1+Qbδxλ，（7）

式中： Tni為n時刻第i節(jié)點的溫度，K；T0為邊界網(wǎng)格節(jié)點的溫度，K；T1為邊界網(wǎng)格節(jié)點相鄰節(jié)點的溫度，K；Qb為邊界熱流，W/m2.

2? 相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)

2.1? 建筑概況及負(fù)荷統(tǒng)計

本研究以鎮(zhèn)江市某建筑為例，在TRNSYS中搭建以空氣源熱泵為冷源，以相變蓄冷地板作為輻射末端來降低室內(nèi)溫度，用新風(fēng)盤管除濕系統(tǒng)來控制室內(nèi)濕度.該建筑層高為3.6 m，總面積為200 m2，并在南墻和北墻開窗.圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)如表2所示.圖2為建筑供冷季的逐時動態(tài)冷負(fù)荷.

筆者采用Meteonorm 7軟件生成的鎮(zhèn)江市天氣文件作為天氣依據(jù)來計算建筑室內(nèi)冷負(fù)荷.室內(nèi)冷負(fù)荷包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量、人體顯熱和潛熱負(fù)荷、照明負(fù)荷及設(shè)備負(fù)荷.利用TRNSYS軟件設(shè)置室內(nèi)設(shè)計溫度與相對濕度分別為26 ℃和60%，可以輸出建筑供冷季（92 d）動態(tài)負(fù)荷（見圖2）.夏季建筑瞬態(tài)冷負(fù)荷最大值為16.43 kW，累計總冷負(fù)荷為31 136.77 kW·h.

2.2? 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖如圖3所示.

為保證夏季室內(nèi)熱舒適性，筆者構(gòu)建了相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng).系統(tǒng)采用了輻射板加新風(fēng)除濕的方式將室內(nèi)設(shè)計溫度保持在26 ℃，相對濕度保持在60%.相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)由蓄冷空氣源熱泵、蓄冷循環(huán)水泵、新風(fēng)循環(huán)水泵、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、新風(fēng)盤管、新風(fēng)熱泵、相變蓄能地板及控制系統(tǒng)組成.室內(nèi)有新風(fēng)機(jī)組和相變蓄能地板雙末端，室外為空氣源熱泵作為夏季冷源.

2.3? 運行控制原理

仿真過程中，系統(tǒng)通過反饋控制策略控制新風(fēng)風(fēng)機(jī)與新風(fēng)熱泵啟停，進(jìn)而控制室內(nèi)相對濕度.控制器在室內(nèi)相對濕度超過65%時，輸出信號為1，開啟風(fēng)機(jī)與熱泵；相對濕度低于50%時，輸出信號為0，關(guān)閉風(fēng)機(jī)與熱泵.相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)以24 h（當(dāng)日21：00至次日21：00）為一個運行周期.為達(dá)到提高熱泵制冷系數(shù)（COP）、降低運行能耗和降低運行費用的目的，將晚間蓄冷控制在每天低電價時段（當(dāng)日21：00至次日8：00）運行.蓄冷熱泵則采用間歇運行方式，以溫度反饋信號與時間信號共同控制熱泵的啟停.其控制原理如下：在晚間蓄冷時段，熱泵正在運行期間，PCM層內(nèi)部溫度高于熔化起始點時保持運行，低于熔化起始點時停止運行；在熱泵關(guān)閉期間，PCM層內(nèi)部溫度低于凝固起始點時保持關(guān)閉狀態(tài)，高于凝固起始點時開始運行.

2.4? 系統(tǒng)模擬仿真

利用TRNSYS構(gòu)建了相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，并分別進(jìn)行了單日模擬與供冷季模擬.全年中的第5 493小時至第5 517小時是建筑最大冷負(fù)荷所在時間段，該時段內(nèi)平均每平方米冷負(fù)荷為74.78 W.為此，單日模擬選擇此時間段內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)模擬，以探究不同冷凍水溫主動式相變蓄冷地板蓄、釋能特性及室內(nèi)溫度波動情況.主動式相變蓄冷輻射空調(diào)系統(tǒng)仿真流程圖如圖4所示.

供冷季模擬時選擇建筑在全年中的第3 621小時至第5 829小時的時間段進(jìn)行系統(tǒng)模擬，統(tǒng)計了熱泵間歇運行方案下的室溫、熱泵COP和供冷季能耗波動情況.

另外，將本研究中設(shè)計的空調(diào)系統(tǒng)和依據(jù)目標(biāo)建筑建立的常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了對比，其中常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)仿真流程圖如圖5所示.

3? 仿真結(jié)果與分析

3.1? 典型日

本研究中，6組冷凍水的供水溫度t分別為7、8、9、10、11和12 ℃，在此工況下進(jìn)行了仿真.圖6-9分別為間歇供冷11 h的冷凍水供水溫度對PCM層內(nèi)部溫度、表面溫度、表面熱流及室溫的影響規(guī)律.圖6-9中，在蓄冷初始階段，PCM層處于液態(tài)，并發(fā)生顯熱變化，相變材料內(nèi)部溫度迅速下降至熔化起始點.由于初始階段主動式相變蓄能地板表面溫度較高，室內(nèi)外溫差較大，因而室溫上升.當(dāng)PCM層進(jìn)入凝固階段時，整體溫度呈緩慢下降趨勢，室溫開始逐漸下降.直至晚間蓄冷時段結(jié)束，PCM層內(nèi)部溫度和室溫均達(dá)到最低點.供水溫度分別為7、8、9、10、11和12 ℃的6組工況對應(yīng)于相變材料內(nèi)部最低溫度分別為16.87、17.38、17.79、18.20、18.60和19.01 ℃.隨后將熱泵關(guān)閉，相變系統(tǒng)進(jìn)入了釋冷時段，PCM層整體溫度緩慢上升，6組工況下熱流峰值分別為61.66、59.01、57.15、55.26、53.42和51.49 W/m2.

由圖6-9的仿真結(jié)果可知，隨著冷凍水供水溫度的降低，PCM層內(nèi)部溫度和表面溫度降低，表面熱流升高，室溫也降低.在釋冷階段，當(dāng)冷凍水溫為7、8和9 ℃時，PCM層內(nèi)部溫度最終分別為19.69、20.07和20.55 ℃，均保持在凝固起始點之下；室溫波動區(qū)間很小，分別為25.90～26.43、26.04～26.65和26.17～26.92 ℃，可見室溫較穩(wěn)定.當(dāng)冷凍水供水溫度為10、11和12 ℃時，PCM層內(nèi)部溫度最終分別為21.55、22.39和23.07 ℃，此時PCM層完全液化，并出現(xiàn)顯熱變化；室內(nèi)溫度波動區(qū)間較大，分別為26.31～27.34、26.44～27.80、26.58～28.19 ℃，可見室溫已無法得到有效控制，出現(xiàn)了供冷量明顯不足的現(xiàn)象.由于地板表面溫度均高于室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點對應(yīng)的露點溫度（17.50 ℃），因此室內(nèi)不存在結(jié)露隱患.

圖10為6組冷凍水供水溫度分別為7、8、9、10、11和12 ℃時，晚間蓄冷階段冷凍水供水溫度對熱泵制冷系數(shù)的影響規(guī)律.

在冷凍水供水溫度為9 ℃時平均熱泵COP為4.42，比8 ℃時提高了3.51%，比7 ℃時提高了8.87%.可見，冷凍水供水溫度為9 ℃時系統(tǒng)既能保證室內(nèi)溫度在合理范圍內(nèi)波動，又能提高熱泵COP，從而節(jié)約了更多電能.因此，最佳冷凍水供水溫度確定為9 ℃.

3.2? 供冷季

圖11為主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)在間歇運行方案下，冷凍水溫為9 ℃時的室溫與濕度波動情況.在整個供冷季運行中，系統(tǒng)將室內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在24.93～26.60 ℃，將室內(nèi)相對濕度基本穩(wěn)定控制在50%～65%.

圖12、13分別為蓄冷熱泵間歇運行工況下COP和風(fēng)盤熱泵COP的波動情況.

由于晚間運行時室外空氣溫度較低，同時相變系統(tǒng)冷凍水供水溫度高于風(fēng)盤熱泵系統(tǒng)，因此蓄冷熱泵間歇運行工況下COP明顯高于風(fēng)盤熱泵.

圖14為主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)風(fēng)盤熱泵空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗對比.由圖14可知，主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)能耗明顯低于常規(guī)空調(diào)系統(tǒng).主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)供冷季累計能耗為13 137.78 kW·h，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)供冷季累計能耗18 914.03 kW·h，可知主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能30.5%.

引入系統(tǒng)季節(jié)能效比SEER對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，計算公式［12］如下：

SEER=QcPc，（8）

式中：Qc為供冷季總制冷量；Pc為系統(tǒng)輸入總能耗.計算可知，主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)供冷季能效比達(dá)到2.38.

根據(jù)2021年鎮(zhèn)江市峰谷電價差，分別采用主動式相變蓄能地板空調(diào)系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)運行策略進(jìn)行研究，得到供冷季系統(tǒng)運行能耗及費用對比如表3所示.

表3? 供冷季系統(tǒng)運行能耗及費用對比

系統(tǒng)方案晚間運行累計能耗/（kW·h）白天運行累計能耗/（kW·h）系統(tǒng)總運行費用/元

相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)9 909.593 228.194 839.74

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)? 8 114.4310 799.608 679.74

由于相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)采用晚間蓄冷間歇運行策略，利用峰谷電價差可顯著降低系統(tǒng)運行費用，相較于常規(guī)風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，運行費用降低了44.24%.

4? 結(jié)? 論

1） 主動式相變蓄冷系統(tǒng)的輻射供冷過程中，隨著冷凍水供水溫度降低，PCM層內(nèi)部溫度與地板表面溫度均有所降低，表面輸出熱流升高，熱泵COP降低.典型日模擬過程中，在平均冷負(fù)荷為74.78 W/m2時，選擇9 ℃作為最佳冷凍水供水溫度，釋能階段PCM層不會出現(xiàn)顯熱變化，熱流峰值可達(dá)57.15 W/m2，相較于冷凍水供水溫度為7 ℃時熱泵COP提高了8.87%.

2） 主動式相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)運行中有效控制了室內(nèi)溫度和濕度.在整個供冷季運行過程中，系統(tǒng)將室內(nèi)溫度穩(wěn)定控制在24.93～26.60 ℃，將室內(nèi)相對濕度穩(wěn)定控制在50%～65%.

3） 主動式相變蓄能空調(diào)系統(tǒng)供冷季累計能耗為13 137.78 kW·h，夏季制冷綜合能效比達(dá)到2.38.相較于風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，整體節(jié)能30.5%，運行費用減少44.24%.

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（責(zé)任編輯? 趙? 鷗）