基于TRNSYS的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺的開發(fā)

張海丁 李亞奇 劉淵

火箭軍工程大學(xué)五系

由于地下工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的龐大與復(fù)雜性，采取實驗或現(xiàn)場勘察的手段進(jìn)行研究耗時耗力且往往結(jié)果不夠理想。將計算機(jī)仿真模擬技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的仿真運行、能耗分析和優(yōu)化策略等方面具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]，而且該方法簡單便捷、投資較少。要想建立一個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)仿真平臺，先要建立該系統(tǒng)各個部件的數(shù)學(xué)模型[3-6]，然后根據(jù)實際部件確定模塊中的所有參數(shù)，按照實際系統(tǒng)的設(shè)備布置連接情況，利用一定的方式將各個模塊連接起來，形成回路。當(dāng)前TRNSYS軟件中的自帶部件庫中部件的數(shù)學(xué)模型往往不符合系統(tǒng)仿真系統(tǒng)的實際并且部分黑箱模型無法精確計算分析。本文擬在已研究建立通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)部件數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用TRNSYS軟件的源代碼開放的優(yōu)點，利用C++語言編寫相應(yīng)的模塊，并且添加到TRNSYS軟件的模塊庫中。在已建好的模塊基礎(chǔ)上，根據(jù)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的熱力特性，按照部件之間溫濕度，流量及熱損失和壓降的傳遞關(guān)系搭建仿真平臺[7]，真正做到實時準(zhǔn)確的模擬陣地通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實際運行，為后期研究分析其運行能耗和給出相應(yīng)的優(yōu)化控制和節(jié)能策略打好基礎(chǔ)[8]。

1 TRNSYS部件模塊的建立

在充分考慮系統(tǒng)準(zhǔn)確性的前提下考慮系統(tǒng)的時效性，將通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中具體的設(shè)備部件進(jìn)行簡化，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中具體設(shè)備按照溫濕度、流量的傳遞循環(huán)回路包括以下部件模塊：冷卻水泵模塊，風(fēng)機(jī)模塊，合流三通模塊，分流三通模塊，調(diào)溫除濕機(jī)模塊以及輔助加熱加濕模塊。

通過對上述各個部件模塊的熱力特性分析，即溫濕度和流量的傳遞循環(huán)與部件特性關(guān)系及運行控制方式與流量、進(jìn)出口溫濕度的關(guān)系，先建立各模塊的數(shù)學(xué)模型，然后在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上利用C++編寫該部件模塊。本文以仿真系統(tǒng)中的調(diào)溫除濕機(jī)部件模塊為例介紹TRNSYS中新部件的建立過程[9]。

1.1 調(diào)溫除濕機(jī)模塊數(shù)學(xué)模型

1）壓縮機(jī)模型

對于渦旋壓縮機(jī)建立AHRI10系數(shù)模型[10]，通過對樣機(jī)參數(shù)進(jìn)行擬合，得到質(zhì)量流量，輸入功率隨冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化的計算方程。

2）蒸發(fā)器模型

制冷劑側(cè)能量方程：

空氣側(cè)能量方程：

制冷劑側(cè)壓降方程：

兩側(cè)能量平衡方程：

微元長度方程：

3）冷凝器模型

換熱方程為：

4）熱力膨脹閥模型

流動未壅塞情況：

流動壅塞情況：

式中：y代表額定過冷度、過熱度下壓縮機(jī)的質(zhì)量流量或功率；Te、Tc分別為蒸發(fā)溫度、冷凝溫度；Q、h、m 分別為換熱量、焓值和質(zhì)量流量，下標(biāo)r、a分別代表制冷劑側(cè)和空氣側(cè)，1和2分別代表進(jìn)口和出口；p1、p2分別為微元進(jìn)、出口壓力；ρ1、ρ2、f分別為微元進(jìn)、出口密度、摩擦因子；ai、ao分別為制冷劑側(cè)換熱系數(shù)、空氣側(cè)換熱系數(shù)；Ai、Ao分別為換熱管內(nèi)、外表面積；Tw、Trm、Tam分別為管壁溫度、制冷劑平均溫度、空氣側(cè)平均溫度；di、ζ、ε為換熱管內(nèi)徑、析濕系數(shù)、管內(nèi)外表面積比值；U為冷凝器中基于制冷劑側(cè)換熱面積的總傳熱系數(shù)；Rm、ρL、γ分別表示金屬管壁熱阻、進(jìn)口處制冷劑密度、漏熱系數(shù)；Ar、Aw分別為冷凝器制冷劑側(cè)和冷卻水側(cè)的總換熱面積；αr、αw分別為制冷劑側(cè)換熱系數(shù)、冷卻水側(cè)換熱系數(shù)；Cd、Ath分別為流量系數(shù)、閥的喉口流動面積；pin、pback、pth分別為進(jìn)口壓力、出口壓力和壅塞壓力。

1.2 調(diào)溫除濕機(jī)部件模塊建立

利用TRNSYS軟件的模塊化開放式結(jié)構(gòu)的特點，用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)要求建立相應(yīng)的部件模塊[11]。本文基于陣地通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實際數(shù)學(xué)模型利用C++語言編寫新建了調(diào)溫除濕機(jī)模塊。

建立一個新的模塊部件先需要確定該模塊的object和Type number，即該模塊的名稱和編號，然后以名為TYPE的子程序入手，每個TYPE子程序包括變量輸入（INPUT）、變量輸出（OUTPUT）、固化參數(shù)（PARAMETER）及模塊的計算過程。調(diào)溫除濕機(jī)部件模塊TYPE子程序參數(shù)設(shè)置如圖1所示。

當(dāng)設(shè)置完調(diào)溫除濕機(jī)部件模塊的各類參數(shù)后，將該部件保存在自己命名的文件夾中，并在C++語言環(huán)境中根據(jù)部件數(shù)學(xué)模型的邏輯關(guān)系編寫計算過程。最終在Userlib目錄下生成該模塊的TYPE DLL文件。為使該部件在界面右邊的部件庫中顯示并直接調(diào)用該部件，則需更新一下“Direct Access/Refresh tree”。

圖1 調(diào)溫除濕機(jī)參數(shù)設(shè)置圖

1.3 模塊準(zhǔn)確性驗證

通過上述步驟，調(diào)溫除濕機(jī)模塊已建立完成，要確保其運行的準(zhǔn)確性，需要通過一定的實驗來對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。

表1 名義工況下冷卻水量對除濕性能影響的仿真值和實驗值結(jié)果對比

下面通過在名義工況下數(shù)值模擬冷卻水量從3 m3/h到9 m3/h變化時的除濕量和換熱量，并對數(shù)值模擬仿真結(jié)果進(jìn)行實驗驗證見表1。為直觀表示，對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖2所示。

圖2 名義工況除濕量和水側(cè)換熱量隨冷卻水量變化情況

分析圖2可知，仿真結(jié)果的變化趨勢與實驗情況基本一致。在數(shù)值上，水流量為3 m3/h時仿真值與實驗值相差最大，除濕量為7.7%，換熱量為4.2%，仿真結(jié)果與實驗值誤差在合理范圍內(nèi)，所以該模塊用于對調(diào)溫除濕機(jī)的數(shù)值模擬研究是可靠的。

2 TRNSYS模擬通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

2.1 仿真對象

選取廣州市某陣地的地下工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)為研究對象。建立了基本的建筑物模型，由于地下工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，忽略了窗戶和向陽面等方面對室內(nèi)環(huán)境溫濕度的影響，結(jié)合陣地實際設(shè)置體積，表面積，散熱系數(shù)和通風(fēng)回風(fēng)量等參數(shù)的具體數(shù)值，通過讀取外部計算數(shù)據(jù)來確定室內(nèi)由設(shè)備，燈光和人員引起的熱濕負(fù)荷，進(jìn)而全面考慮并模擬地下工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實時運行。

本文的室外氣象數(shù)據(jù)取自廣州地區(qū)的氣象資料，根據(jù)仿真實驗要求以及《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)廣東省實施細(xì)則》（DBJ5-51-2007）所規(guī)定的廣州地區(qū)每年空調(diào)開放時間，選取了廣州市7月1日（4344 h）到7月31日（5088 h）的氣象數(shù)據(jù)，其戶外干球溫度和濕度如圖3所示。地下工程熱濕環(huán)境由于基本恒定，通過實際監(jiān)測建立基本的溫濕度數(shù)據(jù)，具體如圖4所示。夏季適宜人員工作、設(shè)備運行的溫濕度環(huán)境大約為：溫度23～28℃，濕度40%～60%。通過室外實時溫濕度數(shù)據(jù)可以看出溫濕度均高于該適宜范圍，并且地下環(huán)境存在高濕的特性，所以進(jìn)行實時的調(diào)溫除濕來確保溫濕度在適宜的范圍內(nèi)很有必要。

圖3 廣州市7月份（4344～5088 h）氣象數(shù)據(jù)

圖4 地下工程環(huán)境實時溫濕度

2.2 基于TRNSYS搭建系統(tǒng)平臺

結(jié)合陣地地下工程通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的實際，本文搭建了基于TRNSYS的仿真平臺，該系統(tǒng)由自建的調(diào)溫除濕機(jī)模塊，風(fēng)機(jī)/水泵模塊和合流分流管模塊以及TRNSYS部件庫中的建筑物模塊和數(shù)據(jù)讀取及數(shù)據(jù)輸出和實時顯示模塊等組成，具體的系統(tǒng)仿真平臺如圖5所示。

該仿真平臺中以空氣溫濕度和流量及冷卻水的溫度和流量的傳遞循環(huán)為參量來進(jìn)行連接，黑色實線代表部件循環(huán)運行的連接情況，紅色虛線代表實時能耗顯示和數(shù)據(jù)輸出的連接情況，藍(lán)色虛線代表不同區(qū)域溫濕度的實時顯示和數(shù)據(jù)輸出。結(jié)合陣地空調(diào)系統(tǒng)的實際設(shè)置其輸入，輸出和固態(tài)參數(shù)，進(jìn)而對模擬起始時間、模擬終止時間和模擬步長（本文為1 h）進(jìn)行設(shè)置,各項參數(shù)設(shè)置完成后可實時運行，并通過輸出顯示模塊觀察和得出運行過程中實時的溫濕度和能耗變化等數(shù)據(jù)。

圖5 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)仿真平臺

2.3 TRNSYS能耗模擬結(jié)果

基于TRNSYS所建立的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)仿真平臺，結(jié)合實際的氣象數(shù)據(jù)和建筑物的熱濕負(fù)荷數(shù)據(jù)，進(jìn)行了實時的模擬運行，各耗能部件每小時的的具體能耗如圖6所示。

圖6 各部件滿負(fù)荷下的實時能耗

目前通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計時以極端氣象條件和最大負(fù)荷需求為依據(jù)。在實際運行時，由于氣象環(huán)境和負(fù)荷需求的時變特性，空調(diào)系統(tǒng)絕大多數(shù)時間都在部分負(fù)荷條件下運行。而該平臺由于尚未加入控制模塊的有效調(diào)節(jié)，造成調(diào)溫除濕機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等耗能部件都處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，出現(xiàn)了“大牛拉小車”的現(xiàn)象，造成極大的能耗浪費，并極大減少了部件的使用壽命。由此可以看出通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)有很大的節(jié)能空間，這也使得進(jìn)一步研究基于該平臺下的實時模糊控制非常具有可行性和必要性。

3 結(jié)語

本文基于TRNSYS建立了陣地通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的仿真平臺，能夠真正的結(jié)合系統(tǒng)實際的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、部件編程、部件串聯(lián)，彌補(bǔ)了TRNSYS自帶部件庫中部件考慮因素不充分帶來的不足。利用C++語言編寫創(chuàng)建了調(diào)溫除濕機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)這幾個主要的設(shè)備新部件模塊。調(diào)溫除濕機(jī)模塊充分考慮了壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥這四大件之間介質(zhì)（冷卻水和制冷劑）的實時能量傳遞關(guān)系，而不是僅僅如自帶部件中利用讀取外部的經(jīng)驗數(shù)據(jù)文件。風(fēng)機(jī)和水泵模塊在考慮熱力學(xué)特性的基礎(chǔ)上充分考慮了其力學(xué)特性，并且實現(xiàn)了根據(jù)實時的輸入控制信號實現(xiàn)變速調(diào)頻控制，設(shè)備新部件模塊的建立使仿真平臺的運行研究更具有準(zhǔn)確性和有效性。

利用建立好的仿真平臺可在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程中模擬研究從而實現(xiàn)對調(diào)溫除濕機(jī)，水泵，風(fēng)機(jī)及其他耗能設(shè)備的正確選型，或者對已完成選型的設(shè)備進(jìn)行驗證。并且能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)中以熱力傳遞循環(huán)而進(jìn)行的能耗問題進(jìn)行實時模擬，對下一步空調(diào)系統(tǒng)實時控制和不同控制策略下能耗分析的研究打好基礎(chǔ)，進(jìn)而給出一定的節(jié)能運行的優(yōu)化意見和建議。