基于TRNSYS的區(qū)域供冷系統(tǒng)冷負(fù)荷預(yù)測

張保民，張 偉，金 旭，洪文鵬

(1.上海能源科技發(fā)展有限公司，上海 200233；2.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

近年來，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求量逐年增加，節(jié)能減排的有效推進(jìn)是實現(xiàn)我國“碳達(dá)峰”和“碳中和”[1]長遠(yuǎn)目標(biāo)的關(guān)鍵.建筑能耗作為社會總能耗的重要組成部分，其節(jié)能潛力很大.其中，空調(diào)制冷能耗占建筑總能耗的50%[2]，因此新型高效節(jié)能的區(qū)域供冷系統(tǒng)[3]有望成為傳統(tǒng)空調(diào)制冷的有效替代品.

區(qū)域供冷系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的供冷方式，其用戶建筑類型復(fù)雜、用冷需求不一、用冷時間不規(guī)律等特點導(dǎo)致冷負(fù)荷波動較大.因此，準(zhǔn)確的冷負(fù)荷預(yù)測是區(qū)域供冷系統(tǒng)節(jié)能、高效運(yùn)行的關(guān)鍵前提.同時，冷負(fù)荷預(yù)測能夠使系統(tǒng)提前做出預(yù)判，并根據(jù)預(yù)測的冷負(fù)荷及時調(diào)控供冷策略，保證各臺制冷機(jī)合理運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的[4].Vrachopoulos等[5]研究了不同建筑冷負(fù)荷的不同特點，并對辦公建筑和住宅建筑的冷負(fù)荷規(guī)律進(jìn)行了討論，推導(dǎo)了相應(yīng)的負(fù)荷計算公式.郭春梅等[6]對天津某區(qū)域供冷建筑負(fù)荷模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得出系統(tǒng)全年逐時冷負(fù)荷.劉濤[7]對不同類型建筑組合進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)合理的建筑組合可得到穩(wěn)定的負(fù)荷分布.Corgnati等[8]采用數(shù)值模擬和實地測量的方法對辦公建筑冷負(fù)荷進(jìn)行了分析.

準(zhǔn)確的冷負(fù)荷預(yù)測已經(jīng)成為系統(tǒng)有效能耗模擬的關(guān)鍵.本文基于TRNSYS軟件，以珠海橫琴一區(qū)域供冷系統(tǒng)為研究對象，對其用戶進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，提出一套相對完整的預(yù)測方法，具有一定的工程實際和推廣意義.

1 工程概況

研究對象為珠海市橫琴新區(qū)內(nèi)一區(qū)域供冷系統(tǒng)，系統(tǒng)全年尖峰冷負(fù)荷為75 000 kW，珠海地區(qū)全年室外溫濕度變化如圖1所示.這一氣象數(shù)據(jù)作為后續(xù)冷負(fù)荷預(yù)測的基礎(chǔ)參數(shù).此外，用戶分布如圖2所示.

圖2 區(qū)域供冷系統(tǒng)用戶分布圖

如圖所示，該區(qū)域供冷系統(tǒng)用戶類型復(fù)雜，因此為滿足不同用戶的負(fù)荷需求，將用戶建筑分為公共建筑和住宅建筑兩類，以保證負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性.

2 冷負(fù)荷預(yù)測方法

采用TRNSYS軟件[9]，利用TRNBuild軟件包，依據(jù)軟件內(nèi)部熱平衡數(shù)學(xué)模型，對不同建筑熱區(qū)設(shè)定詳細(xì)參數(shù)以供多區(qū)建筑模塊(Type56)在模擬時調(diào)用[10].

2.1 三維建模

利用Sketch Up軟件建立四層建筑，如圖3所示.其中一、二層為公共建筑，三、四層為住宅建筑，與外界接觸的表面均顯示為藍(lán)色，相鄰界面顯示為紅色.

圖3 三維建筑模型圖

2.2 參數(shù)設(shè)定

通過多區(qū)建筑模塊(Type56)在TRNBuild中對建筑進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，公共建筑和住宅建筑內(nèi)擾因素計算過程為

Qx=a·k·qx，

(1)

公式中：Qx為單位時間建筑內(nèi)擾換熱量，kJ/h；a為單位換算系數(shù)，取3.6；k為各內(nèi)擾項所占比例，%，其值如表2所示；qx為各內(nèi)擾項的功率密度，W/m2.

所涉及的參數(shù)均按照公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)GB 50189-2015[11]和住宅建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JGJ 75-2012[12]進(jìn)行設(shè)置，如表1～表3所示.其中，人員在室率信息按照標(biāo)準(zhǔn)將一天分為8個時段.

表1 不同時間段人員在室率信息

表2 參數(shù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)

表3 內(nèi)擾參數(shù)

3 冷負(fù)荷模擬

3.1 負(fù)荷模擬系統(tǒng)

結(jié)合珠海地區(qū)室外天氣數(shù)據(jù)，利用TRNSYS軟件對用戶冷負(fù)荷進(jìn)行模擬，負(fù)荷模擬系統(tǒng)如圖4所示.

圖4 冷負(fù)荷模擬系統(tǒng)

模擬得到用戶全年逐時冷負(fù)荷如圖5所示.從圖5(a)可看出，年初和年末用戶冷負(fù)荷需求很小，此時可通過開窗等方法以減少供冷系統(tǒng)不必要的能耗浪費(fèi).因此，選用3.15～11.15(1 700 h～7 700 h)的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為研究對象，如圖5(b)所示.

圖5 用戶逐時冷負(fù)荷和累計冷負(fù)荷數(shù)據(jù)

3.2 模擬結(jié)果驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對冷負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，得到逐月累計冷負(fù)荷，并與實際月冷負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表4所示.同時，繪制了二者隨月室外平均溫度變化的走勢圖，如圖6所示.

表4 逐月累計冷負(fù)荷數(shù)據(jù)

圖6 逐月累計冷負(fù)荷隨室外溫度變化圖

從圖6可看出，用戶逐月冷負(fù)荷呈先增后減的變化趨勢，且與室外平均溫度的變化趨勢一致，平均溫度較低的月份，冷負(fù)荷需求也較小，反之亦然.同時，從表4的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，月冷負(fù)荷模擬值與實際值誤差較小，在10%以內(nèi)，這說明模擬所得冷負(fù)荷數(shù)據(jù)的可靠性.為進(jìn)一步驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取典型日逐時冷負(fù)荷模擬值與實際值進(jìn)行對比，并繪制圖7所示曲線.

圖7 典型日冷負(fù)荷對比曲線

從圖中可看出尖峰冷負(fù)荷出現(xiàn)在第4 090 h，實際值為75 000 kW，而模擬值為74 800 kW，誤差為0.27%.同時，典型日內(nèi)逐時模擬冷負(fù)荷曲線與實際值曲線走勢一致，波動很小，這進(jìn)一步說明了模擬得到的冷負(fù)荷值可靠.所得到的冷負(fù)荷數(shù)據(jù)將作為該區(qū)域供冷系統(tǒng)供冷策略優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

4 結(jié) 論

本文采用TRNSYS軟件模擬了珠海橫琴新區(qū)某區(qū)域供冷系統(tǒng)用戶逐時動態(tài)冷負(fù)荷，得出以下結(jié)論：

(1)提出了基于TRNSYS軟件的區(qū)域供冷系統(tǒng)逐時負(fù)荷計算模型，該模型考慮了建筑內(nèi)擾、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等因素對逐時負(fù)荷的影響.

(2)模擬得到的用戶全年尖峰冷負(fù)荷與系統(tǒng)實際冷負(fù)荷峰值誤差僅為0.27%.典型日內(nèi)冷負(fù)荷模擬值與實際值逐時變化趨勢一致，波動較小.

(3)逐月累計冷負(fù)荷模擬值與實際值誤差均小于10%，驗證了模擬結(jié)果的可靠性.為后續(xù)區(qū)域供冷系統(tǒng)節(jié)能分析提供了數(shù)據(jù)支撐.