基于TRNSYS的通風空調系統仿真平臺的開發

張海丁 李亞奇 劉淵

火箭軍工程大學五系

由于地下工程通風空調系統的龐大與復雜性，采取實驗或現場勘察的手段進行研究耗時耗力且往往結果不夠理想。將計算機仿真模擬技術應用于通風空調系統的仿真運行、能耗分析和優化策略等方面具有重要的現實意義[1-2]，而且該方法簡單便捷、投資較少。要想建立一個通風空調系統的動態仿真平臺，先要建立該系統各個部件的數學模型[3-6]，然后根據實際部件確定模塊中的所有參數，按照實際系統的設備布置連接情況，利用一定的方式將各個模塊連接起來，形成回路。當前TRNSYS軟件中的自帶部件庫中部件的數學模型往往不符合系統仿真系統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空調系統部件數學模型的基礎上，利用TRNSYS軟件的源代碼開放的優點，利用C++語言編寫相應的模塊，并且添加到TRNSYS軟件的模塊庫中。在已建好的模塊基礎上，根據通風空調系統的熱力特性，按照部件之間溫濕度，流量及熱損失和壓降的傳遞關系搭建仿真平臺[7]，真正做到實時準確的模擬陣地通風空調系統的實際運行，為后期研究分析其運行能耗和給出相應的優化控制和節能策略打好基礎[8]。

1 TRNSYS部件模塊的建立

在充分考慮系統準確性的前提下考慮系統的時效性，將通風空調系統中具體的設備部件進行簡化，通風空調系統中具體設備按照溫濕度、流量的傳遞循環回路包括以下部件模塊：冷卻水泵模塊，風機模塊，合流三通模塊，分流三通模塊，調溫除濕機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與部件特性關系及運行控制方式與流量、進出口溫濕度的關系，先建立各模塊的數學模型，然后在數學模型的基礎上利用C++編寫該部件模塊。本文以仿真系統中的調溫除濕機部件模塊為例介紹TRNSYS中新部件的建立過程[9]。

1.1 調溫除濕機模塊數學模型

1）壓縮機模型

對于渦旋壓縮機建立AHRI10系數模型[10]，通過對樣機參數進行擬合，得到質量流量，輸入功率隨冷凝溫度和蒸發溫度變化的計算方程。

2）蒸發器模型

制冷劑側能量方程：

空氣側能量方程：

制冷劑側壓降方程：

兩側能量平衡方程：

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

1.2 調溫除濕機部件模塊建立

利用TRNSYS軟件的模塊化開放式結構的特點，用戶可以根據自己系統要求建立相應的部件模塊[11]。本文基于陣地通風空調系統的實際數學模型利用C++語言編寫新建了調溫除濕機模塊。

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（PARAMETER）及模塊的計算過程。調溫除濕機部件模塊TYPE子程序參數設置如圖1所示。

當設置完調溫除濕機部件模塊的各類參數后，將該部件保存在自己命名的文件夾中，并在C++語言環境中根據部件數學模型的邏輯關系編寫計算過程。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用該部件，則需更新一下“Direct Access/Refresh tree”。

圖1 調溫除濕機參數設置圖

1.3 模塊準確性驗證

通過上述步驟，調溫除濕機模塊已建立完成，要確保其運行的準確性，需要通過一定的實驗來對仿真結果進行驗證。

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果對比

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

圖2 名義工況除濕量和水側換熱量隨冷卻水量變化情況

分析圖2可知，仿真結果的變化趨勢與實驗情況基本一致。在數值上，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%，仿真結果與實驗值誤差在合理范圍內，所以該模塊用于對調溫除濕機的數值模擬研究是可靠的。

2 TRNSYS模擬通風空調系統

2.1 仿真對象

選取廣州市某陣地的地下工程通風空調系統為研究對象。建立了基本的建筑物模型，由于地下工程通風空調系統，忽略了窗戶和向陽面等方面對室內環境溫濕度的影響，結合陣地實際設置體積，表面積，散熱系數和通風回風量等參數的具體數值，通過讀取外部計算數據來確定室內由設備，燈光和人員引起的熱濕負荷，進而全面考慮并模擬地下工程通風空調系統的實時運行。

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

圖3 廣州市7月份（4344～5088 h）氣象數據

圖4 地下工程環境實時溫濕度

2.2 基于TRNSYS搭建系統平臺

結合陣地地下工程通風空調系統的實際，本文搭建了基于TRNSYS的仿真平臺，該系統由自建的調溫除濕機模塊，風機/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據讀取及數據輸出和實時顯示模塊等組成，具體的系統仿真平臺如圖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為參量來進行連接，黑色實線代表部件循環運行的連接情況，紅色虛線代表實時能耗顯示和數據輸出的連接情況，藍色虛線代表不同區域溫濕度的實時顯示和數據輸出。結合陣地空調系統的實際設置其輸入，輸出和固態參數，進而對模擬起始時間、模擬終止時間和模擬步長（本文為1 h）進行設置,各項參數設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據。

圖5 通風空調系統動態仿真平臺

2.3 TRNSYS能耗模擬結果

基于TRNSYS所建立的通風空調系統仿真平臺，結合實際的氣象數據和建筑物的熱濕負荷數據，進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 各部件滿負荷下的實時能耗

目前通風空調系統設計時以極端氣象條件和最大負荷需求為依據。在實際運行時，由于氣象環境和負荷需求的時變特性，空調系統絕大多數時間都在部分負荷條件下運行。而該平臺由于尚未加入控制模塊的有效調節，造成調溫除濕機、風機、水泵等耗能部件都處于滿負荷工作狀態，出現了“大牛拉小車”的現象，造成極大的能耗浪費，并極大減少了部件的使用壽命。由此可以看出通風空調系統有很大的節能空間，這也使得進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 結語

本文基于TRNSYS建立了陣地通風空調系統的仿真平臺，能夠真正的結合系統實際的數學模型進行數學建模、部件編程、部件串聯，彌補了TRNSYS自帶部件庫中部件考慮因素不充分帶來的不足。利用C++語言編寫創建了調溫除濕機、水泵、風機這幾個主要的設備新部件模塊。調溫除濕機模塊充分考慮了壓縮機、蒸發器、冷凝器和膨脹閥這四大件之間介質（冷卻水和制冷劑）的實時能量傳遞關系，而不是僅僅如自帶部件中利用讀取外部的經驗數據文件。風機和水泵模塊在考慮熱力學特性的基礎上充分考慮了其力學特性，并且實現了根據實時的輸入控制信號實現變速調頻控制，設備新部件模塊的建立使仿真平臺的運行研究更具有準確性和有效性。

利用建立好的仿真平臺可在空調系統設計過程中模擬研究從而實現對調溫除濕機，水泵，風機及其他耗能設備的正確選型，或者對已完成選型的設備進行驗證。并且能夠對空調系統中以熱力傳遞循環而進行的能耗問題進行實時模擬，對下一步空調系統實時控制和不同控制策略下能耗分析的研究打好基礎，進而給出一定的節能運行的優化意見和建議。