基于TRNSYS的通风空调系统仿真平台的开发

张海丁 李亚奇 刘渊

火箭军工程大学五系

由于地下工程通风空调系统的庞大与复杂性，采取实验或现场勘察的手段进行研究耗时耗力且往往结果不够理想。将计算机仿真模拟技术应用于通风空调系统的仿真运行、能耗分析和优化策略等方面具有重要的现实意义[1-2]，而且该方法简单便捷、投资较少。要想建立一个通风空调系统的动态仿真平台，先要建立该系统各个部件的数学模型[3-6]，然后根据实际部件确定模块中的所有参数，按照实际系统的设备布置连接情况，利用一定的方式将各个模块连接起来，形成回路。当前TRNSYS软件中的自带部件库中部件的数学模型往往不符合系统仿真系统的实际并且部分黑箱模型无法精确计算分析。本文拟在已研究建立通风空调系统部件数学模型的基础上，利用TRNSYS软件的源代码开放的优点，利用C++语言编写相应的模块，并且添加到TRNSYS软件的模块库中。在已建好的模块基础上，根据通风空调系统的热力特性，按照部件之间温湿度，流量及热损失和压降的传递关系搭建仿真平台[7]，真正做到实时准确的模拟阵地通风空调系统的实际运行，为后期研究分析其运行能耗和给出相应的优化控制和节能策略打好基础[8]。

1 TRNSYS部件模块的建立

在充分考虑系统准确性的前提下考虑系统的时效性，将通风空调系统中具体的设备部件进行简化，通风空调系统中具体设备按照温湿度、流量的传递循环回路包括以下部件模块：冷却水泵模块，风机模块，合流三通模块，分流三通模块，调温除湿机模块以及辅助加热加湿模块。

通过对上述各个部件模块的热力特性分析，即温湿度和流量的传递循环与部件特性关系及运行控制方式与流量、进出口温湿度的关系，先建立各模块的数学模型，然后在数学模型的基础上利用C++编写该部件模块。本文以仿真系统中的调温除湿机部件模块为例介绍TRNSYS中新部件的建立过程[9]。

1.1 调温除湿机模块数学模型

1）压缩机模型

对于涡旋压缩机建立AHRI10系数模型[10]，通过对样机参数进行拟合，得到质量流量，输入功率随冷凝温度和蒸发温度变化的计算方程。

2）蒸发器模型

制冷剂侧能量方程：

空气侧能量方程：

制冷剂侧压降方程：

两侧能量平衡方程：

微元长度方程：

3）冷凝器模型

换热方程为：

4）热力膨胀阀模型

流动未壅塞情况：

流动壅塞情况：

式中：y代表额定过冷度、过热度下压缩机的质量流量或功率；Te、Tc分别为蒸发温度、冷凝温度；Q、h、m 分别为换热量、焓值和质量流量，下标r、a分别代表制冷剂侧和空气侧，1和2分别代表进口和出口；p1、p2分别为微元进、出口压力；ρ1、ρ2、f分别为微元进、出口密度、摩擦因子；ai、ao分别为制冷剂侧换热系数、空气侧换热系数；Ai、Ao分别为换热管内、外表面积；Tw、Trm、Tam分别为管壁温度、制冷剂平均温度、空气侧平均温度；di、ζ、ε为换热管内径、析湿系数、管内外表面积比值；U为冷凝器中基于制冷剂侧换热面积的总传热系数；Rm、ρL、γ分别表示金属管壁热阻、进口处制冷剂密度、漏热系数；Ar、Aw分别为冷凝器制冷剂侧和冷却水侧的总换热面积；αr、αw分别为制冷剂侧换热系数、冷却水侧换热系数；Cd、Ath分别为流量系数、阀的喉口流动面积；pin、pback、pth分别为进口压力、出口压力和壅塞压力。

1.2 调温除湿机部件模块建立

利用TRNSYS软件的模块化开放式结构的特点，用户可以根据自己系统要求建立相应的部件模块[11]。本文基于阵地通风空调系统的实际数学模型利用C++语言编写新建了调温除湿机模块。

建立一个新的模块部件先需要确定该模块的object和Type number，即该模块的名称和编号，然后以名为TYPE的子程序入手，每个TYPE子程序包括变量输入（INPUT）、变量输出（OUTPUT）、固化参数（PARAMETER）及模块的计算过程。调温除湿机部件模块TYPE子程序参数设置如图1所示。

当设置完调温除湿机部件模块的各类参数后，将该部件保存在自己命名的文件夹中，并在C++语言环境中根据部件数学模型的逻辑关系编写计算过程。最终在Userlib目录下生成该模块的TYPE DLL文件。为使该部件在界面右边的部件库中显示并直接调用该部件，则需更新一下“Direct Access/Refresh tree”。

图1 调温除湿机参数设置图

1.3 模块准确性验证

通过上述步骤，调温除湿机模块已建立完成，要确保其运行的准确性，需要通过一定的实验来对仿真结果进行验证。

表1 名义工况下冷却水量对除湿性能影响的仿真值和实验值结果对比

下面通过在名义工况下数值模拟冷却水量从3 m3/h到9 m3/h变化时的除湿量和换热量，并对数值模拟仿真结果进行实验验证见表1。为直观表示，对数据进行拟合，如图2所示。

图2 名义工况除湿量和水侧换热量随冷却水量变化情况

分析图2可知，仿真结果的变化趋势与实验情况基本一致。在数值上，水流量为3 m3/h时仿真值与实验值相差最大，除湿量为7.7%，换热量为4.2%，仿真结果与实验值误差在合理范围内，所以该模块用于对调温除湿机的数值模拟研究是可靠的。

2 TRNSYS模拟通风空调系统

2.1 仿真对象

选取广州市某阵地的地下工程通风空调系统为研究对象。建立了基本的建筑物模型，由于地下工程通风空调系统，忽略了窗户和向阳面等方面对室内环境温湿度的影响，结合阵地实际设置体积，表面积，散热系数和通风回风量等参数的具体数值，通过读取外部计算数据来确定室内由设备，灯光和人员引起的热湿负荷，进而全面考虑并模拟地下工程通风空调系统的实时运行。

本文的室外气象数据取自广州地区的气象资料，根据仿真实验要求以及《公共建筑节能设计标准广东省实施细则》（DBJ5-51-2007）所规定的广州地区每年空调开放时间，选取了广州市7月1日（4344 h）到7月31日（5088 h）的气象数据，其户外干球温度和湿度如图3所示。地下工程热湿环境由于基本恒定，通过实际监测建立基本的温湿度数据，具体如图4所示。夏季适宜人员工作、设备运行的温湿度环境大约为：温度23～28℃，湿度40%～60%。通过室外实时温湿度数据可以看出温湿度均高于该适宜范围，并且地下环境存在高湿的特性，所以进行实时的调温除湿来确保温湿度在适宜的范围内很有必要。

图3 广州市7月份（4344～5088 h）气象数据

图4 地下工程环境实时温湿度

2.2 基于TRNSYS搭建系统平台

结合阵地地下工程通风空调系统的实际，本文搭建了基于TRNSYS的仿真平台，该系统由自建的调温除湿机模块，风机/水泵模块和合流分流管模块以及TRNSYS部件库中的建筑物模块和数据读取及数据输出和实时显示模块等组成，具体的系统仿真平台如图5所示。

该仿真平台中以空气温湿度和流量及冷却水的温度和流量的传递循环为参量来进行连接，黑色实线代表部件循环运行的连接情况，红色虚线代表实时能耗显示和数据输出的连接情况，蓝色虚线代表不同区域温湿度的实时显示和数据输出。结合阵地空调系统的实际设置其输入，输出和固态参数，进而对模拟起始时间、模拟终止时间和模拟步长（本文为1 h）进行设置,各项参数设置完成后可实时运行，并通过输出显示模块观察和得出运行过程中实时的温湿度和能耗变化等数据。

图5 通风空调系统动态仿真平台

2.3 TRNSYS能耗模拟结果

基于TRNSYS所建立的通风空调系统仿真平台，结合实际的气象数据和建筑物的热湿负荷数据，进行了实时的模拟运行，各耗能部件每小时的的具体能耗如图6所示。

图6 各部件满负荷下的实时能耗

目前通风空调系统设计时以极端气象条件和最大负荷需求为依据。在实际运行时，由于气象环境和负荷需求的时变特性，空调系统绝大多数时间都在部分负荷条件下运行。而该平台由于尚未加入控制模块的有效调节，造成调温除湿机、风机、水泵等耗能部件都处于满负荷工作状态，出现了“大牛拉小车”的现象，造成极大的能耗浪费，并极大减少了部件的使用寿命。由此可以看出通风空调系统有很大的节能空间，这也使得进一步研究基于该平台下的实时模糊控制非常具有可行性和必要性。

3 结语

本文基于TRNSYS建立了阵地通风空调系统的仿真平台，能够真正的结合系统实际的数学模型进行数学建模、部件编程、部件串联，弥补了TRNSYS自带部件库中部件考虑因素不充分带来的不足。利用C++语言编写创建了调温除湿机、水泵、风机这几个主要的设备新部件模块。调温除湿机模块充分考虑了压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀这四大件之间介质（冷却水和制冷剂）的实时能量传递关系，而不是仅仅如自带部件中利用读取外部的经验数据文件。风机和水泵模块在考虑热力学特性的基础上充分考虑了其力学特性，并且实现了根据实时的输入控制信号实现变速调频控制，设备新部件模块的建立使仿真平台的运行研究更具有准确性和有效性。

利用建立好的仿真平台可在空调系统设计过程中模拟研究从而实现对调温除湿机，水泵，风机及其他耗能设备的正确选型，或者对已完成选型的设备进行验证。并且能够对空调系统中以热力传递循环而进行的能耗问题进行实时模拟，对下一步空调系统实时控制和不同控制策略下能耗分析的研究打好基础，进而给出一定的节能运行的优化意见和建议。