基于TRNSYS的主动式建筑相变蓄冷空调系统模拟

葛凤华 蔡鸿志 张源

DOI： 10.3969/j.issn.1671-7775.2024.03.012

開放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘要： 以夏热冬冷地区的办公建筑为例，利用瞬态系统仿真程序（transient system simulation program，TRNSYS）构建主动式相变蓄能地板模块，建立了主动式相变蓄能地板空调系统和常规风机盘管加新风空调系统的仿真模型，对其节能性和经济性进行模拟计算.以典型日和供冷季晚间蓄冷运行工况为条件，研究冷冻水温对主动式相变蓄能地板的蓄释能特性、室温波动与热泵制冷系数的影响.结果表明：夜间相变蓄冷工况下，在满足每平方米冷负荷为74.78 W情况下，9 ℃为最佳供水水温；采取晚间低电价时段间歇运行蓄冷热泵的方案，能够有效提高热泵运行时的制冷系数，并降低运行费用；主动式相变蓄能地板空调系统供冷季的能耗相比于常规风机盘管加新风空调系统减少30.5%，运行费用减少44.24%，夏季制冷综合能效比达到了2.38.

关键词：  相变材料； TRNSYS模拟； 主动式蓄能； 辐射供冷； 系统性能； 制冷系数

中图分类号： TU111.4  文献标志码：  A  文章编号：   1671-7775（2024）03-0330-07

引文格式：  葛凤华，蔡鸿志，张  源. 基于TRNSYS的主动式建筑相变蓄冷空调系统模拟［J］.江苏大学学报（自然科学版），2024，45（3）：330-336，345.

收稿日期：   2022-01-13

基金项目：  国家自然科学基金资助项目（51508232）

作者简介：   葛凤华（1963—），男，吉林长春人，教授（gfhgq@126.com），主要从事建筑节能、空气调节和供暖通风的研究.

蔡鸿志（1997—），男，江西抚州人，硕士研究生（1753836671@qq.com），主要从事相变蓄能材料与空调系统的研究.

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

建筑围护结构中加入相变材料可有效调节室内温度和热舒适性.众多学者使用了试验和数值模拟的方法研究了相变围护结构的热性能及其对室内负荷和温度的影响.闫全英等［1］制备了一种轻薄相变供暖地板进行试验，并用ANSYS对其进行模拟，得到了不同供回水温度下地板表面溫度和热流密度的变化规律.张群力等［2］建立了蓄热地板的二维传热模型，并分析了相变材料物性对室内温度和蓄能比的影响.焦浩等［3］构建了太阳能相变蓄热地板辐射耦合供暖系统，在采用合适的运行策略下使得太阳能热量占房间负荷比例达到60%～80%.LU S. L.等［4］建立了相变材料（PCM）地板、PCM墙体和太阳房耦合系统，经过试验对比发现室温比常规室温提高7.5 ℃.SUN W. C.等［5］研究了双层辐射地板系统，通过试验分析了无机PCM层的位置对冬夏两季室内热舒适性的影响.综上，人们对于相变围护结构的热性能及其对室内负荷和热舒适的影响规律也有了系统的认识.但是，目前关于PCM在辐射空调系统中的应用研究较少.

为此，笔者依托镇江市某建筑，以围护结构结合相变蓄冷盘管为主动式蓄能方式，围绕相变蓄能地板建立以空气源热泵为冷源的相变蓄冷辐射空调系统，探究主动式相变蓄能地板供冷过程中的蓄释能特性，以期获得主动式相变蓄能空调系统的运行特性.

1  主动式相变蓄能地板模型

1.1  主动式相变蓄能地板的结构

建立了相变材料（PCM）层的热传导数学模型，采用瞬态系统仿真程序（transient system simulation program，TRNSYS），编程得到Type208相变材料层模块.在主动式相变蓄能地板模型构建中，地板的标准部分和毛细管活动层在Type56中建模，且在Type Studio环境下构建Type208相变层模块.毛细管活动层是嵌入了密集的毛细管网的混凝土层，冷冻水流入毛细管网带走地板的热量，达到给地板降温、辐射供冷的目的.根据Type56模块中的壁面热流输出概念，采用Type208模块可依据上下边界壁传递的能量通量实时计算PCM层内部各节点温度.同时，以Type208的计算结果作为室内地板边界温度的输入，采用Type56模块进行计算.为了简化毛细管层与PCM层间的传热过程，要引入直接接触的空穴节点，由于其内部对流换热系数很高，因此热阻基本可忽略.图1为主动式相变蓄能地板模型的建立过程和基本结构.

1.2  物性及几何参数

主动式相变蓄冷地板各层材料及其物性参数、厚度数据如表1所示.

十六烷具有蓄能密度大、相变过程中物性较稳定、吸热和放热过程中温度波动小等优点，其熔化初始点与凝固初始点分别为16.89、20.56 ℃，基本满足壁面辐射5 ℃温差的要求.向十六烷中加入膨胀石墨可显著提高相变材料的导热系数，且有利于相变材料定型.加入质量分数为5%膨胀石墨的十六烷物性参数如下：密度为770 kg/m3，导热系数为0.539 W/（m·K），固、液相比热容皆为2 000 J/（kg·K），熔化起始温度为16.89 ℃，凝固起始温度为20.56 ℃，相变潜热为225 kJ/kg.

1.3  PCM层的热传导模型

1.3.1  模型假设

为了简化PCM层的热传导模型，对PCM层做出如下假设： ① 忽略水平方向上的导热，认为PCM层传热是沿垂直方向的一维导热问题［6］； ② PCM层在液态或部分液态状态下，其内部对流换热可以忽略［7］； ③ 相变过程中，PCM层不与外界发生物质交换； ④ 相变过程中，相变材料的比热容随温度呈阶梯式函数的变化［8］； ⑤ 相变过程中，相变材料的导热系数、密度等物性参数不随温度发生改变［9］； ⑥ PCM层内部无内热源.

1.3.2  PCM层的控制方程与边界条件

研究中将PCM层内部传热简化为一维非稳态无内热源传热问题，并结合显热容法［10］对其进行求解：

ρcpTt=λ2Tx2.（1）

初始条件为

T（x，t）τ=0=Tini.（2）

上下两侧边界条件均为第二类边界条件，即

λdTdxx=0=Qi，（3）

λdTdxx=δ=Qo.（4）

其中相变材料比热容随温度变化的阶梯式函数如下：

cp=cp，s，T

cp，s+cp，l2+LΔt，Ts≤T≤Tm，

cp，l，T>Tm，（5）

式中： ρ为相变材料密度，kg/m3；cp为相变材料比热容，J/（kg·K）；T为相变材料温度，K；t为时间步长，s；x为空间步长，m；λ为相变材料导热系数，W/（m·K）；Tini为相变材料初始温度，K；Qi为毛细管层传递的热流，W/m2；Qo为地板传递给室内的热流，W/m2；cp，s、cp，l分别为相变材料固相比热容和液相比热容，J/（kg·K）；L为相变材料相变潜热，kJ/kg；Ts、Tm分别为相变材料的凝固温度和熔化温度，K.

1.3.3  PCM层数值计算方法

使用Taylor展开法导出PCM层控制方程的差分表达式：

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

使用补充边界节点代数方程［11］的方法处理第二类边界条件：

T0=T1+Qbδxλ，（7）

式中： Tni为n时刻第i节点的温度，K；T0为边界网格节点的温度，K；T1为边界网格节点相邻节点的温度，K；Qb为边界热流，W/m2.

2  相变蓄冷辐射空调系统

2.1  建筑概况及负荷统计

本研究以镇江市某建筑为例，在TRNSYS中搭建以空气源热泵为冷源，以相变蓄冷地板作为辐射末端来降低室内温度，用新风盘管除湿系统来控制室内湿度.该建筑层高为3.6 m，总面积为200 m2，并在南墙和北墙开窗.围护结构热工参数如表2所示.图2为建筑供冷季的逐时动态冷负荷.

笔者采用Meteonorm 7软件生成的镇江市天气文件作为天气依据来计算建筑室内冷负荷.室内冷负荷包含围护结构传热量、人体显热和潜热负荷、照明负荷及设备负荷.利用TRNSYS软件设置室内设计温度与相对湿度分别为26 ℃和60%，可以输出建筑供冷季（92 d）动态负荷（见图2）.夏季建筑瞬态冷负荷最大值为16.43 kW，累计总冷负荷为31 136.77 kW·h.

2.2  系统构成

系统构成原理示意图如图3所示.

为保证夏季室内热舒适性，笔者构建了相变蓄冷辐射空调系统.系统采用了辐射板加新风除湿的方式将室内设计温度保持在26 ℃，相对湿度保持在60%.相变蓄冷辐射空调系统由蓄冷空气源热泵、蓄冷循环水泵、新风循环水泵、新风风机、新风盘管、新风热泵、相变蓄能地板及控制系统组成.室内有新风机组和相变蓄能地板双末端，室外为空气源热泵作为夏季冷源.

2.3  运行控制原理

仿真过程中，系统通过反馈控制策略控制新风风机与新风热泵启停，进而控制室内相对湿度.控制器在室内相对湿度超过65%时，输出信号为1，开启风机与热泵；相对湿度低于50%时，输出信号为0，关闭风机与热泵.相变蓄冷辐射空调系统以24 h（当日21：00至次日21：00）为一个运行周期.为达到提高热泵制冷系数（COP）、降低运行能耗和降低运行费用的目的，将晚间蓄冷控制在每天低电价时段（当日21：00至次日8：00）运行.蓄冷热泵则采用间歇运行方式，以温度反馈信号与时间信号共同控制热泵的启停.其控制原理如下：在晚间蓄冷时段，热泵正在运行期间，PCM层内部温度高于熔化起始点时保持运行，低于熔化起始点时停止运行；在热泵关闭期间，PCM层内部温度低于凝固起始点时保持关闭状态，高于凝固起始点时开始运行.

2.4  系统模拟仿真

利用TRNSYS构建了相变蓄冷辐射空调系统仿真模型，并分别进行了单日模拟与供冷季模拟.全年中的第5 493小时至第5 517小时是建筑最大冷負荷所在时间段，该时段内平均每平方米冷负荷为74.78 W.为此，单日模拟选择此时间段内进行系统模拟，以探究不同冷冻水温主动式相变蓄冷地板蓄、释能特性及室内温度波动情况.主动式相变蓄冷辐射空调系统仿真流程图如图4所示.

供冷季模拟时选择建筑在全年中的第3 621小时至第5 829小时的时间段进行系统模拟，统计了热泵间歇运行方案下的室温、热泵COP和供冷季能耗波动情况.

另外，将本研究中设计的空调系统和依据目标建筑建立的常规风机盘管加新风系统进行了对比，其中常规风机盘管加新风系统仿真流程图如图5所示.

3  仿真结果与分析

3.1  典型日

本研究中，6组冷冻水的供水温度t分别为7、8、9、10、11和12 ℃，在此工况下进行了仿真.图6-9分别为间歇供冷11 h的冷冻水供水温度对PCM层内部温度、表面温度、表面热流及室温的影响规律.图6-9中，在蓄冷初始阶段，PCM层处于液态，并发生显热变化，相变材料内部温度迅速下降至熔化起始点.由于初始阶段主动式相变蓄能地板表面温度较高，室内外温差较大，因而室温上升.当PCM层进入凝固阶段时，整体温度呈缓慢下降趋势，室温开始逐渐下降.直至晚间蓄冷时段结束，PCM层内部温度和室温均达到最低点.供水温度分别为7、8、9、10、11和12 ℃的6组工况对应于相变材料内部最低温度分别为16.87、17.38、17.79、18.20、18.60和19.01 ℃.随后将热泵关闭，相变系统进入了释冷时段，PCM层整体温度缓慢上升，6组工况下热流峰值分别为61.66、59.01、57.15、55.26、53.42和51.49 W/m2.

由图6-9的仿真结果可知，随着冷冻水供水温度的降低，PCM层内部温度和表面温度降低，表面热流升高，室温也降低.在释冷阶段，当冷冻水温为7、8和9 ℃时，PCM层内部温度最终分别为19.69、20.07和20.55 ℃，均保持在凝固起始点之下；室温波动区间很小，分别为25.90～26.43、26.04～26.65和26.17～26.92 ℃，可见室温较稳定.当冷冻水供水温度为10、11和12 ℃时，PCM层内部温度最终分别为21.55、22.39和23.07 ℃，此时PCM层完全液化，并出现显热变化；室内温度波动区间较大，分别为26.31～27.34、26.44～27.80、26.58～28.19 ℃，可见室温已无法得到有效控制，出现了供冷量明显不足的现象.由于地板表面温度均高于室内设计状态点对应的露点温度（17.50 ℃），因此室内不存在结露隐患.

图10为6组冷冻水供水温度分别为7、8、9、10、11和12 ℃时，晚间蓄冷阶段冷冻水供水温度对热泵制冷系数的影响规律.

在冷冻水供水温度为9 ℃时平均热泵COP为4.42，比8 ℃时提高了3.51%，比7 ℃时提高了8.87%.可见，冷冻水供水温度为9 ℃时系统既能保证室内温度在合理范围内波动，又能提高热泵COP，从而节约了更多电能.因此，最佳冷冻水供水温度确定为9 ℃.

3.2  供冷季

图11为主动式相变蓄能地板空调系统在间歇运行方案下，冷冻水温为9 ℃时的室温与湿度波动情况.在整个供冷季运行中，系统将室内温度稳定控制在24.93～26.60 ℃，将室内相对湿度基本稳定控制在50%～65%.

图12、13分别为蓄冷热泵间歇运行工况下COP和风盘热泵COP的波动情况.

由于晚间运行时室外空气温度较低，同时相变系统冷冻水供水温度高于风盘热泵系统，因此蓄冷热泵间歇运行工况下COP明显高于风盘热泵.

图14为主动式相变蓄能地板空调系统和常规风盘热泵空调系统的运行能耗对比.由图14可知，主动式相变蓄能地板空调系统能耗明显低于常规空调系统.主动式相变蓄能地板空调系统供冷季累计能耗为13 137.78 kW·h，常规空调系统供冷季累计能耗18 914.03 kW·h，可知主动式相变蓄能地板空调系统比常规空调系统节能30.5%.

引入系统季节能效比SEER对系统性能进行分析，计算公式［12］如下：

SEER=QcPc，（8）

式中：Qc为供冷季总制冷量；Pc为系统输入总能耗.计算可知，主动式相变蓄能地板空调系统供冷季能效比达到2.38.

根据2021年镇江市峰谷电价差，分别采用主动式相变蓄能地板空调系统和常规空调系统运行策略进行研究，得到供冷季系统运行能耗及费用对比如表3所示.

表3  供冷季系统运行能耗及费用对比

系统方案晚间运行累计能耗/（kW·h）白天运行累计能耗/（kW·h）系统总运行费用/元

相变蓄能空调系统9 909.593 228.194 839.74

常规空调系统  8 114.4310 799.608 679.74

由于相变蓄能空调系统采用晚间蓄冷间歇运行策略，利用峰谷电价差可显著降低系统运行费用，相较于常规风机盘管加新风空调系统，运行费用降低了44.24%.

4  结  论

1） 主动式相变蓄冷系统的辐射供冷过程中，随着冷冻水供水温度降低，PCM层内部温度与地板表面温度均有所降低，表面输出热流升高，热泵COP降低.典型日模拟过程中，在平均冷负荷为74.78 W/m2时，选择9 ℃作为最佳冷冻水供水温度，释能阶段PCM层不会出现显热变化，热流峰值可达57.15 W/m2，相较于冷冻水供水温度为7 ℃时热泵COP提高了8.87%.

2） 主动式相变蓄能空调系统运行中有效控制了室内温度和湿度.在整个供冷季运行过程中，系统将室内温度稳定控制在24.93～26.60 ℃，将室内相对湿度稳定控制在50%～65%.

3） 主动式相变蓄能空调系统供冷季累计能耗为13 137.78 kW·h，夏季制冷综合能效比达到2.38.相較于风机盘管加新风空调系统，整体节能30.5%，运行费用减少44.24%.

[WT5HZ]参考文献（References）[WT5”BZ]

［1］  闫全英，刘莎.预制轻薄相变供暖地板热工性能的研究［J］.化工新型材料，2018，46（7）：240-244.

YAN Q Y， LIU S. Study on thermal performance of prefabricated thin phase change heating floor［J］. New Chemical Materials， 2018， 46（7）：240-244.（in Chinese）

［2］  张群力，高岩，狄洪发.低温热水型相变蓄能地板采暖房间动态热性能研究［J］.太阳能学报，2015，36（4）：943-949.

ZHANG Q L， GAO Y， DI H F. Research on the dyna-mic thermal performance of room with low temperature hot water floor heating system using phase change material for thermal energy storage［J］. ACTA Energtae Solaris Sinica， 2015，36（4）：943-949.（in Chinese）

［3］  焦浩，王万江，张叶，等.严寒地区太阳能相变蓄热地板辐射供暖系统运行控制策略试验研究［J］.暖通空调，2016，46（2）：78-83.

JIAO H， WANG W J，ZHANG Y， et al. Experiment research on control strategy of solar phase change thermal storage floor heating system in severe cold zone［J］. HV & AC， 2016， 46（2）：78-83.（in Chinese）

［4］  LU S L， TONG H J， PANG B， et al. Study on the coupling heating system of floor radiation and sunspace based on energy storage technology［J］. Energy and Buildings， 2018，159：441-453.

［5］  SUN W C， ZHANG Y X， LING Z Y， et al. Experimental investigation on the thermal performance of double-layer PCM radiant floor system containing two types of inorganic composite PCMs［J］. Energy and Buildings， DOI：10.1016/j.enbuild.2020.109806.

［6］  LU S L， LIU S B， HUANG J Y， et al. Establishment and experimental verification of PCM room′s TRNSYS heat transfer model based on latent heat utilization ratio［J］.Energy and Buildings， 2014，84：287-298.

［7］  AHMAD M， BONTEMPS A， SALLE H， et al. Experimental investigation and computer simulation of thermal behaviour of wall boards containing a phase change material［J］.Energy and Buildings， 2006，38：357-366.

［8］  ALISETTI E L， ROY S K. Forced convection heat transfer to phase change material slurries in circular ducts

［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer， 2000，14（1）：115-118.

［9］  KUZNIK F， VIRGONE J， JOHANNES K. Development and validation of a new TRNSYS type for the simulation of external building walls containing PCM［J］. Energy and Buildings， 2010， 42： 1004-1009.

［10］  仝浩杰.套管式相變蓄能地板传热模型研究及优化设计［D］.天津：天津大学，2018.

［11］  陶文铨.数值传热学［M］.2版. 西安：西安交通大学出版社，2001：92-94.

［12］  彭东根，李寅蒂.基于TRNSYS的增加辅助冷却设备的地源热泵系统优化［J］.南昌大学学报（工科版），2021，43（2）：128-136.

PENG D G， LI Y D. Optimization of ground heat source pump system with additional auxiliary cooling equipment based on TRNSYS［J］.Journal of Nanchang University（Engineering & Technology）， 2021，43（2）：128-136.（in Chinese）

（责任编辑  赵  鸥）