2.3　混合式地源热泵模型构建及模拟

2.3.1　TRNSYS软件简介

1.概述

TRNSYS（Transient System Simulation Program）是一款由美国Wisconsin-Madison大学Solar Energy实验室开发，经由法国建筑技术与科学研究中心（CSTB）、德国太阳能技术研究中心（TRANSSOLAR）、美国热能研究中心（TESS）共同完善的瞬时系统模拟程序。该软件以系统中各部件为单元，根据各部件的压力、质能平衡方程以及流动方程等进行计算。该软件主要用于系统的控制分析与控制器设计领域［28］。

TRNSYS软件是模块化的动态模拟仿真软件，模块化就是把整个系统分割成若干个小系统，每一个模块实现特定的功能［29］。所以对系统进行模拟计算时，只需要使用实现具体功能的模块，给每个模块指定输入参数和模块的性能参数就可以得到相应的输出参数，而不需要像MATLAB软件一样每个模块均需要单独编写程序来实现相应的功能，即使用TRNSYS模拟时只需调用相应模块输入参数并连接相应模块即可。例如暖通常用的水-水热泵、水-空气热泵、地埋管、冷却塔、太阳能、蓄冷蓄热装置等均能方便地找到并使用。

TRNSYS软件应用广泛，可以对多种系统进行动态模拟［30］。

TRNSYS由一系列的软件构成，主要有Trnsys Studio，TRNBuild，TRNEdit，TRNOPT等，本文主要在Trnsys Studio平台上建立混合式地源热泵系统模型［31］。

2.TRNSYS中关于混合式地源热泵系统的主要模块

（1）热泵机组模块。本文模拟选用的热泵机组模块是Type668，它是一个水-水热泵模型，从一种流体中提取热量，然后释放到另外一种流体中。图2-6为该热泵机组的原理示意图。Type668配备了制热和制冷两个控制信号。在加热信号下，如果热泵设置在“on，则Type668将调入带有输入量和负载流体的Trnsys数据子程序。数据程序将执行加热运行文件并且传回机械加热量和耗功。

热泵在加热工况下的COP值为

制热工况下流体从源侧中吸取的热量为

源侧与负荷侧流体出口温度的关系为

式中:COP为热泵制热效率；Capheating为在当前条件下的制热能力，kJ/h；Pheating为加热模型中加热功率，kJ/h；Qabsorbed为加热模型中热泵吸收的热量，kJ/h；Tsource，in为进入源侧的流体温度，℃；Tsource，out为源侧出口的流体温度，℃；msource为在源侧的流体的质量流量，kJ/ h；Cpsource为源侧流体的比热容，kJ/（kg·K）。

启动时，热泵在加热和制冷工况下运行大致相同，制冷工况下首先调用TRNSYS子程序（包括环境侧信息和流体信息），DATA程序打开，制冷性能数据文件（用户在输入文件时写入长整型数据）计算结果为热泵制冷量和耗功量。

热泵机组在模拟计算时大部分时间是在部分负荷状态下运行，热泵机组的能耗是部分负荷下热泵机组的能耗。热泵的部分负荷特性是指热泵运行负荷比率fQ与运行功率比率fW之比。蒸发器和冷凝器进出口水温都会对其产生影响。

（2）垂直单U地埋管换热器模块。本文选用Type557a，该程序模拟了一个与土壤进行直接热交换的垂直埋管土壤换热器。它既可模拟U型管也可模拟套管式换热器。循环液流经埋管将热量传递给土壤（制冷工况下）或从土壤中吸热（加热工况下）。假设地埋管换热器被均匀放置于一个圆柱形存储区域，管内部存在对流换热，管子与周围土壤存在导热。土壤中某一时刻的温度由全局温度、局部温度和稳流温度三部分叠加得到。全局温度和局部温度的求解采用有限差分方法，稳流温度的求解采用解析法。

（3）冷却塔模块。本文选用Type51b，冷却塔模型为一个闭式水冷式冷却塔模型，即通过冷却盘管外部的冷却水蒸发吸热带走冷却盘管里流体的热量［32］。该模型需要用户提供设计工况的相关参数，然后计算设备的运行能耗。这个模型假定空气饱和温度、空气-水的临界面温度和水出口温度三者相等［33］。设计工况下冷却塔出口的水温、设计工况下空气和水的流量的额定值和设计工况下的入口空气参数都需要用户作为常数输入。

2.3.2　基于TRNSYS软件的混合式地源热泵系统模拟

1.建模选用的模块

（1）气象参数（TYPE109）。

（2）全年动态负荷读入（TYPE33）。

（3）供冷信号控制（TYPE14l）。

（4）供热信号控制（TYPE14k）。

（5）用户自定义模块（Type205）。

（6）焓湿图（TYPE33）。

（7）水—水源热泵（TYPE668）。

（8）水泵（TYPE742）。

（9）冷却塔（TYPE51）。

（10）板式换热器（TYPE5）。

（11）地埋管（TYPE557）。

（12）负荷转换模块（TYPE682）。

（13）分水器（TYPE647）。

（14）集水器（TYPE649）。

（15）差分控制器（TYPE2b）。

（16）数据读入延时模块（TYPE661）。

（17）方程式。

（18）自编辑信号处理模块（TYPE256）。

（19）显示器（TYPE65c）。

（20）积分模块（TYPE24）。

（21）打印模块（TYPE25c）。

2.建立混合式地源热泵系统模型

在TRNSYS-studio平台上建立混合式地源热泵系统模型，模型图见图2-7，负荷读取基于Dest软件的全年动态负荷模拟计算的全年动态负荷，水—水热泵机组、冷却塔、板式换热器、地埋管换热器、水泵等相关参数取自在混合式地源热泵系统设计时所选相关设备的性能参数。制冷信号输入的时间为6月1日到9月30日，制热信号输入的时间为12月1日到次年3月31日，运行时间为一年，模拟计算步长为1h，模拟时设定热泵机组负荷侧进口水温夏季为12℃，冬季为40℃。由于下一章ANN及ANFIS模型仅针对制冷工况，所以本章仅分析夏季工况。

各累计冷热负荷比对应模型的冷却塔和地埋管等模块参数参照ANFIS模型的建立。

本系统模拟运行过程如下:

（1）负荷数据处理，读入当前步长下的建筑物负荷。制冷、供热控制信号对建筑负荷做预处理，将非空调期的建筑物负荷设置为零。通过方程运算把空调期冷负荷设置为正值，热负荷设置为负值。

（2）信号处理模块依据负荷正负确定热泵机组处于制冷还是制热工作状态。热泵机组根据源侧主水泵给出的温度信号、流量和用户侧热泵进口温度输出机组能效系数；其中主水泵流量信号由方程模块计算得到。

（3）根据机组能效系数，通过方程将建筑负荷转换成冷热源吸收或者排放的热量。

（4）负荷转换模块根据源侧主水泵给出的流量和温度信号，结合建筑负荷计算出热泵机组进口流体温度。

（5）分水器读入上一步长热泵机组出口流体温度信号，并接收到方程式计算的冷热源侧的冬夏流量数据，然后传递给地埋管和板式换热器。

（6）板式换热器和地埋管换热后流量和温度信号传递给集水器，由集水器再给主水泵信号，从而完成一个循环。

3.模拟结果分析

热泵机组冷凝器进出口水温见图2-8，热泵机组蒸发器出口水温见图2-9，热泵机组夏季COP值见图2-10，地源热泵系统COP值见图2-11。

本文所建ANN及ANFIS模型仅针对制冷工况，所以只对夏季模拟结果进行分析。由图2-8可知，夏季热泵机组冷凝器进水温度最大值为38℃，最小值为21℃，夏季热泵机组冷凝器出水温度最大值为41.4℃，最小值为21.4℃。夏季机组冷凝器侧供回水最大温差为7.4℃，最小温差为0.1℃，平均为2.39℃，其中供回水温差90%以上位于1～4℃。温差小于1℃的时刻大部分在每天的8:00～9:00，而温差较大的时刻大部分出现在12:00～14:00。其原因是上午室外温度较低，建筑物负荷较小，而建筑物最大负荷一般出现在全天最热的时段，即下午12:00～14:00。负荷较小时利用的源侧热量就较少，而负荷较大时系统利用源侧的热量较大，所以出现上述现象。

夏季热泵机组蒸发器进口水温恒为12℃（模拟时设定）。由图2-9可知热泵机组蒸发器侧出口水温最大为9.2℃，最小为8.4℃，平均为8.7℃。机组COP机组·max为5.2，COP机组·min为2.98，COP机组·av为4.03。系统COP系统.max为4.76，COP系统·min为2.87，COP系统·av为3.76。模拟结果均在合理范围内。

在制冷季节，6～8月，热泵机组冷凝器进出口水温和热泵机组蒸发器出口水温均呈上升趋势，与环境温度同步。同等条件下随着地埋管换热器出口水温的升高，空调制冷量逐渐降低，耗功量逐渐升高，COP随着地埋管换热器的出口水温升高而降低，所以可以看到在此时间段内热泵机组的制冷量呈上升趋势而热泵机组COP和地源热泵系统COP均呈下降趋势。到9月，热泵机组源侧进出口水温和热泵机组负荷侧出口水温有了明显的下降，与环境温度同步。同等条件下随着地埋管换热器出口水温的降低，空调制冷量逐渐升高，耗功量逐渐降低，COP随着地埋管换热器的出口水温降低而升高，所以可以看到在此时间段内热泵机组COP和地源热泵系统COP均呈上升趋势。