基于TRNSYS的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型及建模方法与流程

本发明涉及跨季节蓄热太阳能供暖系统建模仿真技术领域，具体地说，涉及的是一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型及建模方法。

背景技术：

太阳能跨季节蓄热是解决太阳能集中供暖资源季节不平衡性问题的有效技术途径之一，具有明显的节能效益和环保效益。水池蓄热是工程中常用的太阳能跨季节蓄热方式，具有对地质条件要求小、蓄热密度高、施工简单、维护成本少等优点。长短期耦合蓄热太阳能供暖系统将长期蓄热水池与短期蓄热水箱先后单独作为供暖热源向用户供暖。该系统在供暖末期长期蓄热水池供水温度较低时，由短期蓄热水箱向用户供暖，使太阳能供暖系统的供水温度维持在较高范围，从而提高系统能源利用率和太阳能保证率。但是，在实际工程中，长短期耦合蓄热太阳能供暖系统规模一般较大，原型实验困难较大且相对于仿真耗时长、费用高，因此，目前缺少实际运行数据，导致该系统的优化设计和性能预测都具有一定困难。利用模拟进行不同工况、不同部件参数的多次实验，有助于解决长短期耦合蓄热系统在优化设计和性能分析的问题。

trnsys是一个由威斯康星大学的太阳能研究室设计的瞬态仿真系统，它可以模拟多种系统包括：太阳能光热系统，蓄热蓄冷系统、水源热泵系统等。使用者可通过选择其中设定好的众多部件型号进行系统搭建，根据需要建立连接以及编写控制方程。其计算方式灵活，可任意设定运算步长、运行时间等并输出图形和数据两种形式结果；trnsys还可以与energyplus、matlab等建立链接，方便用户进行数据交换。

经对现有技术的公开文献检索发现，张广宇等人在《暖通空调》中发表文章“太阳能季节蓄热供暖系统蓄热水箱的研究与模拟计算”，应用trnsys对跨季节埋地水箱蓄热系统的长期运行特性进行模拟，分析了系统能量平衡关系，以散热率和散热量为目标函数对系统的外保温层厚度和水箱容积进行优化设计；peter在《energy》上发表文章“simulationmethodforapitseasonalthermalenergystoragesystemwithaheatpumpinadistrictheatingsystem”，针对dronninglund地区实际运行的以水源热泵为辅助热源的跨季节水池蓄热系统提出了模型建立方法，模拟了全年时间内该系统的运行性能，包括逐时水池顶部水温、底部水温以及热量损失，通过实测数据验证得出模拟结果与实际运行情况相符合。上述文章都利用trnsys软件对跨季节太阳能蓄热系统进行了模拟分析，但一方面缺乏在用户热负荷动态变化条件下系统供热量的运行调节；另一方面系统形式局限于单一蓄热水池系统，缺乏针对长期和短期耦合蓄热的模拟工况。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统及建模方法，根据长期蓄热水池或短期蓄热水箱出口水温选择不同的蓄热和供暖方式，并根据动态建筑热负荷调节供热量，以提高系统太阳能利用率和保证率。

本发明利用trnsys软件进行逐时仿真，为长短期耦合蓄热工况下的太阳能供暖系统的设计、优化提供依据。

本发明的技术方案：

一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型，包括集热子系统、储热子系统、供暖子系统和控制系统；

(1)集热子系统包括：气象参数部分和集热器部分；

气象参数与集热器相连，将气象参数传递到集热器；

(2)储热子系统包括：集热器部分、短期蓄热水箱部分、长期蓄热水池部分、土壤温度部分和温差控制器部分；

将气象参数导入集热器，集热器出口连接短期蓄热水箱内换热器，水箱换热器出口经过水箱集热水泵连回至集热器，气象参数将室外温度传递到短期蓄热水箱外壁面；短期蓄热水箱出口连接长期蓄热水池内换热器，水池换热器出口经过水池集热水泵连回短期蓄热水箱，土壤温度传递到长期蓄热水池外壁面；温差控制器部分包括水箱温差控制器和水池温差控制器，其中，水箱温差控制器控制水箱集热水泵启停，水池温差控制器将输出信号传递至水泵、阀门控制器；

(3)供暖子系统包括：水源热泵部分、供暖换热器部分、供暖负荷部分、水泵与阀门部分和供暖期部分；

在系统的供水管路中：

短期蓄热水箱和长期蓄热水池出口分别通过水箱供暖水泵和水池供暖水泵连接供水混流阀1，再通过供水分流阀切换三种供暖方式；供水分流阀设置三个出口，分别连接一个直接供暖水泵和两个热源侧水泵；两个热源侧水泵分别与供暖换热器和水源热泵相连；供暖换热器和水源热泵进一步与两个负荷侧水泵连接；直接供暖水泵和负荷侧水泵出口连接通过供水混流阀2与供暖负荷连接；供暖负荷的参数通过负荷加载文件部件进行传递；

在系统的回水管路中：

供暖负荷连接至回水分流阀1，回水分流阀1设置三个分支，分别连接供暖换热器、回水混流阀和水源热泵，其中水源热泵和供暖换热器进一步连接至回水混流阀，最后通过回水分流阀2连回短期蓄热水箱和长期蓄热水池；

(4)控制子系统包括：水泵与阀门部分、供暖期部分、水泵、阀门运行控制计算器部分和结果输出部分；

供暖期时间、短期储热水池出水温度、长期蓄热水池出水温度、供水混流阀出水温度、负荷加载文件输出供暖热负荷参数传递到水泵、阀门控制计算器，然后通过运行逻辑公式输出结果控制水池集热水泵启停、水箱供暖水泵启停、水池供暖水泵启停、热源测水泵启停、直接供暖水泵启停及流量、负荷侧水泵启停及流量、供水分流阀方向切换和回水分流阀方向切换；

其中：

所述气象参数部分用于设置气象参数；

所述太阳能集热器部分用于设定太阳能集热器面积以及集热器效率；

所述短期蓄热水箱部分用于设定容积和外壁面温度；

所述长期蓄热水池部分用于设定容积和外壁面温度；

所述土壤温度部分用于设定土壤深度；

所述温差控制器部分包括水箱温差控制器和水池温差控制器，其中水箱温差控制器用于设定水箱水泵启停水池温差，控制器用于根据水箱出口水温与水池底部水温温差输出开启或关闭命令；

所述水源热泵部分用于设定水源热泵额定制热量；

所述供暖换热器部分用于设定供暖换热器效率；

所述供暖负荷部分用于设定系统供暖热负荷；

所述水泵与阀门部分用于设定水泵流量及阀门开关；

所述供暖期部分用于设置供暖时间；

所述水泵、阀门运行控制计算器部分用于设定水泵与阀门的启停；

所述结果输出部分用于包括图形输出与数据输出，用于设定输出参数。

一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型的建模方法，包括如下步骤：

步骤s1，设定气象参数部分；其中所使用的气象参数文件从energyplus网站获取；

步骤s2，设定太阳能集热器部分；其中太阳能集热器面积通过太阳辐照量、太阳能保证率、当地采暖期天数和季节蓄热系统效率确定，太阳能集热器效率通过产品参数确定；

步骤s3，设定短期蓄热水箱部分；其中水箱容积通过集热器面积与水箱容积的比例来确定，外壁面温度设定为环境温度；

步骤s4，设定长期蓄热水池部分；其中水池容积通过集热器面积与水箱容积的比例来确定，外壁面温度设定为土壤温度；

步骤s5，设定土壤温度部分，其中土壤温度根据所处土壤深度确定，土壤深度根据长期蓄热水池地下埋藏深度和水池高度设定；

步骤s6，设定温差控制器部分，其中温差控制开启器的控制方程如下：

当温差控制器先前处于开启状态，则

当温差控制器先前处于关闭状态，则

其中，γ0为输出信号，th为高温输入，tl为低温输入，δth为死区上限，δtl为死区下限，0表示关闭命令，1表示开启命令；

步骤s7，设定水源热泵部分；其中水源热泵额定制热量由最大供暖热负荷确定；

步骤s8，设定供暖换热器部分；其中供暖换热器效率根据产品参数确定；

步骤s9，设定供暖负荷部分；其中供暖热负荷由dest软件模拟后作为外部文件导入；

步骤s10，设定水泵与阀门部分；其中水箱集热水泵和水池集热水泵流量根据太阳能集热器面积与工质的单位面积流量确定，供暖水泵流量根据供暖热负荷大小及设计供回水温差确定，阀门开关由水泵、阀门运行控制计算器部分控制；

步骤s11，设置供暖期部分；其中供暖期根据模拟地区供暖时间确定；

步骤s12，设定水泵、阀门运行控制计算器部分；其中水池集热水泵启停根据温差和供暖期控制。水箱供暖水泵和水池供暖水泵启停根据长期蓄热水池供暖出口水温和逐时热负荷确定。

(1)水池集热水泵开启条件：非供暖期且水池集热温差部件输出开启命令；

(2)水池供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool＞20℃；

(3)水箱供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool≤20℃；

供水分流阀设置三个出口方向，各方向开关根据供水混流阀1出口水温决定；供水分流阀三个出口方向分别通向供暖换热器管路、直接供暖管路和水源热泵辅助供暖管路：

(4)供水分流阀方向1、供暖换热器热源测水泵和换热器负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg≥60℃；

(5)供水分流阀方向2及直接供暖水泵开启条件：qload＞0且40℃≤tg＜60℃；

(6)供水分流阀方向3、水源热泵热源测水泵和负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg＜40℃

回水分流阀1设置三个出口方向，其开启条件分别与供水分流阀三个方向对应相同；回水分流阀2设置两个出口方向，其开启条件分别与水箱供暖水泵开启条件和水池供暖水泵开启条件对应相同。

其中，qload为供暖负荷，tpool为长期蓄热水池供暖出口温度，tg为供水混水阀1出口温度；

步骤s13，设定结果输出部分；其中数据表征量为集热器全年有效集热量、短期蓄热水箱与长期蓄热水池全年供暖温度、蓄热量及供热量；

优选地，所述步骤s2中，所述集热器面积根据季节蓄热直接系统集热器总面积、集热器总热损失系数、换热器传热系数、间接系统换热器换热面积确定的表达式为：

其中，ain为间接系统集热器总面积，m²；ac为直接系统集热器总面积，m²；ul为集热器总热损失系数，取1.758w/(m²·℃)；uhx换热器传热系数，取3w/(m²·℃)；ahx间接系统换热器换热面积，m²；

所述季节蓄热直接系统集热器总面积根据当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量、太阳能保证率、当地采暖期天数和季节蓄热系统效率确定的表达式为：

其中，ac季节蓄热直接系统集热器总面积，m²；qj为集热系统设计热负荷，w；f为太阳能保证率，％；ds为当地采暖期天数，d；ja为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，j/(m²·d)；ηcd为集热器平均效率，取0.65；ηl为管路热损失率，取0.04；ηs为季节蓄热系统效率，取0.7；

优选地，所述步骤s3中，换热器的面积根据换热量、换热器传热系数、结构影响系数、管路热损失率和传热温差确定的表达式为：

其中，ahx为间接系统热交换器换热面积，m²；ηl为管路热损失率，取0.04；qhx为热交换器换热量，w，ε为结垢影响系数，取0.8；uhx为热交换器传热系数，w/(m²·℃)；δtj为传热温差，℃；

优选地，所述步骤s10中，集热水泵流量根据集热器面积确定的表达式为：

gs＝ga

其中，gs集热水泵流量，kg/h；a为集热器面积，m²；g为太阳能集热器工质的单位面积流量，取21kg/h·m²；

所述步骤s10中，供暖水泵流量根据建筑逐时热负荷、设计供回水温差确定的表达式为：

其中，g为水泵流量，kg/h；q为建筑热负荷，w；δt为设计供、回水温温差，℃；c为水的比热容，j/(kg·℃)；

所述步骤s2中，系统太阳能保证率的表达式为：

其中，η为太阳能保证率，％；qs为太阳能供给热量，w；qj为太阳能集热系统设计负荷，w。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用trnsys软件设计了长短期耦合蓄热跨季节太阳能供暖系统。尤其是对其根据长期蓄热水池和短期蓄热水箱供暖出口水温切换运行模式，根据动态建筑热负荷调节供热量进行建模仿真的方法。结果显示本发明提供的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统的模拟结果与实际运行情况吻合良好。

(2)本发明提供长短期耦合蓄热太阳能供暖系统的设计、优化以及性能评估提供了有力依据。

附图说明

图1(a)为本发明中系统仿真模型供水原理示意图；

图1(b)为本发明中系统仿真模型回水原理示意图；

图2为集热器全年有效集热量图；

图3为非供暖期蓄热水箱、水池用户侧出水温度及逐时供热量图；

图4为供暖期蓄热水箱、水池用户侧出水温度及逐时供热量图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型及建模方法，根据本发明的一个方面，提供了一种基于trnsys的长短期耦合蓄热太阳能供暖系统模型，基于trnsys平台设计，包括气象参数部分、太阳能集热器部分、短期蓄热水箱部分、长期蓄热水池部分、土壤温度部分、温差控制器部分、水源热泵部分、供暖换热器部分、供暖负荷部分、水泵与阀门部分、供暖期部分、水泵和阀门运行控制计算器部分和结果输出部分；其中：

所述气象参数部分用于设置气象参数；

所述太阳能集热器部分用于设定太阳能集热器面积以及集热器效率；

所述短期蓄热水箱部分用于设定容积和外壁面温度；

所述长期蓄热水池部分用于设定容积和外壁面温度；

所述土壤温度部分用于设定土壤深度；

所述温差控制器部分包括水箱温差控制器和水池温差控制器，其中水箱温差控制器用于设定水箱水泵启停水池温差控制器用于根据水箱出口水温与水池底部水温温差输出开启或关闭命令；

所述水源热泵部分用于设定水源热泵额定制热量；

所述供暖换热器部分用于设定供暖换热器效率；

所述供暖负荷部分用于设定系统供暖热负荷；

所述水泵与阀门部分用于设定水泵流量及阀门开关；

所述供暖期部分用于设置供暖时间；

所述水泵、阀门运行控制计算器部分用于设定水泵与阀门的启停；

所述结果输出部分用于包括图形输出与数据输出，用于设定输出参数；

相应的，建模方法包括如下13个步骤：

步骤s1，设定气象参数部分；其中所使用的气象参数文件从energyplus网站获取；

步骤s2，设定太阳能集热器部分；其中太阳能集热器面积通过太阳辐照量、太阳能保证率、当地采暖期天数和季节蓄热系统效率确定，太阳能集热器效率通过产品参数确定；

步骤s3，设定短期蓄热水箱部分；其中水箱容积通过集热器面积与水箱容积的比例确定，外壁面温度设定为环境温度；

步骤s4，设定长期蓄热水池部分；其中水箱容积通过集热器面积与水箱容积的比例确定，外壁面温度设定为土壤温度；

步骤s5，设定土壤温度部分，其中土壤温度根据所处土壤深度确定，土壤深度根据长期蓄热水池地下埋藏深度和水池高度设定；

步骤s6，设定温差控制器部分，其中温差控制开启器的控制方程如下：

当温差控制器先前处于开启状态，则

当温差控制器先前处于关闭状态，则

其中，γ0为输出信号，th为高温输入，tl为低温输入，δth为死区上限，δtl为死区下限，0表示关闭命令，1表示开启命令；

步骤s7，设定水源热泵部分；其中水源热泵额定制热量由最大供暖热负荷确定；

步骤s8，设定供暖换热器部分；其中供暖换热器效率根据产品参数确定；

步骤s9，设定供暖负荷部分；其中供暖热负荷由dest软件模拟后作为外部文件导入，供暖模式为间歇供暖，供暖时间为0:00～7:00和17:00～24:00；

步骤s10，设定水泵与阀门部分；其中水箱集热水泵和水池集热水泵流量根据太阳能集热器面积与工质的单位面积流量确定，供暖水泵流量根据供暖热负荷大小及设计供回水温差确定，阀门开关由水泵、阀门运行控制计算器部分控制；

步骤s11，设置供暖期部分；其中供暖期根据模拟地区供暖时间确定；

步骤s12，设定水泵、阀门运行控制计算器部分；其中水池集热水泵启停根据温差和供暖期控制。水箱供暖水泵和水池供暖水泵启停根据长期蓄热水池供暖出口水温和逐时热负荷确定。

(1)水池集热水泵开启条件：非供暖期且水池集热温差部件输出开启命令；

(2)水池供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool＞20℃；

(3)水箱供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool≤20℃；

供水分流阀设置三个出口方向，各方向开关根据供水混流阀1出口水温决定；供水分流阀三个出口方向分别通向供暖换热器管路、直接供暖管路和水源热泵辅助供暖管路：

(4)供水分流阀方向1、供暖换热器热源测水泵和换热器负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg≥60℃；

(5)供水分流阀方向2及直接供暖水泵开启条件：qload＞0且40℃≤tg＜60℃；

(6)供水分流阀方向3、水源热泵热源测水泵和负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg＜40℃

回水分流阀1设置三个出口方向，其开启条件分别与供水分流阀三个方向对应相同；回水分流阀2设置两个出口方向，其开启条件分别与水箱供暖水泵开启条件和水池供暖水泵开启条件对应相同。

其中，qload为供暖负荷，tpool为长期蓄热水池供暖出口温度，tg为供水混水阀1出口温度；

步骤s13，设定结果输出部分；其中数据表征量为集热器全年有效集热量、短期蓄热水箱与长期蓄热水池全年供暖温度、蓄热量及供热量。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

图1依照山东潍坊某长短期耦合跨季节太阳能水蓄热供暖系统的仿真模型。建立该系统包括气象参数部分、太阳能集热器部分、短期蓄热水箱部分、长期蓄热水池部分、土壤温度部分、温差控制器部分、水源热泵部分、供暖换热器部分、供暖负荷部分、水泵与阀门部分、水泵、阀门运行控制计算器部分和结果输出部分。

具体的建模过程也按照以下13个步骤进行：

步骤s1，设定气象参数部分；其中所使用的气象参数文件从energyplus网站获取；

步骤s2，设定太阳能集热器部分；其中集热器面积根据当地集热器采光面上的太阳辐照量、太阳能保证率、当地采暖期天数和季节蓄热系统效率计算得为6435m²，集热器效率设定为0.65；

步骤s3，设定短期蓄热水箱部分；其中水箱容积根据集热器面积与水箱容积的比例确定，单位集热器面积所需水箱容积0.28m³/m²，外壁面温度设定为环境温度；

步骤s4，设定长期蓄热水池部分；其中水池容积根据集热器面积与水箱容积的比例确定，单位集热器面积所需水箱容积1.5m³/m²，外壁面温度设定为土壤温度；

步骤s5，设定土壤温度部分，其中土壤温度根据所处土壤深度确定，土壤深度根据长期蓄热水池地下埋藏深度和水池高度设定，设置埋藏深度为1m，水池高度为5m；

步骤s6，设定温差控制器部分，其中温差控制开启器的控制方程如下：

当温差控制器先前处于开启状态，则

当温差控制器先前处于关闭状态，则

其中，γ0为输出信号，th为高温输入，tl为低温输入，δth为死区上限，δtl为死区下限，0表示关闭命令，1表示开启命令；对于水箱温差控制器，高温输入为集热器出口温度，低温输入为水箱底部温度，死区上限为5℃，死区下限为2℃；对于水池温差控制器，高温输入为水箱出口温度，低温输入为水池底部温度，死区上限为1℃，死区下限为0℃；

步骤s7，设定水源热泵部分；其中水源热泵额定制热量根据最大供暖热负荷设定为5105002kj/h；

步骤s8，设定供暖换热器部分；其中供暖换热器效率设定为0.6；

步骤s9，设定供暖负荷部分；其中供暖热负荷由dest软件模拟后作为外部文件导入，供暖模式为间歇供暖，供暖时间为0:00～7:00和17:00～24:00；

步骤s10，设定水泵与阀门部分；其中水箱集热水泵和水池集热水泵流量根据太阳能集热器面积与工质的单位面积流量确定，单位集热器面积所需循环水泵流量21kg/h。供暖水泵流量根据供暖热负荷大小及设计供回水温差确定，阀门开关由水泵、阀门运行控制计算器部分控制；

步骤s11，设置供暖期部分；供暖时间为11月15日至次年3月15日；

步骤s12，设定水泵、阀门运行控制计算器部分；其中水池集热水泵启停根据温差和供暖期控制。水箱供暖水泵和水池供暖水泵启停根据长期蓄热水池供暖出口水温和逐时热负荷确定。

(1)水池集热水泵开启条件：非供暖期且水池集热温差部件输出开启命令；

(2)水池供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool＞20℃；

(3)水箱供暖水泵开启条件：qload＞0且tpool≤20℃；

供水分流阀设置三个出口方向，各方向开关根据供水混流阀1出口水温决定；供水分流阀三个出口方向分别通向供暖换热器管路、直接供暖管路和水源热泵辅助供暖管路：

(4)供水分流阀方向1、供暖换热器热源测水泵和换热器负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg≥60℃；

(5)供水分流阀方向2及直接供暖水泵开启条件：qload＞0且40℃≤tg＜60℃；

(6)供水分流阀方向3、水源热泵热源测水泵和负荷侧水泵开启条件：qload＞0且tg＜40℃

回水分流阀1设置三个出口方向，其开启条件分别与供水分流阀三个方向对应相同；回水分流阀2设置两个出口方向，其开启条件分别与水箱供暖水泵开启条件和水池供暖水泵开启条件对应相同。

其中，qload为供暖负荷，tpool为长期蓄热水池供暖出口温度，tg为供水混水阀1出口温度；

步骤s13，设定结果输出部分；其中数据表征量为集热器全年有效集热量、短期蓄热水箱与长期蓄热水池全年供暖温度、蓄热量及供热量。