一种基于TRNSYS变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法

一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法
技术领域
1.本发明涉及一种太阳能地源热泵系统建模仿真技术领域，具体地说，涉及的是一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法。


背景技术：

2.单纯利用太阳能进行供暖无法满足用户供暖需求，特别是在阴雨天和夜晚，太阳能的供热效率低下。地热能的加入克服了由于太阳能的不稳定性和间接性所带来的影响,太阳能结合地热能可以有效解决地源热泵在长时间运行下地下土壤冷热不均匀的问题。太阳能地源热泵系统仿真模拟，能够方便地进行不同工况下整个系统的运行研究，与实际系统的实验研究相比较，具有很大优势。trnsys模拟仿真软件由多个仿真模块组成，每个模块部件代表实际不同设备，将各个模块进行参数设定并建立各个模块的数据传输连接，根据实际项目运行原理图及参数输入相对应模块就可以建立起整个仿真系统，模拟实际运行效果从而进行仿真分析。现有文献中检索发现，王建华等人在《洁净与空调技术》中发表文章“寒冷地区太阳能与地源热泵复合系统的应用分析”，利用trnsys软件分析了系统不同运行工况，通过模拟结果证实了该系统的可行性及太阳能与地源热泵的结合在夏季和过渡季对地下进行补热可以有效解决土壤热失衡的问题；冯国会等人在《暖通空调》中发表文章“严寒地区太阳能跨季节蓄热-地源热泵耦合系统性能研究”，文中用trnsys软件通过分析比较太阳能地源热泵耦合系统与太阳能跨季节蓄热-地源热泵耦合系统得出在跨季节蓄热模式下系统性能cop更优。上述文章都利用了trnsys模拟仿真软件对太阳能地源热泵系统进行了仿真分析，但现有文献仿真研究多数采用定流量分析研究缺乏对跨季节太阳能地源热泵系统在负荷侧与地源侧同时变流量下的仿真研究。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，利用trnsys软件对太阳能地源热泵系统进行逐时模拟仿真，根据用户末端不同负荷需求提供不同的系统运行控制策略，为系统的设计和优化提供依据。
4.本发明解决该技术问题所采用的技术方案包括一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，包括：太阳能集热器部分、热泵机组部分、蓄热水箱部分、负荷侧部分、地源侧部分、循环水泵部分、控制器部分、结果输出部分；其中：
5.所述气象参数部分用于设定所研究区域气象参数；
6.所述太阳能集热器部分用于设定太阳能集热器面积大小；
7.所述热泵机组部分用于设定热泵机组额定制冷、制热量、机组蒸发器和冷凝器流量；
8.所述蓄热水箱部分用于设定水箱体积；
9.所述负荷侧部分用于设定负荷文件；
10.所述地源侧部分用于设定地埋管数量和钻孔深度；
11.所述循环水泵部分用于设定水泵流量、流体比热和流体密度；
12.所述控制器部分用于设定温差控制、恒温控制、供暖模式切换控制；
13.所述结果输出部分用于输出全年太阳逐时水平辐射强度、全年水泵运行能耗与热泵机组运行能耗累加值。
14.一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，包含如下步骤：
15.步骤s1，建立气象参数模块并导入所研究区域tm2格式的气象参数文件；
16.步骤s2，建立太阳能集热器模块，太阳能集热器面积由目标建筑实际冷热负荷、太阳能保证率、集热效率、当地每日平均太阳辐射量、水箱和管道热损失率确定，其中太阳能集热器拦截效率、负的一阶、二阶效率由产品参数确定；
17.步骤s3，建立蓄热水箱模块，蓄热水箱体积根据太阳能集热器面积按比例进行设定；
18.步骤s4，建立负荷侧模块，负荷侧模块与外部负荷文件相连，用于加载外部负荷文件，对文件中的负荷数据进行读取；
19.步骤s5，建立地埋管换热器模块，钻孔数由地埋管长度和钻孔深度确定；土壤热物性参数由热响应实验确定；
20.步骤s6，建立循环水泵模块，水泵流量由建筑负荷确定，功率、转速、及设备型号由设备本身参数确定；
21.步骤s7，建立控制器模块，控制器模块对整个系统运行进行控制，控制器包含恒温控制器、温差控制器、阀门启停及水泵启停控制器，通过各控制策略实现系统在供暖季或非供暖季下不同供暖模式的切换运行，其中变频水泵的控制方法采用温差控制法；系统运行模式包含太阳能直供模式、地源热泵单独供暖模式、太阳能联合地源热泵供暖模式及非采暖季向地下土壤补热模式四种运行模式；
22.步骤s8，建立输出模块，输出图像数据；
23.上述一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，所用部件是本技术领域的技术人员所熟知的，均通过公知的途径获得。所述部件的连接方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。
24.与现有技术相比，本发明一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法的有益效果是：
25.(1)本发明利用trnsys模拟仿真软件设计了对太阳能地源热泵系统，尤其是对其变水流量控制运行的模拟仿真方法，仿真结果与太阳能地源热泵系统的实际运行情况吻合良好，误差较小，充分展示了整个系统运行情况。系统地源侧与负荷侧经变水流量控制后，系统性能系数较原定水流量系统运行性能更优。
26.(2)本发明为太阳能地源热泵系统的设计、优化和评估提供了有力依据。
附图说明
27.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
28.图1为本发明一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法的结构组成示意图。
29.图2为全年水平面太阳辐照强度图。
30.图3为全年循环水泵、热泵机组能耗图。
具体实施方式
31.步骤s1，设定气象参数文件，气象参数由meteonorm8软件中导入；
32.步骤s2，设定太阳能集热器部分，其中太阳能集热器面积根据目标建筑实际负荷、太阳能保证率、集热效率、当地每日平均太阳辐射量、蓄热水箱和管道热损失率确定，其中太阳能集热器拦截效率、负的一阶、二阶效率由产品参数确定；
33.步骤s3，设定热泵机组部分，热泵机组额定制热量和额定制冷量由建筑全年最大冷热负荷确定；
34.步骤s4，设定蓄热水箱部分，水箱体积由太阳能集热器面积确定后按二者比例确定；
35.步骤s5，设定负荷侧部分，负荷文件由dest建筑负荷模拟软件模拟后将负荷数据导入确定；
36.步骤s6，设定地源侧部分，地埋管长度由最大换热量和单位管长换热量确定，其中单位管长换热量由热响应实验获取，钻孔数由地埋管长度和钻孔深度确定；
37.步骤s7，设定循环水泵部分，建筑供暖水泵流量由建筑热负荷和设计供回水温差确定；
38.步骤s8，设定控制器部分，控制器部分由总控制器对系统进行整体控制，总控制器控制恒温控制器、温差控制器、阀门控制器及水泵控制器，实现系统在供暖季或非供暖季不同模式下的切换运行，其中变频水泵采用温差控制法对流量进行控制；系统运行模式包括太阳能直供模式、地源热泵单独供暖模式、太阳能联合地源热泵供暖模式及非采暖季向地下土壤补热四种运行模式；
39.进一步地，当太阳能辐射强度充足时由系统控制器切换成太阳能直供模式，太阳能直供模式由太阳能集热器经合流器1经蓄热水箱经分流器2经合流器2到负荷侧端，回水由负荷侧端经负荷侧变频水泵经分流器3经合流器4经蓄热水箱经分流器1经集热侧循环水泵回到太阳能集热器形成一个完整的太阳能直供循环模式；
40.进一步地，当太阳能辐射强度不充足时由系统控制器控制切换成太阳能联合地源热泵供暖模式，太阳能联合地源热泵供暖模式由循环水经地埋管换热器通过地源侧变频水泵经分流器4经热泵机组经合流器1与太阳能集热器循环水经合流器1通过蓄热水箱经分流器2和合流器2向负荷侧供暖，回水由负荷侧经负荷侧变频水泵经分流器3经合流器4经蓄热水箱经分流器1，分流器1一部分回水经集热侧循环水泵回到太阳能集热器，另一部分回水经机组循环水泵经热泵机组经合流器3回到地埋管换热器形成一个完整的太阳能联合地源热泵供暖循环模式；
41.进一步地，当处于采暖季且地下土壤温度与蓄热水箱出水温度二者温差满足非采暖季地下补热温差控制器和恒温控制器的控制条件时系统开启补热循环模式；非采暖季向地下土壤补热模式中供水由太阳能集热器经合流器1经蓄热水箱经分流器2经合流器3到地埋管换热器对地下土壤进行补热，回水由地埋管换热器经源侧变频水泵经分流器4经合流器4回到蓄热水箱，由蓄热水箱经分流器1经集热侧循环水泵回到太阳能集热器形成一个完
整的非采暖季向地下土壤补热循环模式；
42.步骤s9，设定结果输出部分，其中数据输出的表征量为全年太阳逐时水平辐射强度及全年水泵运行能耗与热泵机组运行能耗累加值。
43.实施例1
44.图1所示实施例表明，本发明一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法包括气象参数部分、太阳能集热器部分、热泵机组部分、蓄热水箱部分、负荷侧部分、地源侧部分、循环水泵部分、控制器部分、结果输出部分；其中：
45.步骤s1，建立气象参数模块，将meteonorm8软件中所含研究区域的气象参数导入到气象参数模块中；
46.步骤s2，建立太阳能集热器模块，将设置好的气象参数模块与太阳能集热器模块相连，根据太阳能集热器面积确定的表达式算出太阳能集热器面积并在集热器模块中进行参数设定；
47.具体地，太阳能集热器面积确定的表达式为：
[0048][0049]
其中，ac为集热器总面积，m2；q
ft
：建筑负荷，kw；f：太阳能保证率，％；j
t
：每日平均太阳辐射量j/(m2·
d)；η
cq
：平均集热效率；η
l
：各管道与水箱的热损失率；
[0050]
步骤s3，建立热泵机组模块，根据建筑实际最大冷热负荷进行机组选型，确定机组额定制冷量、额定制热量、名义cop，并在热泵机组模块中进行参数设定；
[0051]
步骤s4，建立蓄热水箱模块，根据确定的太阳能集热器面积按二者比例确定蓄热水箱体积，设置好的蓄热水箱模块与热泵机组模块、太阳能集热器模块相连；
[0052]
步骤s5，建立负荷侧模块，利用dest建筑能耗模拟软件算出的建筑全年逐时动态负荷文件导入到负荷加载文件中，利用负荷侧模块对导入的全年动态负荷文件进行加载，并与蓄热水箱模块相连；
[0053]
步骤s6，建立地埋管换热器模块，设置钻孔数量和钻孔深度，其中钻孔数量由地埋管长度、埋管方式、和钻孔深度确定，土壤热物性参数由热响应实验确定；
[0054]
具体地，地埋管长度由最大换热量和单位管长换热量确定的表达式为：
[0055][0056]
其中，l表示地埋管总长度，m；q
max
为最大换热量，kw；q为单位管长换热量，w/m；
[0057]
最大换热量由建筑负荷确定的表达式为：
[0058][0059][0060][0061]
其中，eer为名义制冷能效比；cop为名义制热能效比；为地埋管放热量，kw；为地埋管吸热量，kw；为建筑逐时冷负荷，kw；为建筑逐时热负荷，kw；
[0062]
钻孔数由地埋管长度、埋管方式、及钻孔深度确定的表达式为：
[0063][0064]
其中，n为地埋管钻孔数量，个；l为地埋管长度，m；n为使用单u或双u管类型，取单u时n＝2取双u时n＝4；l为地埋管钻孔深度，m；
[0065]
步骤s7，建立循环水泵模块，供暖水泵流量由建筑热负荷和设计供回水温差确定，设置好的循环水泵模块与用户侧模块、热泵机组模块、地埋管换热器模块、太阳能集热器模块、蓄热水箱模块进行连接，构成集热环路与供暖环路；
[0066]
具体地，供暖水泵流量由建筑热负荷和设计供回水温差确定的表达式为：
[0067][0068]
其中g为水泵流量，kg/h；qz为建筑热负荷，w；δt为供暖末端设计供回水温差，℃；c为流体比热容，j/(kg
·
℃)。
[0069]
步骤s8，建立控制器模块，其中，总控制器控制恒温控制器、温差控制器、阀门启停及水泵启停控制器，实现系统在供暖季或非供暖季不同模式下的切换运行,其中变频水泵控制采用温差控制法；系统运行模式包括太阳能直供模式、地源热泵单独供暖模式、太阳能联合地源热泵供暖模式及非采暖季向地下土壤补热四种运行模式；
[0070]
集热侧循环水泵启停控制条件为比较太阳能集热器出水温度与水箱底部出水温度，当二者温度大于某温度设定上限值例如8℃，集热侧循环水泵开启，当二者温差小于某设定温度下限值例如2℃，则集热侧循环水泵关闭；恒温控制器用来对水箱出水进行控制,当用户侧有供暖需求且水箱出水温度达到设定出水温度例如45℃时，水箱出水向末端供暖，供暖一段时间当水箱出水温度低于某设定温度时停止；非采暖季，系统切换到非采暖季控制模式，此时热泵机组关闭，利用太阳能对地下土壤进行补热，通过比较水箱出水温度与土壤温度二者差值，当二者温差大于某设定温度上限值例如10℃时，系统开启补热，当二者温差低于某设定温度下限值例如5℃，停止补热；在采暖季当太阳能充足时，采用太阳能直供模式，由太阳能经蓄热水箱直供到用户末端；在阴雨天或晚上太阳能无法提供热量时，采用地源热泵单独供暖模式，由地热能经热泵机组加热后经蓄热水箱供到用户末端；在采暖季太阳能不充分时，且蓄热水箱出水温度低于供暖需求温度例如45℃时，系统切换到太阳能联合地源热泵供暖模式；变频水泵启停控制采用温差控制法，负荷侧通过供回水温差与设定温差1进行比较，地源侧通过源侧温差与设定温差2进行比较；通过比较分析各自二者偏差值对负荷侧和源侧变频水泵进行变速调节运行，从而控制变频水泵出水流量；若二者温差比较差值为正则水泵转速增大，流量增加，二者温差比较差值为负则水泵转速增小，流量减小，二者温差比较差值为0，则循环水泵保持转速不变。例如负荷侧温差设定值为8℃，若供水温度为50℃，回水温度为42℃，此时二者温差比较差值为0，则循环水泵转速保持不变；
[0071]
步骤s9，建立输出模块，将需要输出的图像数据模块与输出模块相连，进行数据和图像输出。
[0072]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型
也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法包括：气象参数部分、太阳能集热器部分、热泵机组部分、蓄热水箱部分、负荷侧部分、地源侧部分、循环水泵部分、控制器部分及结果输出部分，其特征在于：基于trnsys模拟仿真平台设计。2.根据权利要求1所述的一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，其特征在于：所述气象参数部分用于气象参数输入并与太阳能集热器相连；所述太阳能集热器部分用于太阳能集热器面积设定和拦截效率设定，并与蓄热水箱及循环水泵相连；所述热泵机组部分用于设定热泵机组的名义cop、额定制冷量、额定制热量，与地埋管换热器及蓄热水箱相连；所述蓄热水箱部分用于设定蓄热水箱体积、流体比热、密度，与负荷侧、热泵机组、太阳能集热器相连；所述负荷侧部分用于负荷文件导入加载，与外部负荷文件和蓄热水箱相连。3.根据权利要求1所述的一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，其特征在于：包含以下步骤：步骤s1，设定气象参数，气象参数由meteonorm8软件中导入；步骤s2，设定太阳能集热器部分，其中太阳能集热器面积根据目标建筑实际负荷、太阳能保证率、集热效率、当地每日平均太阳辐射量、水箱和管道热损失率确定，其中太阳能集热器拦截效率、负的一阶、二阶效率由产品参数确定；步骤s3，设定热泵机组部分，其中额定制热量和额定制冷量由建筑最大冷热负荷确定；步骤s4，设定蓄热水箱部分，蓄热水箱体积由太阳能集热器面积确定后按二者比例确定；步骤s5，设定负荷侧部分，负荷文件由dest建筑负荷模拟软件模拟后将负荷数据导入确定；步骤s6，设定地源侧部分，地埋管长度由最大换热量和单位管长换热量确定，其中单位管长换热量由热响应实验获取，钻孔数由地埋管长度和钻孔深度确定；步骤s7，设定循环水泵部分，供暖水泵流量由建筑热负荷和设计供回水温差确定；步骤s8，设定控制器部分，控制器部分由总控制器进行控制，总控制器控制恒温控制器、温差控制器、阀门启停及水泵启停，实现系统在供暖季或非供暖季下不同模式的切换运行，其中变频水泵采用温差控制法控制；系统运行模式包括太阳能直供模式、地源热泵单独供暖模式、太阳能联合地源热泵供暖模式及非采暖季向地下土壤补热模式四种运行模式；步骤s9，设定结果输出部分，其中数据输出的表征量为全年太阳逐时水平辐射强度及全年水泵运行能耗与热泵机组运行能耗累加值。4.根据权利要求3所述的一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，其特征在于：所述步骤s2太阳能集热器面积确定的表达式为：其中，a
c
为太阳能集热器总面积，m2；q
ft
：建筑负荷，kw；f：太阳能保证率，％；j
t
：每日平均太阳辐射量j/(m2·
d)；η
cq
：平均集热效率；η
l
：各管道与水箱的热损失率；
优选地，所述步骤s6中，地埋管长度由最大换热量和单位管长换热量确定的表达式为：其中，l表示地埋管长度，m；q
max
为最大换热量，kw；q为单位管长换热量，w/m；最大换热量由建筑负荷确定的表达式为：最大换热量由建筑负荷确定的表达式为：最大换热量由建筑负荷确定的表达式为：其中，eer为名义制冷能效比；cop为名义制热能效比；为地埋管放热量，kw；为地埋管吸热量，kw；为建筑逐时冷负荷，kw；为建筑逐时热负荷，kw；钻孔数由地埋管长度、埋管类型、及钻孔深度确定的表达式为：其中，n为地埋管钻孔数量，个；l为地埋管长度，m；n为使用单u或双u管类型，取单u时n＝2取双u时n＝4；l为地埋管钻孔深度，m；优选地，所述步骤s7中，供暖水泵流量由建筑热负荷和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
z
为建筑热负荷，w；δt为供暖末端设计供回水温差，℃；c为流体比热容，j/(kg
·
℃)；优选地，所述步骤s8中变频水泵控制方法采用温差控制法，其控制原理为：负荷侧通过供回水温差与设定温差1进行比较，地源侧通过源侧温差与设定温差2进行比较；通过比较分析各自二者偏差值对负荷侧和地源侧的变频水泵进行变速调节运行，从而控制水泵出水流量；若二者比较差值为正则水泵转速增大流量增加，二者温差比较差值为负则水泵转速增小流量减小，二者温差比较差值为0，则水泵转速保持不变。5.根据权利要求1所述的一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，其特征在于：所述的合流器有4个。6.根据权利要求1所述的一种基于trnsys变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，其特征在于：所述的分流器有4个。

技术总结
本发明一种基于TRNSYS变流量下太阳能地源热泵系统模型及建模方法，该模型包括气象参数、太阳能集热器、热泵机组、蓄热水箱、负荷侧、地埋管换热器、循环水泵、控制器和结果输出；太阳能集热器由太阳能集热器面积确定；热泵机组由额定制冷量及额定制热量确定；蓄热水箱由水箱体积确定；负荷侧由负荷文件确定；地源侧部分由钻孔数和钻孔深度确定；循环水泵由水泵流量确定；控制器由输入的控制公式确定；结果输出由指定输出对象确定；本发明利用TRNSYS软件设计了变流量下太阳能地源热泵系统模型，模型的模拟结果与系统的实际运行情况吻合良好，充分展示了系统运行的具体情况，为太阳能地源热泵系统的设计、优化以及评估提供了依据。优化以及评估提供了依据。优化以及评估提供了依据。


技术研发人员：贾玉贵 庞雪峰 张亚杰 王硕 申斌 王嘉淳 秦景 马宏
受保护的技术使用者：河北建筑工程学院
技术研发日：2023.07.01
技术公布日：2023/10/7