基于TRNSYS的某辦公建筑負(fù)荷計(jì)算示例分析★

吳宏偉 趙 永 吳偉偉

(1.金科地產(chǎn)集團(tuán)股份有限公司，重慶 400000； 2.中鐵十六局第五工程有限公司，河北 唐山 063000；3.重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院，重慶 400045)

基于TRNSYS的某辦公建筑負(fù)荷計(jì)算示例分析★

吳宏偉1趙 永2吳偉偉3

(1.金科地產(chǎn)集團(tuán)股份有限公司，重慶 400000； 2.中鐵十六局第五工程有限公司，河北 唐山 063000；
3.重慶大學(xué)城環(huán)學(xué)院，重慶 400045)

采用TRNSYS軟件與SIMCAD軟件建立了建筑物模型，并對(duì)完成建筑物負(fù)荷模擬的方法進(jìn)行了介紹，以減輕空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的過(guò)程中再額外采用其他的能耗模擬軟件來(lái)單獨(dú)處理負(fù)荷而引起工作量較大的情況。

TRNSYS，負(fù)荷模擬，辦公建筑

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)一經(jīng)選定后，在維持一定舒適度的前提下，如何使系統(tǒng)運(yùn)行在總體能耗較小或最小的工況下非常關(guān)鍵。因此，TRNSYS(Transient Systems Simulation)軟件經(jīng)常用于作為仿真工具來(lái)分析系統(tǒng)的運(yùn)行特性。空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行特性與眾多因素有關(guān)，其中最主要的影響因素就是建筑物的負(fù)荷狀況。雖然TRNSYS系統(tǒng)強(qiáng)于部件，但對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確的分析后才能有針對(duì)性的運(yùn)行策略。因此，在利用TRNSYS軟件涉及空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化的分析中經(jīng)常遇到首先要計(jì)算負(fù)荷的情況。

然而，在文獻(xiàn)查閱過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常見(jiàn)到負(fù)荷模擬借助于其他能耗模擬軟件如DOE，ENERGYPLUS，e-Quest等軟件先計(jì)算出負(fù)荷，再由TRNSYS仿真軟件來(lái)讀入負(fù)荷數(shù)據(jù)[1，2]。這樣做從方法上而言沒(méi)有任何問(wèn)題，但是需要增加使用另外一個(gè)軟件的工作量，另一方面，接口及后續(xù)工作的處理并不方便。因此，本文以一辦公建筑為例，說(shuō)明如何利用TRNSYS軟件及模型前處理軟件SIMCAD二者的結(jié)合來(lái)計(jì)算負(fù)荷。SIMCAD界面類似于CAD，有助于比較快的完成前期建模及模型的可視化問(wèn)題。

1 模擬軟件介紹

1.1 模擬軟件的功能

在空調(diào)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)模擬分析主要是用來(lái)解決能耗定量分析、能耗預(yù)測(cè)和系統(tǒng)優(yōu)化的問(wèn)題。利用計(jì)算機(jī)對(duì)上述因素間的相互關(guān)系與作用進(jìn)行仿真，可以節(jié)約搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)的成本和人力成本，有利于進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)果的表達(dá)也更直觀清晰，從而幫助人們優(yōu)化建筑物設(shè)計(jì)方案，改善系統(tǒng)運(yùn)行。模擬技術(shù)在如下兩方面得到廣泛應(yīng)用：

1)建筑物能耗預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)優(yōu)化。

在分析評(píng)價(jià)建筑物設(shè)計(jì)方案的年度運(yùn)行能耗時(shí)，一般都采用模擬計(jì)算的方法。

2)空調(diào)系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)。

借助于側(cè)重于空調(diào)系統(tǒng)性能的描述軟件，可以了解運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)的工況和問(wèn)題，從而在系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)或者控制方案中采取措施以節(jié)約整體能耗。同時(shí)，還能預(yù)測(cè)不同空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下全年運(yùn)行能耗，從而對(duì)系統(tǒng)方案和設(shè)備配置進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 建筑模擬技術(shù)的發(fā)展[3]

繼20世紀(jì)70年代美國(guó)和歐洲相繼推出的建筑模擬程序BLAST和DOE及ESP-r后，70年代末期，在模塊化集成思想的指導(dǎo)下，相繼開(kāi)發(fā)出TRNSYS和HVACSIM+。20世紀(jì)90年代，模擬技術(shù)的研究重點(diǎn)逐漸從模擬建模(Simulation Modeling)向應(yīng)用模擬方法(Simulation Method)轉(zhuǎn)移，即研究如何充分利用現(xiàn)有的模型和模擬軟件，使模擬技術(shù)能夠更有效地應(yīng)用于實(shí)際工程。

1.3 建筑模擬軟件分類

1)空調(diào)系統(tǒng)仿真軟件。

此類軟件主要用于空調(diào)系統(tǒng)及控制部件的仿真。以TRNSYS，HVACSIM+為代表，這類軟件的主要模擬目標(biāo)是由各種模塊搭成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及在各種控制方式下的響應(yīng)。采用的是簡(jiǎn)單的房間模型和復(fù)雜的系統(tǒng)模型，可以根據(jù)需要靈活地組合系統(tǒng)形成和控制方法，適于空調(diào)系統(tǒng)的高頻動(dòng)態(tài)特性和過(guò)程的仿真分析。

2)建筑能耗模擬軟件。

此類軟件主要用于建筑和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能耗模擬分析，如：VISUALDOE，EnergyPlus，e-Quest。這類軟件的主要模擬目標(biāo)是建筑和系統(tǒng)長(zhǎng)周期的動(dòng)態(tài)能耗特性。軟件中一般是建筑物模型的描述占據(jù)主要的建模時(shí)間，且建筑物模型比較直觀可見(jiàn)，而空調(diào)系統(tǒng)模型就比較簡(jiǎn)單化和理想化，此類軟件適于分析建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)熱特性和建筑物的全年運(yùn)行能耗。

1.4 TRNSYS軟件介紹

TRNSYS仿真軟件(Transient Systems Simulation)由美國(guó)威斯康星大學(xué)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，是一款瞬態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，采用模塊化的結(jié)構(gòu)來(lái)解決復(fù)雜的能源系統(tǒng)問(wèn)題。在TRNSYS中，每一個(gè)組件是一個(gè)TYPE，這個(gè)組件可以是一個(gè)部件，如主機(jī)，水泵，也可以是建筑物，也可以是若干個(gè)部件的組合。組件之間的連接就是它們之間信息的傳遞。

2 軟件模型

2.1 建筑物基本信息

以一幢5層辦公建筑為例，每層層高4 m，建筑面積為3 025.6 m2(48.8 m×12.4 m)，空調(diào)面積為2 635.2 m2。南向與北向墻面的窗墻比均為0.22。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)見(jiàn)表1。建筑物南、北側(cè)對(duì)稱布置。其中，立面圖中黃色區(qū)域代表窗戶。此處的建筑物模型是用SIMCAD軟件建立，SIMCAD界面類似于CAD界面，操作起來(lái)簡(jiǎn)單，建模方便，可以使建筑物圖形可視化。在SIMCAD中完成模型的建立后，會(huì)生成TRNBUILD可以讀取的.bui文件。如果不需要建筑物圖形，也可以在TRNBUILD中進(jìn)行建筑物模型的建立。

此外，建筑物需要?jiǎng)澐譄釁^(qū)，熱區(qū)的劃分可以根據(jù)空調(diào)系統(tǒng),或溫度相近的房間,或南、北朝向不同等原則來(lái)進(jìn)行處理。一般而言，在后續(xù)軟件處理過(guò)程中，同一個(gè)熱區(qū)人員作息、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)溫濕度及舒適度標(biāo)準(zhǔn)相同或相近。熱區(qū)數(shù)目應(yīng)該盡量少，以減少工作量及軟件處理時(shí)間。

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能的輸入中，既可以采用軟件中自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)的材料類型，也可以根據(jù)建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況自建材料，這一點(diǎn)與DOE等能耗模擬軟件有相同之處。

表1 模擬建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù) W/(m2·K)

廁所的滲透風(fēng)取為10次/h，其他房間滲透風(fēng)取值為0.5次/h。

依據(jù)GB 50189—2005公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)附錄B.0.4確定辦公建筑工作日逐時(shí)室內(nèi)空調(diào)計(jì)算溫度，如圖1所示。

關(guān)于房間內(nèi)熱源的設(shè)定，依據(jù)GB 50189—2005附錄B.0.5，B.0.6，B.0.7，將照明裝置逐時(shí)開(kāi)啟率、房間人員逐時(shí)在室率、電器設(shè)備逐時(shí)使用率分別在軟件的計(jì)劃表(SCHEDULE)中進(jìn)行工作日和周末的設(shè)定(見(jiàn)圖2)。

照明、人員、電器設(shè)備等形成的內(nèi)熱源在軟件的得熱(GAINS)中進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)，軟件中要求。燈光及設(shè)備得熱數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 室內(nèi)內(nèi)熱源設(shè)定 kJ/(h·m2)

2.2 氣象數(shù)據(jù)與建筑物的連接

氣象數(shù)據(jù)對(duì)建筑物的影響因素在這兩個(gè)部件中的連接包括：干球溫度、有效天空溫度、相對(duì)濕度及水平面和建筑物其他表面的總輻射強(qiáng)度、直射輻射強(qiáng)度、散射輻射的入射角。氣象數(shù)據(jù)可采用TMY，TM2等格式氣象數(shù)據(jù)。此處模擬采用重慶市TM2氣象數(shù)據(jù)讀入。

2.3 建筑物負(fù)荷模擬系統(tǒng)信息

依據(jù)以上描述，在Studio中建立部件模型的連接，圖3中的“building”即為TYPE56,其他各部件在系統(tǒng)中的作用如表3所示。模塊選擇完成后，要正確進(jìn)行模塊間的信息傳遞的連接及結(jié)果文件的設(shè)定。

3 結(jié)果信息文件

在完成以上設(shè)置后，就可以完成對(duì)建筑物信息的描述，進(jìn)行結(jié)果輸出部分。TRNSYS結(jié)果文件輸出可以根據(jù)所要的結(jié)果自行選擇輸出，如可以選擇輸出顯熱或潛熱得熱及對(duì)流得熱量及輻射得熱量；可以輸出指定房間的熱負(fù)荷；可以輸出建筑物的總負(fù)荷；可以輸出指定表面的溫度等。上述所有結(jié)果均可以選擇指定的時(shí)間段來(lái)輸出。上述結(jié)果由“打印機(jī)”部件進(jìn)行輸出。

圖4即為在上述模型系統(tǒng)搭建完成后以夏季第5 352 h～5 600 h工作日逐時(shí)的冷負(fù)荷值及室外干、濕球溫度的結(jié)果文件。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)也可以導(dǎo)出到外部文件中進(jìn)行編輯及處理。

表3 系統(tǒng)中各部件的描述及作用

類型部件描述作用建筑物模塊建筑物模塊描述建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本信息及內(nèi)部空間溫度要求天氣模塊氣象數(shù)據(jù)模塊導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)文件內(nèi)熱源模塊—燈光燈光建立燈光開(kāi)關(guān)表內(nèi)熱源模塊—人員人員建立人員在室率內(nèi)熱源模塊—設(shè)備其他內(nèi)熱源設(shè)定設(shè)備內(nèi)熱源定序模塊強(qiáng)制函數(shù)定序形成工作日與周末打印機(jī)—模塊打印機(jī)結(jié)果輸出計(jì)算器模塊計(jì)算器輸入計(jì)算表達(dá)式

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述辦公建筑模型的演示，可以看出利用TRNSYS與SIMCAD的結(jié)合，可以簡(jiǎn)便靈活的完成模型的前期處理與負(fù)荷計(jì)算，為下一步進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)部分的優(yōu)化處理及分析帶來(lái)了便利，可以節(jié)約建模的前期處理時(shí)間，避免再使用另外的能耗模擬軟件而帶來(lái)的不便。另外，TRNSYS也可以利用Sketchup完成前期建模的過(guò)程。

[1] 謝愛(ài)霞，蔣小強(qiáng).水源制冷機(jī)房單位冷量能耗的影響參數(shù)分析[J].制冷技術(shù)，2005，38(9):69-72.

[2] 顧 珍，王勝男，馮 煉.基于Trnsys的復(fù)合式地板輻射供冷控制系統(tǒng)的仿真[A].2013年第十五屆西南地區(qū)暖通熱能動(dòng)力及空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2013:78-81.

[3] 吳偉偉.夏熱冬冷地區(qū)居住建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能研究[D].重慶：重慶大學(xué)碩士論文,2008.

[4] GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] TRNSYS 16 Documention[Z].

A load computation case for an office building based TRNSYS software★

Wu Hongwei1Zhao Yong2Wu Weiwei3

(1.JinkePropertyGroupCo.,Ltd,Chongqing400000,China;2.The5thEngineeringCompanyofChinaRailway16thBureauGroupCo.,Ltd,Tangshan063000,China；3.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

This paper established the building model using ANSYS software and SIMCAD software, introduced the method of doing well buildings load simulation, in order to reduce the larger workload situation using other energy simulation software to additional treatment of load in air conditioning system optimization process.

TRNSYS, load simulation, office building

2015-02-11★：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(課題編號(hào)：2012BAJ06B05)

吳宏偉(1984- )，男，工程師； 趙 永(1971- )，男，高級(jí)工程師； 吳偉偉(1979- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)12-0115-03

TU831

A