基于TRNSYS的可实现热电冷联产的PV/T热泵孪生模型建立方法

本发明涉及一种可实现热电冷联产的pv/t(光伏光热)热泵的孪生模型建立方法，具体涉及一种基于trnsys的将pv/t热泵机组按原理分解为四大基本组件(蒸发器、冷凝器、压缩机和膨胀阀)来分开建模仿真的方法，尤其涉及到将热泵内制冷剂的热物性参数的查询在trnsys建模中实现的重要技术。

背景技术：

1、随着经济的发展，仍需继续削减一次能源在我国能源结构中的比例，加大力度发展清洁、可再生能源。在此趋势下，太阳能作为一种可再生能源，得到了全球学者的重视，其利用技术得以迅速发展。自2013年以来，中国已经连续5年保持了1000万千瓦以上的新增光伏装机容量；2017年，中国光伏发电装机容量居世界第一。而“光热”作为太阳能最普遍的应用方式，近几年通过与“光伏”技术相融合，获得了进一步的发展，并衍生出pv/t太阳能热泵的应用形式。该种热泵可以同时生产热能和电能，提高了太阳能的利用效率。

2、同时，技术的高速发展对研究者也提出了新的要求；技术的快速迭代使研究者改变了传统的实验方法，转而开始使用实验加模拟或是纯模拟的方法来获取系统运行数据。但是国内现有的热泵仿真方法仍存在一些问题，影响着仿真结果的可靠性与准确性：1)热泵在原理上是由“四大组件”构成的，但主流的仿真方法是将热泵机组看作一个组件，通过基于实验获得的机组效率、功耗等数据和拟合得到的经验公式，直接根据输入的数据计算输出，没有内部的各种过程；2)基于经验公式的仿真方法对机组的运行条件有明确要求，一组经验公式无法普遍的应用于各种环境参数下，不够便利；3)基于经验公式的仿真过程中，热泵组件相当于一个“黑箱”，对于研究热泵内部结构和优化热泵性能的实验项目，该方法较为耗费时间，难以满足需求；4)基于经验公式的仿真方法要求用于拟合的实验数据的准确性，若数据本身精度不够，那得到的经验公式也难以保证可靠。

3、针对上述问题，国内外学者提出了多种还原热泵内各过程的仿真方法，减小了实验数据在整个仿真过程中的权重。本发明在此基础上，改进仿真流程，采用调用数据库查询热物性参数的方法进一步还原热泵的实际工作过程，提出一种基于trnsys软件的pv/t热泵系统通用全过程仿真方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种能在trnsys软件中实现热物性参数获取以还原热泵工作过程且原理具有通用性的仿真方法。

2、以热泵的制热工况为例，本发明的技术方案如下：

3、基于trnsys的可实现热电冷联产的pv/t热泵孪生模型建立方法，步骤如下：

4、s1、定义pv/t集热器(蒸发器)的模型：

5、pv/t集热器通常包含光伏组件层、光伏背板层、换热组件层等核心结构和玻璃盖板、填充层等保护结构组成，热量将由外界通过导热和辐射两种途径传递，并部分由光伏组件层转化为电能，部分由换热组件吸收，其余部分以各种方式消散掉，可根据上述流程按照对流换热公式和层间的导热公式建立整个集热器的热平衡方程。按照pv/t集热器的结构建立整个组件的制热工况热平衡模型：

6、q1＝ag·αg·it  (1)

7、q2＝ag·hc,g-a,h·(ta-tg)  (2)

8、

9、

10、q4＝ab·hc,b-a,h·(ta-tb)  (5)

11、

12、

13、

14、qt＝q1+q2+q3+q4+q5+q6-q3’  (9)

15、其中，q1为pvt组件吸收的太阳辐射热量，w；q2为pvt组件上表面与空气的自然对流得热量，w；q3为光伏组件自身发热向换热板的导热量，w；q3’为光伏组件自身发热向玻璃盖板的导热量，w；q4为pvt组件换热板与背面空气的自然对流得热量，w；q5为pvt组件上表面吸收的天空和地面的总辐射得热量，w；q6为pvt组件背面吸收的地面和天空的总辐射得热量，w；qp为pvt组件实际总得热量，w。

16、其余符号含义如下：

17、对式(1)，αg为光伏玻璃吸收率；ag为光伏玻璃面积，m2；it为组件所在倾斜面上的太阳总辐射照度，w/m2。

18、对式(2)，tg为光伏玻璃的表面温度，k；ta为室外环境温度，k；制热工况：ta>tg，制冷工况：ta<tg；hc,g-a,h为制热工况pvt组件玻璃盖板与空气间的对流换热系数，w/(m2·k)。

19、对式(3)，apv为pvt组件的电池片覆盖率，优选为64％；aeva为eva胶膜层面积，m2；tpv为工作过程中光伏电池片温度，k；tb为吹胀式换热板的表面温度，k；δpv、δeva、δtpt分别为光伏组件层、eva胶膜层和光伏背板层的厚度，m；hd,pv-eva为eva胶膜与光伏电池片之间的导热系数，w/(m2·k)；hd,eva-tpt为eva胶膜与光伏背板之间的导热系数，w/(m2·k)；hd,eva-b为eva胶膜与吹胀式换热板之间的导热系数，w/(m2·k)。

20、对式(4)，δg为光伏玻璃盖板层厚度，m；hd,eva-g为光伏玻璃与eva胶膜之间的导热系数，w/(m2·k)。

21、对式(5)，ab为换热组件层的表面积，m2；hc,b-a,h为制热工况吹胀式换热板与空气间的对流换热系数，w/(m2·k)。

22、对式(6)，εg为光伏玻璃层发射率；xg-gr为光伏玻璃与地面之间的辐射角系数；xg-sky为光伏玻璃与天空之间的辐射角系数；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数(σ＝5.67×10-8w/(m2·k4))；tgr为地面等效温度，k；tsky为有效天空温度，k。

23、对式(7)，εb为换热层的发射率；xb-gr为换热板与地面之间的辐射角系数；xb-sky为换热板与天空之间的辐射角系数。

24、对式(8)，有qt＝qp，为pvt组件内制冷剂流量，kg/s；hpvt-in、hpvt-out分别为pvt组件进口和出口的比焓值，j/kg；αp为pvt组件换热板制冷剂侧的表面传热系数，w/(m2·k)；ap为pvt组件换热板流道内表面积，m2；tp为pvt组件流道内壁温度，k；tpe,m为pvt组件平均蒸发温度，k。

25、进一步的，建立pv/t集热器的光伏发电数学模型，可参照下述公式：

26、p＝it·ηpv＝τg·τeva·it·ηref·[1-0.005·(tpv-tref)]  (10)

27、对式(10)，ηpv为pvt组件的光伏发电效率，％；ηref为基准工况下的光伏发电效率，％；tref为基准工况的参考温度，优选取25℃；τg为玻璃层的透过率，τeva为eva胶膜层的透过率。

28、进一步将上述方程(1)～(10)合成新的组件，将ta、tgr、tsky这几项外界温度参数，it这项组件倾斜面上的太阳总辐射照度参数，hc,g-a,h这项会随气象数据改变的参数，以及换热层的入口处流体温度和压强tpvtin和ppvtin，上述数项作为输入参数；将辐射角系数xg-gr和xg-sky、几项表面积参数a(ag、aeva、ab、ap)、各层发射率ε(εg、εb)、厚度δ(δpv、δeva、δtpt、δeva)、导热系数h(hc,g-a,h、hd,pv-eva、hd,eva-tpt、hd,eva-b、hd,eva-g、hc,b-a,h、hpvt-out、hpvt-in)等剩余常参数作为组件的可变设定项；将换热层出口温度和压强ppvtout和tpvtout、背板温度tb，制冷剂换热量qt，组件产电功率ppv，上述几项作为输出参数。

29、s2、选取冷凝器和压缩机的模型：

30、本方法选取trnsys自带的压缩机模块type167和带换热器的水箱type156(冷凝器模块)来接入热泵仿真系统。压缩机模块的主要输入有入口压力ppvtout、设定出口压力pcomp_set、入口温度tpvtout和入口体积流量vcomp_in，主要输出为压缩机功率pcomp、出口温度tcomp-out、出口体积流量vcomp-out和制冷剂换热功率pcom_f。冷凝器模块的主要输入有入口温度(既压缩机模块的输出温度)、制冷剂流量vtank_in(假定全过程无质量损失)，设定参数有水箱容积、水箱换水流量、水箱内热源等可根据实际参数调整；主要输出有水箱盘管出口温度ttank_out、水箱得热功率ptank和水箱水温tm。

31、s3、定义膨胀阀的数学模型：

32、关于膨胀阀的部分，该过程可视为等焓过程，高温高压制冷剂变为低温低压状态。膨胀阀是根据蒸发器出口制冷剂过热度来调节开度，进而调节系统制冷剂流量和制冷量的装置。制冷剂流经电子膨胀阀时，其进出口焓值相等，则流经节流机构的制冷剂流量计算公式如下：

33、hv,i＝hv,o(11)

34、

35、对式(11)，hv,i、hv,o分别为电子膨胀阀进出口焓值，j/kg。

36、对式(12)，为流经电子膨胀阀的制冷剂流量，kg/s；cd为制冷剂流量系数；av为电子膨胀阀的流通面积，m2；ρv,i为电子膨胀阀进口制冷剂密度，kg/m3；pv,i为电子膨胀阀进口制冷剂压力，pa；pv,o为电子膨胀阀出口制冷剂压力，pa。

37、进一步的，将上述数学模型编写为trnsys组件，该组件输入参数为ttank_out和经过热物性参数查询得到的水箱出口处压力ptank_out，膨胀阀的输出设定压力pvalve_set，以及流经膨胀阀的制冷剂流量输出参数为阀门出口温度tvalve_out、阀门的实时开度k。

38、s4、借助excel设计可在trnsys中查询制冷剂热物性参数的组件。

39、s5、连接各模块组成热泵仿真系统：

40、所述热泵仿真系统除去前文所述(包括pv/t集热器模块、压缩机模块、蓄热水箱模块、膨胀阀模块、查询模块)的组件外，还包含气象数据输入模块、热泵启停控制模块、积分模块和数据绘制输出模块。其中，气象数据输入模块用于为模型提供干湿球温度、湿度、风速、日照强度等气象参数，热泵启停控制模块用于控制压缩机模组的启停，积分模块用于计算功率、速度类参数的时间积累量，数据输出模块用于将各项所需的计算结果输出为图像和表格。连接与计算流程如下：

41、1)计算从模型的各个输入端开始，首先完成计算的是pv/t集热器模块：从气象数据模块中读取干球温度ta、露点温度tdp、风速v、倾斜表面太阳辐射强度it，同时读取根据实验数据最小值设置的进口温度tpvtin和压力ppvtin的初值；代入数学模型计算得到制冷剂得热量qt、产电量qpv、出口压力ppvtout和出口温度tpvtout。其中，产电量qpv是由方程(10)算得的产电功率ppv计算积分得到的；

42、2)pv/t集热器模块得进出口温度压力均传入查询模块，通过查询热物性，得到经过pv/t集热器模块后的焓差和出口处的密度；再利用制冷剂得热量qt，算得pv/t集热器模块出口处的制冷剂质量流量和体积流量；体积流量传递给压缩机模块，而质量流量传递给蓄热水箱模块。

43、3)压缩机模块利用输入的pv/t集热器模块出口处压力和温度、设定出口压力和入口体积流量这几项数据，算得出口温度tcomp_out和压缩机功率pcomp等数据。

44、4)蓄热水箱模块读取压缩机出口温度tcomp_out和压缩机设定压力pcomp_set以及前面的循环的制冷剂质量流量；模型经运算得到水箱盘管出口温度ttank_out、水箱得热功率ptank和水箱水温tm等参数的值，同时将循环的制冷剂质量流量传递至膨胀阀模块。

45、5)膨胀阀模块接收水箱盘管出口温度ttank_out；根据膨胀阀内为充分冷却的制冷剂的假设，查得液态制冷剂在该温度下的焓值；再根据膨胀阀的输入设定压力pvalve_set，进一步查询得到节流出口温度tvalve_out；通过膨胀阀模块算得相应阀门开度，结束一次开环计算。

46、6)最终，膨胀阀模块的出口温度和压力将作为下一次计算的pv/t模块进口温度与压力，进而实现近似的闭环迭代运算。

47、该方法的原理是通用的，其原理可以转化并应用于各种计算软件和代码环境。

48、与现有技术相比，该发明的有益效果是提供了一种在trnsys中实现针对pv/t热泵的更加还原与详尽的仿真方法，也提出了一种在trnsys中查询热物性参数的思路，完成了针对一种有多层结构的复杂型pv/t集热器的建模工作；该发明所述的方法进一步减少了实验数据拟合公式在仿真模型中的使用，降低了实验数据的精度对模型准确性的影响；该发明也为从事pv/t热泵性能研究与优化的学者提供更为准确与高效的模拟方法，减少了实验的周期。