ΟΔΗΓΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ TRNSYS για ΗΘΣ

Transcript

1 ΟΔΗΓΟΣ ΧΡΗΣΗΣ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ TRNSYS για ΗΘΣ Επιμέλεια: Αλέξανδρος Τσιμπούκης (Υποψήφιος Διδάκτωρ) 1. Εισαγωγή Το TRNSYS αποτελεί ένα πλήρες υπολογιστικό περιβάλλον για την προσομοίωση χρονικά μεταβαλλόμενων συστημάτων, συµπεριλαµβανοµένων και πολυζωνικών κτιρίων. Η χρήση του γίνεται για την αξιολόγηση νέων ενεργειακών διατάξεων, από απλά συστήματα θέρμανσης νερού οικιακής χρήσης έως το σχεδιασμό και τη προσομοίωση κτιρίων και του εξοπλισμού τους, συµπεριλαµβανοµένων των συστημάτων ελέγχου και τη συμπεριφορά των κατοίκων, αλλά και εναλλακτικών ενεργειακών συστημάτων (αιολικά, ηλιακά, φωτοβολταϊκά και συστήματα υδρογόνου). Δημιουργήθηκε από το Solar lab του πανεπιστημίου του Wisconsin. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό λειτουργικό χαρακτηριστικό του TRNSYS είναι η ανοιχτή δομή του. Ο πηγαίος κώδικας του πυρήνα και τα μοντέλα των στοιχείων είναι διαθέσιμα για του χρήστες, απλοποιώντας έτσι την επέκταση των ήδη υπαρχόντων μοντέλων µε σκοπό την εναρμόνισή τους µε τις συγκεκριμένες ανάγκες των χρηστών. Η αρχιτεκτονική µε βάση τα αρχεία DLL επιτρέπει στους χρήστες να προσθέσουν εύκολα νέα μοντέλα στοιχείων, χρησιμοποιώντας γνωστές γλώσσες προγραμματισμού (FORTRAN). Επιπροσθέτως, το TRNSYS μπορεί να συνδεθεί µε διάφορες εφαρμογές, έτσι ώστε να είναι δυνατή η επεξεργασία των δεδομένων πριν αλλά και μετά από την προσομοίωση. Στις εφαρμογές του TRNSYS συμπεριλαμβάνονται: Ηλιακά συστήματα (ηλιακά θερμικά και φωτοβολταϊκά) Κτήρια χαμηλής ενέργειας και συστήματα θέρμανσης και εξαερισμού µε χαρακτηριστικά εξελιγμένου σχεδιασμού (φυσική κυκλοφορία αέρα, διπλή πρόσοψη). Συστήματα ανανεώσιμής ενέργειας Συστήματα συμπαραγωγής, κυψέλες καυσίμου 2. Στούντιο προσομοίωσης (Simulation Studio) Το κύριο περιβάλλον γραφικών του TRNSYS είναι το στούντιο προσομοίωσης, όπου και δημιουργούνται οι διάφορες διατάξεις, μεταφέροντας και τοποθετώντας τα στοιχεία στο χώρο εργασίας, συνδέοντας τα και θέτοντας τις γενικές παραμέτρους της προσομοίωσης. Το στούντιο προσομοίωσης δημιουργεί ένα αρχείο µε τις πληροφορίες της διάταξης (Trnsys Project File *.tpf). Όταν γίνει η προσομοίωση, δημιουργείται επιπλέον ένα αρχείο εισόδων, δηλαδή ένα αρχείο κειμένου που περιέχει όλες τις πληροφορίες της προσομοίωσης, αλλά καμία γραφική απεικόνιση. Το στούντιο προσομοίωσης περιλαμβάνει επιπλέον ένα διαχειριστή εξόδων, απ' όπου ελέγχονται οι μεταβλητές που πρόκειται να ολοκληρωθούν, να εκτυπωθούν ή να παρασταθούν και ένα διαχειριστή σφαλμάτων που επιτρέπει τη λεπτομερή μελέτη των γεγονότων που έλαβαν χώρα κατά την προσομοίωση. Τέλος µέσω του στούντιο προσομοίωσης μπορούν να διενεργηθούν πολλές επιπρόσθετες εργασίες όπως η δημιουργία νέων στοιχείων χρησιμοποιώντας την επιλογή «Fortran Wizard», η επεξεργασία των παραμέτρων, των εισόδων, των εξόδων και της περιγραφής ενός στοιχείου και η επισκόπηση των εξαγόμενων αρχείων. 1

2 3. Στοιχεία TRNSYS και διαγράμματα ροής Για τη προσομοίωση του συστήματος παρουσιάζεται το παρακάτω διάγραμμα ροής με την αναλυτική περιγραφή των συστημάτων να ακολουθεί παρακάτω. Κάθε γραμμή που εμφανίζεται στο διάγραμμα ροής συνδέει μεταβλητές ή και σταθερές μεταξύ των 2 στοιχείων, με τη φορά να δείχνει τη ροή των δεδομένων. Οι διακεκομμένες γραμμές απεικονίζουν τη ροή των δεδομένων, οι αξονικές γραμμές τα σήματα ελέγχου, ενώ η συνεχής γραμμή δείχνει ροή ρευστού. Σχήμα 1: Διάγραμμα ροής ΗΘΣ στο simulation studio Trnsys Το διάγραμμα ροής στο Σχήμα 1 αποτελείται από: Στοιχεία Εισόδου δεδομένων o Κλιματικά δεδομένα, Weather (Type 19) o Χρονικά μεταβαλλόμενο φορτίο, Load profile (Type 14) Στοιχεία Υπολογισμών o Συλλέκτης, Collector (Type 1) o Συστήμα ελέγχου, Control (Type 2) o Αντλία, Pump (Type 3) o Βάνα διαχωρισμού και βάνα ανάμειξης, Diverter and tee piece (Type 11) o Daily and simulation integration, Ολοκλήρωση ανά ημέρα και ανά χρόνο προσομοίωσης 2

3 o Efficiencies, Συνολικές και ημερήσιες αποδόσεις o Daily load, Ημερήσιο φορτίο Τα 2 παραπάνω στοιχεία είναι εξισώσεις που έχουν προστεθεί από το χρήστη και δεν αποτελούν στοιχεία του προγράμματος. Στοιχεία εξόδου αποτελεσμάτων o Plotters (Type 65) o Daily results and totals (Type 25) Κάθε στοιχείο έχει ένα αριθμό παραμέτρων που καθορίζει τη λειτουργία του. Επίσης, κάθε στοιχείο έχει συγκεκριμένο αριθμό μεταβλητών εισόδου και εξόδου. Όλα τα στοιχεία επιλέγονται από τις βιβλιοθήκες που βρίσκονται στη δεξιά πλευρά του Trnsys. Εφόσον επιλεγούν όλα τα στοιχεία του μοντέλου προσομοίωσης, το επόμενο βήμα είναι η σύνδεση μεταξύ τους. Δηλαδή, συνδέονται οι επιμέρους μεταβλητές ανάμεσα στην είσοδο του ενός και στην έξοδο του άλλου. Συνήθως το πρόγραμμα θεωρεί στοιχείο εκκίνησης τα κλιματικά δεδομένα αλλά μπορεί να οριστεί και από τον χρήστη. Οι συνδέσεις μεταξύ των στοιχείων φαίνονται στο Σχήμα 1, όμως οι συνδέσεις των μεταβλητών μεταξύ των στοιχείων φαίνονται στα παρακάτω Σχήματα. Η σύνδεση δημιουργείται με τη κάθε γραμμή. 1. Weather Collector Σχήμα 2: Συνδέσεις Weather Collector 3

4 2. Collector Tank και Collector Type2b Σχήμα 3: Συνδέσεις Collector Tank (αριστερά) και Collector Type2b (δεξιά) 3. Control Control και Control Pump Σχήμα 4: Συνδέσεις Control Control (αριστερά) και Control Pump (δεξιά) 4. Pump Collectors και Tank Pump Σχήμα 5: Pump Collectors (αριστερά) και Tank Pump (δεξιά) 4

5 5. Tank Control και Weather Tank Σχήμα 6: Συνδέσεις Tank Control (αριστερά) και Weather Tank (δεξιά) 6. Tank Diverter Σχήμα 7: Συνδέσεις Tank Diverter 7. Tank - tee-piece και Diverter - tee-piece Σχήμα 8: Συνδέσεις Tank - tee-piece (αριστερά) και Diverter - tee-piece (δεξιά) 8. Load profile Diverter Σχήμα 9: Σύνδεση Load profile Diverter 5

6 9. Daily Efficiencies και Simulation integration Efficiencies Σχήμα 1: Συνδέσεις Daily Efficiencies (αριστερά) και Simulation integration Efficiencies (δεξιά) 1. Tank - Daily integration και Weather - Daily integration Σχήμα 11: Συνδέσεις Tank - Daily integration (αριστερά) και Weather - Daily integration (δεξιά) Ακριβώς οι ίδιες συνδέσεις χρησιμοποιούνται και στην σύνδεση με το στοιχείο Simulation integration μόνο που η ολοκλήρωση αφορά όλο το χρόνο προσομοίωσης. 6

7 11. Efficiencies Daily results και Daily integration Daily results Σχήμα 12: Συνδέσεις Efficiencies Daily results (αριστερά) και Daily integration Daily results (δεξιά) Για τις μεταβλητές που η ολοκλήρωση αφορά όλο το χρόνο προσομοίωσης χρησιμοποιούνται οι συνδέσεις με το στοιχείο Totals. 12. Έξοδος αποτελεσμάτων σε Plotter 1 Σχήμα 13: Συνδέσεις Collectors Plotter 1 (αριστερά) και Pump Plotter 1 (δεξιά) Τα αποτελέσματα μπορούν να είναι όλες οι μεταβλητές εξόδου από το κάθε στοιχείο. 13. Έξοδος αποτελεσμάτων σε Plotter 2 Σχήμα 14: Συνδέσεις Tank Plotter 2 (αριστερά) και Tee-piece Plotter 2 (δεξιά) Η διαφορά ανάμεσα στο plotter και στο Daily results είναι ότι το plotter δημιουργεί ένα γράφημα με τον άξονα x να είναι ο χρόνος προσομοίωσης και ο άξονας y έχει τα αποτελέσματα που επιλέγουμε. 7

8 Αφού όλα τα στοιχεία έχουν συνδεθεί μεταξύ τους, στη συνέχεια καθορίζονται οι παράμετροι του συστήματος. Εδώ θα χρησιμοποιηθούν οι παράμετροι του παραδείγματος, ενώ όπου δεν δίνονται στοιχεία οι παράμετροι μένουν με τις προεπιλεγμένες τιμές τους. Παράδειγμα: Από τις σημειώσεις του μαθήματος δίνονται τα εξής χαρακτηριστικά: Ουάσιγκτον, ΗΠΑ, Συλλέκτης: Επίπεδος, διπλής υάλωσης, επιλεκτική επιφάνεια απορρόφησης A 5m 2,.85, 4.21 eff Δοχείο αποθήκευσης: 1294 st U W/(m 2 o C), F.854, m 4.94 Mc kj/k, U.931 W/(m 2 o C) Φορτίο ζήτησης: Θερμοκρασίες νερού δικτύου sup 289 st R kg/min T Κ και φορτίου T 322Κ Load Πίνακας 1: Χρονικά μεταβαλλόμενο φορτίο ζήτησης Ώρα Kg/h Για τα κλιματικά δεδομένα, από το στοιχείο Weather επιλέγεται μέσω του tab external files το αρχείο καιρού TMY2 από τη συλλογή του Trnsys. Οι παράμετροι στο συλλέκτη δίνονται στο Σχήμα 15. Σχήμα 15: Παράμετροι συλλέκτη Tο φορτίο ζήτησης του Πίνακα 1 εισέρχεται στο load profile. Επιλέγονται οι 24 ώρες της ημέρας που είναι γνωστό το φορτίο και τοποθετούνται οι τιμές στα 24 σημεία. Στο Σχήμα 16 φαίνονται οι 4 ώρες αλλά παρόμοια εισέρχονται και οι υπόλοιπες τιμές. 8

9 Σχήμα 16: Παράμετροι φορτίου ζήτησης Οι παράμετροι της δεξαμενής αποθήκευσης δίνονται στο Σχήμα 17. Σχήμα 17: Παράμετροι δεξαμενής αποθήκευσης Οι παράμετροι των υπόλοιπων στοιχείων δίνονται στο Πίνακα 2. Πίνακας 2: Παράμετροι συστήματος Στοιχείο Παράμετρος Τιμή Weather 2. Slope of surface External file Washington D.C Pump 1. Maximum flow rate 2 kj/hr Control 2. Maximum temperature T stag 1 C Daily Integration 1. Integration period 24 hr Simulation Integration 1. Integration period STOP Totals 1. Printing interval STOP 2. Start time STOP Daily results 1. Printing interval START Plotter 1 4. Left axis maximum Right axis maximum 5 Plotter 2 1. Number of left axis variables 8 9

10 2. Number of left axis 4 variables 4. Left axis maximum 1 6. Right axis maximum 1 Στην εξίσωση efficiencies υπολογίζονται ο μέσος βαθμός απόδοσης και το φορτίο κάλυψης από ηλιακή ενέργεια ανά ημέρα και για το συνολικό χρόνο προσομοίωσης. Εφόσον έχουν συνδεθεί όλα τα στοιχεία μεταξύ τους και έχουν τοποθετηθεί όλες οι παράμετροι, επιλέγεται ο χρόνος προσομοίωσης και το χρονικό βήμα από τη καρτέλα Assembly Control cards. 4. Αποτελέσματα Για τον Ιούλιο επιλέγεται η έναρξης προσομοίωσης από την 181 ημέρα μέχρι την 191 ενώ το χρονικό βήμα είναι 1 ώρα. Για τον Ιανουάριο επιλέγεται η έναρξης προσομοίωσης από την 11 ημέρα μέχρι την 21 ενώ το χρονικό βήμα είναι 1 ώρα. Στο Πίνακα 2 παρουσιάζεται ο μέσος βαθμός απόδοσης και φορτίο κάλυψης από ηλιακή ενέργεια για το συνολικό χρόνο προσομοίωσης και για διαφορετικές περιπτώσεις φορτίου και δεξαμενής. Για το σταθερό φορτίο αποσυνδέεται το προφίλ της ζήτησης και εισάγεται η σταθερή παροχή του φορτίου στο στοιχείο Diverter. Για το ομογενές ρευστό εισάγεται η παράμετρος για 1 κόμβο στο στοιχείο Tank. Από το Πίνακα 3 είναι εμφανές ότι η διαστρωμάτωση επηρεάζει σημαντικά το βαθμό απόδοσης και το φορτίο κάλυψης, ενώ το σταθερό φορτίο επιδρά ελάχιστα. Οι 1 ημέρες όμως είναι ενδεικτικές και επηρεάζονται άμεσα από τα κλιματικά δεδομένα. Στο Σχήμα 18 παρουσιάζονται οι θερμοκρασίες εισόδου T f, in C και εξόδου T f, out C από το συλλέκτη, με τον αριστερό κάθετο άξονα y να δείχνει το εύρος τους. Επίσης, παρουσιάζονται Q kg/hr και η διαθέσιμη και δύο άλλες σημαντικές ποσότητες, η χρήσιμη θερμική ενέργεια u ηλιακή ακτινοβολία kg/hr Q. Το εύρος των ενεργειών φαίνεται στο δεξιό κάθετο άξονα y, u ενώ στον οριζόντιο άξονα x βρίσκεται πάντα ο χρόνος προσομοίωσης. Είναι εμφανές ότι τα αποτελέσματα έχουν έντονα στοιχεία περιοδικότητας ανάμεσα στις ημέρες αλλά επειδή τα κλιματικά δεδομένα είναι πραγματικά, παρατηρούνται και οι ημέρες με μειωμένη ηλιοφάνεια όπως είναι η τελευταία. Επίσης, η αλλαγή της διαθέσιμης ακτινοβολίας επηρεάζει άμεσα το Q u αλλά και τις θερμοκρασίες οι οποίες είναι αρκετά υψηλές. T από τη Στο Σχήμα 19 παρουσιάζονται οι θερμοκρασίες εισόδου T lin, C και εξόδου l, out C ζήτηση καθώς και η θερμοκρασία ζήτησης DHW C δεξαμενής αποθήκευσης T avg C θερμική ενέργεια kj/hr Q. Aux T αλλά και η μέση θερμοκρασία της. Επίσης, στο ίδιο γράφημα παρουσιάζεται και η χρήσιμη Η θερμοκρασία DHW C σύστημα λειτουργεί σωστά. Επίσης, και η θερμοκρασία l, out C T είναι πάντα σταθερή και παρουσιάζεται για να επιβεβαιωθεί ότι το T είναι πάντα σταθερή στη 1

11 θερμοκρασία του δικτύου γιατί πρόκειται για ένα σύστημα ΖΝΧ αλλιώς θα είχαμε διακύμανση κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Η θερμοκρασία T lin, C είναι αρκετά υψηλή με αποτέλεσμα να αναμειγνύεται ζεστό νερό με κρύο νερό δικτύου για να επιτευχθεί η απαιτούμενη θερμοκρασία ζήτησης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να χάνεται ενέργεια ενώ θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για να καλύψει μια άλλη ζήτηση όπως ηλιακή ψύξη. Η ενέργεια από τη βοηθητική πηγή είναι πάντα μηδέν γιατί η ηλιακή ακτινοβολία καλύπτει πάντα τη ζήτηση για το διάστημα των 1 ημερών. Πίνακας 3: Αποτελέσματα για διαφορετικές περιπτώσεις φορτίου και δεξαμενής Μήνας Ιανουάριος (1-11) Ιούλιος ( ) Φορτίο Σταθερό Μεταβλητό Σταθερό Μεταβλητό Αποθήκευση Ομογενές ρευστό Ομογενές ρευστό Ομογενές ρευστό Ομογενές ρευστό Διαστρωμάτωση Διαστρωμάτωση Διαστρωμάτωση Διαστρωμάτωση Κλάσμα φορτίο από ΗΘΣ

12 Σχήμα 18: Αποτελέσματα T f, in C, f, out C T, Q kj/hr και kj/hr u Q από Plotter 1 s Σχήμα 19: Αποτελέσματα T lin, C, T l, out C, T DHW C, avg C T και kj/hr Q από Plotter 2 Aux 12