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5/13/2018 Aula_050926_P2 - slidepdf.com

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Mestrado em EngenhariaMecânica - Climatização

SDSA – Introdução ao TRNSYS

II Parte

José Luís Alexandre – [email protected]

DEMEGI- 26/Setembro /2005

MEM-CLIMATIZAÇÃO 2

TRNSYSTR aNsient SY stem Simulations

O nome TRNSYS



2


• Porquê Simular?• História do TRNSYS• A filosofia do TRNSYS• O ficheiro de entrada (input file)• Palavras chave no ficheiro de entrada

• Resultados da simulação e seu tratamento• Ferramentas do TRNSYS

Introdução ao TRNSYS


• Ordens de magnitude mais rápido queexperimentação

• Ordens de magnitude mais económicaque experimentação• Sistemas que exibem uma dependência

no linear dos dados climáticos• Estudar a variação entre

comportamento a curto e alongo prazo

Porquê Simular?



3


Quando é útil o TRNSYS?

• O funcionamento dos componentes sãofunção do tempo

• Solução matemática implica a solução deequações diferenciais dependentes do tempo• (p. ex. Elementos de armazenamento térm ico)

• Alguns dos resultados dos componentesnecessitam ser integrados ao longo do tempo


História do TRNSYS• Desenvolvimento com suporte público ao SEL

• Primeira versão pública: 6.0 em Março 1975• Na sua origem PhD de Sanford Klein

• Originalmente, desenvolvido para processossolares• Os últimos desenvolvimentos centraram-se na simulação de

edifícios e sistemas HVAC

• As ideias de TRNSYS foram usadas em outrosprogramas.• DOE2, HVACSim+, TRACE, CA_SIS, Energy-10, EnergyPLus



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Visão dos usuários de TRNSYS• Aprox. 200 Universidades em todo o mundo• National Renewable Energy Lab (USA)• Florida Solar Energy Center• National Institute of Standards and Technology (NIST)• Sandia National Labs (USA)• National Aeronautic and Space Administration (NASA)• Johnson Controls• Trane Company• BMW• Electricitie de France• PSA (Peugeot-Critoen)• CIEMAT• FEUP• CFETMG


A flexibilidade do TRNSYS

• Sotware de aplicação geral (desde a PV a “peces”)

• Flexível (modular)• Formulação geral de componentes• Código aberto (excepto uma ou duas rotinas)• Documentação• Intercâmbio de modelos entre utilizadores

(usuários)• Contínuo suporte técnico



5


Grupos que suportam o

TRNSYS

SERCPRESIMInterface Gráfico

DistribuidoresAIGUASOLENG

TRANSSOLARPREBID

Desenvolvimento do Tipo 56New - TRNFlow

SELTRNSHELL TRNSEDTRNSYS código fonte

CSTBIISiBatInterface gráfica

DEMEGI/FEUPVentilaçãodebug TNRFlow


Filosofia modular• Proporciona grande flexibilidade para as mais

variadas aplicações de engenharia

• Adequado para sistemas com condiçõesdependentes do tempo (regime transiente)

• Requer alguma experiência e conhecimento



6


O que é o TRNSYS?• Resolução de equações algébricas e diferenciais• Biblioteca dos mais comuns sistemas termo-

energéticos• Dispõe de um método para inserir módulos escritos

/desenvolvidos pelos próprios utilizadores• Desenhado especialmente para simulações

transitórias• Subrotinas para a entrada de dados metereológicose funções temporais


A filosofia subjacente ao TRNSYS

• Técnica modular• Problema geral vários problemas mais

pequenos

• Formulação geral• Reduzir o problema a:

• Formulação de modelos matemáticos• Descrever os processos de inter ligação

entre os diferentes componentes• Ligações físicas• Ligações matemáticas



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Definição do SISTEMA• Conjunto de COMPONENTES

• Cada componente representa uma estrutura física

• Inter-conectados com o objectivo de cumprir umamissão específica

• Exemplo: Sistema Solar para aquecimento• Colector

• Tanque• Permutador de calor• Bomba• Controlador


Definição do SISTEMA (Cont.)

• Um SISTEMA consta de váriosCOMPONENTES

• Logo:• A simulação do comportamento de um

SISTEMA resulta da simulação docomportamento dos COMPONENTESindividuais



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1ª Aproximação: CAIXANEGRA

• Um COMPONENTE requer unicamenteduas classes de informação• Parâmetros: variáveis independentes do

tempo• INPUT’S: variáveis dependentes do tempo

• Proporciona varáveis requeridas comoOUTPUT’S


CAIXA NEGRA (gráfico)



9


Diagramas de Fluxo de

Informação

• Representação esquemática do fluxo deinformação num sistema

• Linhas e setas entrando e saindo doscomponentes são análogas a condutas ecabos em sistemas reais• Fluxo máximo e temperatura fluxo de

informação “conduta” • Sinal de controle de bombas fluxo de

informação “cabo”


Diagrama de um sistema

C o l e

c t o r

S o l a r

Aquecedor Aux. Tset

To

Ti



10


Fluxo/dia de Informação

Colector

A

FR

UL

Cp

Ti

S Ta

To

Aquecedor Aux.C

p

To

Tset

Qaux

m&


Fluxo de Informação (Cont.)

Dados Climáticos

Time

I

Impressora

Time

Print Q

Ti

Ta

Qaux

Variáveis a integrar

Elemento integrador

Time

Qaux



11


Diagrama de Informação doFluxo

Dados Climáticos

Integrator

Print Q

To

Auxiliary Heater

Colector Solar

QauxImpressora

Print of Qmax

Qaux

To

I

Ta


Fluxos de informação acíclicos erecursivos

UNIT X TYPE X UNIT Y TYPE Y UNIT Z TYPE Z



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Definição de TYPE• TRNSYS - lista de componentes e inter-

conecções• Número de Type

• Identifica a função do componente/equipamento”

• A cada componente corresponde um único

número de Type• Número que identifica cada sub-rotina em Fortran

• O número de Type é por razões históricas


Definição de UNIT (Unidade)

• Forma de reconhecer os componentes nodiagrama de fluxo

• Forma de distinguir se há mais de um colector

• Número de UNIT• Valor assinalado arbitrariamente para cada componente do

sistema

• Entre 1 e n (Valor máximo de n por defeito = 80)

• Valor único por simulação (só uma Unidade 10)



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PARÂMETROS, INPUT’S E OUTPUT’S• Existe uma ordem preestabelecida para cada

componente

• Numeração sequencial

• Consistente com a numeração usada nas

subrotinas FORTRAN

• Exemplo: Type 5 (Permutador de Calor)• 1º Parâmetro = Tipo de permutador• 2º Parâmetro = Calor específico do fluido lado quente


Tipos de Componentes TRNSYS

• Três Tipos Gerais de Componentes• Componentes adicionais (UTILITY)

• Ex: Leitor de dados, impressora, Gráficos online,…• Componentes de equipas• Ex: Refrigerador, colector solar, bomba,

ventilador,…

• Componentes de Fenómenos Físicos• Ex: Psicometria, tratamento da radiação



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Componentes TRNSYS standard (1)• Unidades

• Leitura de dados standard• Gerador de funções temporais• Perfis de carga• Integrador de variáveis• Acelerador de convergência• Integrador periódico• Conversor de Unidades• “Call” de subrotinas externas• Usar DLL externas• Usar programas externos –

EES• Substituição de parâmetros• Leitura de dados com

formatação• Gerador de horários, calendário

de utilização e férias• Cálculo de razões energéticas

• Colectores Solares• planos• termo sifão• Tubos de Vácuo• Com características específicas

de rendimento térmico• Plano teórico• CPC

• Armazenamento térmico• Tanque com estratificação• Leito de pedras

• Tanque algébrico (PLug-Flow)• Tanque com volume variável• Tanque com fluido estratificado

detalhado


Componentes TRNSYS standard (2)

• Controladores• Controlador diferencial• Termóstato de três

posições• Controlador tipo

Microprocessador• Sistemas hidráulicos

• Bombas circuladoras eventiladores

• Válvulas de mistura• Uniões tipo T, válvulas

de Três vias• Válvulas termostáticas• Válvulas de sob pressão• Condutas

• Equipamento de AVAC• Aquecedor auxiliar

ON/OFF• Bomba de Calor• “Chiller” • Torres de arrefecimento• Comportamento do

Chiller a carga parcial• Sistema de refrigeração

auxiliar ON/OFF• Associação de chilers em

série



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• Permutadores de Calor• Permutadores simples• Recuperadores de calor residual• Permutador de calor com eficiência

constante• Edifícios e estruturas

• Cargas com base nos graus-dia• Modelo monozona detalhado• Modelo multi-zona (TYPE 56)• Sótão e aticos• Janelas com isolamento variável

• Palas e sombreadores variáveis• Paredes de trombe• Análise de edifícios pelo método

“Lumped” (reo-eléctrico)• Estufas anexas (“Sunspace”)

• Fenómenos físicos• Modelo de análise de radiação• Sombras e arranjos de áreas

colectoras• Psicrometria• Geradores climáticos• Propriedades físicas de fluidos

frigorigénios• Determinação da temperatura do

céu



Componentes eléctricos

Colector Fotovoltaico/térmico

BateriasReguladores / inversores

Aéreo geradores

Campos fotovoltáicos

Componentes para saída de dados

Impressora

PlotterHistogramas

Resumo/ Integrador de simulações

Análise económica

Gráficos online



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Componentes TRNSYS Não standard

(1)

TRNLIB – Livraria Online de Componentes

Livre Distribuição

Ferramentas ASHRAE

Modelos de HVACSIM+

Alguns componentes escritos por estudantesdo SEL

Qualquer utilizador pode contribuiradicionando os seus componentes


Componentes TRNSYS Não standard(2)

Livrarias Comerciais Não - Standard

TESS (Thermal Energy Systems, USA) Livraria completa EDUCACIONAL , € 560

Livraria completa PROFISSIONAL, € 1120 Comprar por pacotes

TRANSSOLAR (Alemanha) Compra de componentes individuaisPREBildTRNFlow



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TRANSSOLAR Componentes Nãostandard (1)

Componentes de EdifíciosModelo de Edifício Multi-zona com isolamentotransparente

Fluxos de ar inter zonais

Componentes de armazenamento térmico

Armazenamento térmico (Modelo “Multiport Pit”)

Modelo de tanque de armazenamento Multi-entrada

CEPIT Modelo para armazenamento de calor e frio

Modelo para piscinas interiores e exteriores


TRANSSOLAR Componentes Nãostandard (2)

Componentes SolaresModelo de colector solar detalhadoUNICOL colector sem superfície envidraçadaModelo de janela-colector

Componentes HVACCaldeira de gás de condensaçãoModelos de radiadores estáticos e dinâmicosBombas de calor eléctricas ou de gás

ControladoresControlador de PID



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TESS Componentes Não standard (1)

Colectores solaresColector solar plano com bomba de velocidade variávelColector solar plano com bomba de velocidade variável eefeitos mássicosColector de tubos de vácuo com bomba de velocidadevariávelConcentrador linear parabólicoModelo de colector com armazenamento integradoModelo de colector com armazenamento integrado e

permutador de calorArmazenamento térmico

Múltiplos modelos (22): Tanques horizontais, verticais,esféricos, rectangulares com permutadores de calor de váriostipos…


TESS Componentes Não standard(2)

HVAC Componentes (36)Ventilador 2 velocidadesTermóstato ambiente 5 posiçõesRefrigeração ResidencialEdifício simples, só com uma zona

Válvula misturadora 10 posiçõesPermutador de calor 10 posições com by-passTYPE 3, Ventilador/bomba modificadoTYPE 6 Aquecedor Auxiliar modificado…

Bombas de calor conectadas ao subsoloCondutas horizontais enterradasModelo de temperatura do soloTubo vertical U-Tube enterradoBomba de calor “aquafer “



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TESS Componentes Não standard(3)

Componentes de utilidadesModelo de infiltração ASHRAEModelo de temperatura do céuCargas térmicas ASHRAE de ocupaçãoModelo de funcionamento dia/noitePeríodos de aquecimento e refrigeraçãoGerador de valores médios diários com os dos “inputs”

AplicaçõesGeração de funções diáriasGeração de funções semanais


Dados para a simulação

Ficheiros de Dados ClimáticosTMY, TMY2, Não-Standard

Ficheiros de consumo e / ou cargasEspecificam o uso e o consumo de energia

Ficheiro de entrada TRNSYS (INPUTFILE)(.dck)

Especifica ao TRNSYS as tarefas que de executarDefine os componentes e as conexões

Para simulação de edifícios multizonaFicheiros com a descrição do edifícioSaída de um processador PREBID



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Ficheiros de dadosmetereológicos (1)

TMY (Typical Meteorological Year)Dados climáticos com intervalos de uma horaPara 234 localidades dos USA & CanadáCada ficheiro contém dados relativos a 24 varáveis

> 1Mb

TMY2 (C:\trnsys15\Weather\Tmy2)Versão recentemente actualizada (1996) de TMYDados melhoresDisponível gratuitamente na web do NREL (USA)


Ficheiros de dadosmeteorológicos (2)

TRNSYS TMY (C:\trnsys15\Weather\trnsys_tmy )

Ficheiros modificados TMYVariáveis desnecessárias eliminadas

4 cidades USA incluem-se na versão standard Miami.fl, Madison.wi, Washing.dc, Albuqe.nm

230 cidades de USA/Canadá disponíveis na web doSEL

EnergyPlusFicheiros de dados meteorológicos do programaEnergy Plus



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Ficheiros de dados metereológicos(3)

Formato de ficheiros TRNSYS TMY

GrausDirecção do vento / 108

m/s Velocidade do vento7

-Rácio de humidade * 100006

o

CTemperatura do bolbo seco * 105

KJ/m2Radiação solar global na horizontal (integradano instante de tempo anterior)

4

KJ/m2Radiação solar directa normal (integrada noinstante de tempo anterior)

3

-Hora do mês2

-Mês do ano1



Formato de ficheiros TRNSYS TMY

0

32

0

36

36

36

36

2

0

0

2

0

2

0

3

3

4

4

3

0

0

2

15-1117983493111

15-3212743018101

11-55656 1767 91

11-60156 77481

11-78007 1

12-66 006 1

12-550051

12-440041

13-500031

13-440021

13-320011



22



TYPE 89. Leitor de dados com formato3 modosModo 1/-1 = Formato TRNSYS TMYModo 2/-2 = Formato TMY2

Modo 3/-3 = Formato EnergyPlus

TYPE 9. Leitor de dados sem formato

standarPermite ler qualquer ficheiro de dados

Com formato específico ou sem formato



Geração de ficheiros de dados horáriosTYPE 54 Weather Data GeneratorProgramas comerciais

METEONORM www.meteotest.ch- Saídas em formato TMY2, TRNSYS TMY

CLIMED Ricardo Aguiar, INETI (PT)

Comparação. Artigo de Victor Leal (FEUP) eCórdoba 2000



23



TYPE 54. Weather Data Generator



TYPE 54. Weather Data Generator. Outputs

Windspeed (m/s)…….WV10

Diffuse radiation on a horizontal surface (KJ/hr-m2)

Idiff-9

Direct normal radiation (beam radiation on anormal surface) (KJ/hr-m2)

Idn-8

Global (total) radiation on the horizontal (KJ/hr-m2)

I-7

Relative humidity (%)RH-6

Dew point temperature (0C)Tdp-5

Dry bulb temperature (0C)Tdb-4

Hour of the dayHr -3

Day of the monthDay-2

MonthMon-1



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Ficheiro de entrada TRNSYS• Ficheiro “.DCK (“deck”) = INPUT FILE

• Descrição detalhada no Cap. 2 do Volume1

• Três tipos de condições de controle• Condições de controle de SIMULAÇÃO

• Condições de controle de COMPONENTES• Condições de controle de LISTADO• Abreviam-se com palavras de três letras (SIM,TOL,

LIM,…)

• Modificável com qualquer editor de texto


TRNSHELL

Em função do trabalho do TRNSYS eaplicações

Editar programas, imprimir

Compilar, linkar, e executar TRNSYS

Aceder às aplicações anexas ao TRNSYSPRESIM, IISiBat, PREBID, PREP, TRANSLATE

Aceder às aplicações TRNSED



25


TRNSHELL

….. TRNSHELL …..


Exercício 1

Water Out

SISTEMA SOLAR DE ACS SIMPLES

Supply Water

Pump

Temperature

Sensors

Flat Plate

Collector

Solar

Radiation

Controller



26


Ficheiro de entrada TRNSYS.Exemplo


Ficheiro de entrada TRNSYS.Exemplo

….. C:\trnsys15\curso\Sessao01\general\Ex1.dck …..

….. C:\trnsys15\curso\Sessao1\iisibatdck\Ex01dck.dck …..



27


Ficheiro de entrada TRNSYSCondições de controle de SIMULAÇÂO

VERSÃO DFQ

SIMULATION NOCHECK

TOLERANCES SOLVER

LIMITS ASSIGN

CONSTANTS INCLUDEEQUATIONS END

ACCELERATE LOOP-REPEAT


Ficheiro de entrada TRNSYSCondições de controle de COMPONENTES

UNIT - TYPE DERIVATIVES

PARAMETERS TRACE

INPUTS FORMAT (só para TYPES 25 e 28)

Condições de controle das Listagens

WIDTH NOLIST

LIST MAP



28


ar me ros c ave o c e ro e

entradaSIMULAÇÃO to tf Dt • to – hora do ano do começo da simulação• tf – hora do ano de finalização da simulação• Dt – incremento de tempo na simulação

(horas; fracção da hora é admissívelpossível, por ex: 0,5 = meia hora).

• Cada simulação deve ter este comando

• Incremento de tempo é fixo durante asimulação e deve ser múltiplo, ou

submú ltiplo da hora


entrada

END

• O comando END deve ser a última linha doficheiro de entrada TRNSYS



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Parâmetros chave do ficheiro de entrada

• UNIT n TYPE m Comentário• n – é o número de UNIDADE do componente

(UNIT number)• m – é o número de TYPE do componente• Números de TYPE e UNIDADE são inteiros.

Os limites são variáveis• Exemplos:

• UNIT 6 TYPE 15 COMPONENTE E EXEMPLO• UNIT 26 TYPE 26 PLOTTER • UNIT 1 TYPE 4 TANQUE


PARÂMETROS n

• n é o número de PARÂMETROS (número inteiro)

Normalmente, o número de parâmetros querequer o componente

Exemplo: O TYPE 3 (bomba) requer 4 PARÂMETROS:

UNIT 1 TYPE 3 BOMBA

PARÂMETROS 4

100. 4.19 100. 0.2

Parâmetros chave do ficheiro de entrada



30


Parâmetros chave do ficheiro de

entradaINPUTS n

n – é o número de INPUTS / variavéis de entrada

U1,o1 u2,o2 … ui,oi … un,on

ui – é o número da UNIDADE à qual o INPUT i estáconectado

oi – é o OUTPUT (1º, 2º, etc.) da UNIDADE número ui

V1, V2, …, Vi, …, Vn

Vi – é o valor inicial do INPUT i


Controles chave do ficheiro deentrada

Exemplo de um componente no ficheiro deentrada

UNIT 1 TYPE 4 TANK

PARAMETERS 62 .42 4.19 1000 1.44 -1.69

INPUT 5

2,1 2,2 3,1 3,2 0,0*

60. 0.0 21. 0.0 60.* Uso de variáveis de entradaconstantes



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Controles chave do ficheiro de

entrada* Comentários

O * deve estar em primeiro lugar da linha

As linhas imprimem-se sem modificação

Exemplo:

* Isto é um exemplo de linha comentário

* Esta é outra

* ETC.


ar metro c ave o c e ro eentrada

EQUATIONS n

NAME1 = …equation1…

NAME2 = …equation2…

…EQUATIONS define variáveis que podem usar-se como

inputs de componentes ou equações. Podem incluir: Funções algébricas de constantes Variáveis definidas previamente Outputs de outros componentes TRNSYS

Várias funções próprias permitem (AND(), MAX()…)



32


SOLVER k

k pode ser 0 ou 1 0 – Método de SUBSTITUIÇÃO SUCESSIVA 1- Método de POWELL

Opcional:

Se o controle SOLVER não está no ficheiro de entrada,assume-se o SOLVER = 0

Método POWELL normalmente não é necessário

entrada


Parâmetros chave do ficheiro deentrada

ASSIGN filename lu

filename – é o nome completo do ficheiro (incluindo ocaminho); o nome deve ter menos de 160 caracteres

lu – é o número da unidade lógica à qual se associa onome

A unidade lógica pode ser usada como parâmetro emoutros componentes

ASSIGN \TRNWIN\ EST\TEST.LST 6ASSIGN \ TRNWIN\ TEST\TEST.OUT 10ASSIGN \ TRNWIN\TEST\TEST.PLT 11



33


ar metro c ave o c e ro e

entrada

TOLERANCES εD εA or TOLERANCES –zD -zA

εD é um valor relativo (e zD é valor absoluto) da tolerânciapermitida no controle de ERROS DE INTEGRAÇÂO

εA é um valor relativo (e zA é valor absoluto) da tolerânciapermitida no controle de CONVERGÊNCIA DASVARIÁVEIS DE ENTRADA E SAÍDA

Importante ajustar εA se há problemas de convergênciana simulação

Opcional: Valores por defeito que se usam = 0.001


Parâmetro chave do ficheiro deentrada

LIMITS m n p • m – é o número máximo de i terações a

realizar durante um intervalo de tempo antesque apareça uma mensagem de advertência

(WARNING)• n – ó número máximo de mensagens de avisopermitidas antes que a simulação pare comsaída: ERROR .

• p – é um l imite, opcional ,a partir do qual ocomponente que foi chamado mais de p vezespara um único “t ime step”

• Importante: aumentar LIM ITS se háproblemas de convergência

• Opcional: Valores por defeito m=30 andn=30



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Saídas, ou Outputs, das

simulações

TYPE 25 – Impressora

Cria ficheiros texto tipo ASCII

Número máximo de TYPE 25 por simulação = 13

Possibilidade de especificar o intervalo de impressão(cada intervalo de tempo de cálculo, uma vez ao dia,etc,…)

Nº de inputs = entre 1 e 10

Unidades das variáveis: Unidades TRNSYS / Usuário


Saídas, ou Outputs, dassimulações

• TYPE 65 – Leitura de resultados ONLINE• Variáveis gráficas especificadas como

INPUTS no ecran durante a simulação

• Número máximo de Type 65 por simulação =10

• Possibi lidade de guardar resultados emficheiros

• Nº de Inputs = entre 1 e 20

• Opções interactivas• Para finalizar, zoom, troca de escalas, desactivação de

variáveis, valores instantâneos, cópia de gráficos



35


Visualização de Resultados

ONLINE


….. Representação de resultados ONLINE …..

… C:\trnsys15\curso\Sessao01\iisibat\ex01dck.dck …

Leitura de resultados ONLINE



36


Os algoritmos de resolução do

TRNSYS (1)

Substituição sucessiva (Solver 0)

Algoritmo

1 - Para cada unidade, os outputs calculam-se para os inputsdados; os outputs passam como inputs a outras unidades

2 - Se o sistema não converge, o passo 1 repete-se

Podem ser necessárias bastantes iterações

O método de solução original é o mais usado Sistemas que podem causar problemas:

1 - Sistemas com pequena capacidade ou nula(armazenamento de energia)

2 - Sistemas que mudam rapidamente com vários estados discretos

1

2


Os algoritmos de resolução doTRNSYS (2)

Método de Powell (Solver 1)

Gera uma matriz a partir das conexões input-output

Resolve a matriz input-output de equações

Tem a possibilidade de resolver problemas “backsolve”

Requer maior número de iterações por componente paracada intrevalo de tempo (time step)

Dificuldades com certos componentes comarmazenamento interno

Condutas, edifício multi-zona

Excelente para simulações de sistemas sem capacidade(sistemas PV) ou com estados discretos

2



37


Ferramentas e aplicações do

TRNSYSIISiBat or PRESIM

Interfaces gráficas para a construção de sistemasPREBIDInterface gráfica para introduzir a informação de edifícios

E Ventilação Mecânica e/ou Natural

TRNSEDFerramenta para partilhar simulações com não utilizadores

SIMCAD

Envolve CAD compatível com AUTOCAD para edifícios


Interfaces de trabalhoTRNSYS

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