基于TRNSYS的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)數(shù)值模擬和優(yōu)化

程曉蔓，李帥

(1.南京市園林規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210007；2.江蘇省、南京市節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，南京 210007)

太陽(yáng)能作為最清潔的能源，高效率的利用太陽(yáng)能資源是我們重要研究任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)進(jìn)行研究。其中，王瑞平利用傳熱理論討論了平板型集熱器，并對(duì)影響集熱器效率的因素進(jìn)行了分析[1]；王志闡述了幾種太陽(yáng)能集熱器的工作原理,并提出了集熱水箱容積的計(jì)算方法[2]；韓延民等討論了集熱器類型、集熱器面積、水箱流量對(duì)集熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱量的影響[3]。但是目前利用仿真軟件對(duì)光熱系統(tǒng)的模擬不多，系統(tǒng)優(yōu)化也多在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。本文主要通過(guò)TRNSYS仿真模擬軟件建立太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的模型[4]，在與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相符合的基礎(chǔ)上，研究太陽(yáng)能集熱器的最佳安裝傾角及方位角、集熱器面積、水箱容積等因素對(duì)光熱系統(tǒng)的影響，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的最佳配比進(jìn)行優(yōu)化，從而提出可行性意見(jiàn)。

1 理論分析

光熱系統(tǒng)不僅受氣象條件和集熱器安裝角度的影響，其核心構(gòu)件集熱器和儲(chǔ)熱水箱的選擇也至關(guān)重要[5]。光能轉(zhuǎn)換成熱能，而熱能直接反應(yīng)在水的溫度上，所以研究光熱系統(tǒng)主要研究其即熱效率和水箱溫度這兩個(gè)方面[6]。

光熱系統(tǒng)的核心構(gòu)件集熱器獲得熱量為：Q=AM

常規(guī)熱源耗能量：Qcg=Qt-Qc

上述公式中，Q為集熱器得熱量，MJ；A為集熱器采光面積，m2；M為集熱器采光面上的太陽(yáng)能輻照量，MJ/m2；Qc為集熱系統(tǒng)得熱量，MJ；Qt為輔助加熱量，MJ；Qcg為常規(guī)熱源耗能量，MJ；V為水箱的容積，m3；ρ為水箱熱水的平均密度，kg/m3；c為水箱熱水的平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；V′為日平均用水量，m3；η為集熱系統(tǒng)效率，%；t1為集熱系統(tǒng)使水箱達(dá)到的溫度，℃；t2為用戶使用的溫度，一般為55 ℃；t0水箱初始溫度，一般為15 ℃。

集熱器的效率跟水箱容積和水箱溫差成正比，跟集熱面積和日照強(qiáng)度成反比；在集熱系統(tǒng)一定的條件下，水箱最高溫度與集熱效率成線性關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及仿真模型的建立

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文研究對(duì)象為銀川市興慶區(qū)的“塞上嬌子”住宅區(qū)二區(qū)二期太陽(yáng)能示范區(qū)域，其緯度為38°29′，經(jīng)度為106°13′。該項(xiàng)目總用地面積為18.16 hm2，總建筑面積為48.66萬(wàn)m2；二區(qū)共建設(shè)18個(gè)單體建筑，分多層和高層兩種形式，共714戶，面積為8.83萬(wàn) m2。

項(xiàng)目研究所用的檢測(cè)設(shè)備由可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)評(píng)檢測(cè)儀TRM-2D、總輻射表TBQ-2、風(fēng)速傳感器EC-PS和溫度傳感器PTWD-2A等。該項(xiàng)目均采用平板型集熱器和封閉式承壓蓄熱水箱。

2.2 模型的建立

本文利用TRNSYS瞬時(shí)系統(tǒng)模擬程序?qū)μ?yáng)能光熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，TRNSYS 仿真模型如圖1所示，平板型集熱器、集熱水箱和水泵均采用的是TESS中的模塊，TESS是美國(guó)專門針對(duì)暖通空調(diào)開(kāi)發(fā)的模塊。集熱器效率模型采用與水箱平均溫度相關(guān)的模型；集熱水箱模擬采用輔助加熱同時(shí)啟用模型；天空散射輻射模型采用Perez 模型。

圖1 TRNSYS 仿真模型

2.3 模型的驗(yàn)證

以55#樓2單元1701室為例，設(shè)置模型參數(shù)與實(shí)際值一致：環(huán)境溫度為23.7 ℃，平均風(fēng)速為0.2 m/s，太陽(yáng)輻照量為13.29 MJ/m2，集熱器面積為1.75 m2，儲(chǔ)熱水箱容積為100 L，儲(chǔ)熱水箱熱損失系數(shù)為3.69 W/K。

模擬出2019年8月29日-8月31號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，該模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的偏差在可接受的范圍內(nèi)，因此該模型可用來(lái)進(jìn)行相關(guān)模擬。

表1 各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的結(jié)果

2.4 模擬結(jié)果分析

集熱系統(tǒng)的得熱量直觀反映在儲(chǔ)熱水箱的溫度上，圖2為模型模擬出的水箱溫度全年變化情況，水箱最高溫度可以達(dá)到55 ℃左右，由于天氣和輻照量等因素的影響，水溫基本在35 ℃上下波動(dòng)，全年運(yùn)行平穩(wěn)。

圖2 水箱溫度全年變化情況

圖3為集熱器安裝角度與太陽(yáng)能面積補(bǔ)償比的關(guān)系，由圖3可知：集熱器的安裝角度與太陽(yáng)能面積補(bǔ)償比之間存在線性關(guān)系，越靠近正南方向面積補(bǔ)償比越大，當(dāng)安裝傾角30°、方位角在南向±10°內(nèi)太陽(yáng)能面積補(bǔ)償比可達(dá)到100%。

圖3 集熱器安裝角度與太陽(yáng)能面積補(bǔ)償比的關(guān)系

為了深入優(yōu)化光熱系統(tǒng)，下面分別模擬基于集熱面積在50 m2、55 m2、60 m2、65 m2、70 m2，儲(chǔ)熱水箱容積在5 m3、8 m3、10 m3、15 m3，同時(shí)設(shè)置集熱器安裝傾角為30°、方位角為正南時(shí)集熱器面積與水箱溫度的關(guān)系如圖4所示，水箱容積與水箱溫度的關(guān)系如圖5所示。

圖4 集熱器面積與水箱溫度的關(guān)系

圖5 水箱容積與水箱溫度的關(guān)系

由圖4和圖5可知，水箱容積一定時(shí)，集熱器面積增大則水箱溫度升高，集熱面積過(guò)小會(huì)導(dǎo)致水箱溫度達(dá)不到要求，但集熱面積過(guò)過(guò)大則易造成資源的浪費(fèi)。當(dāng)集熱器面積一定時(shí)，水箱容積越小則水箱溫度越高，水箱容積過(guò)大不僅造成投資加大而且水溫也難以滿足用戶需求，水箱容積過(guò)小則溫度超過(guò)設(shè)定值。不同水箱容積的水箱溫度和系統(tǒng)效率如圖6所示，不同集熱面積的水箱溫度和系統(tǒng)效率如圖7所示。

圖6 不同水箱容積的水箱溫度和系統(tǒng)效率

為了得出集熱器面積與儲(chǔ)熱水箱容積最佳組合，設(shè)計(jì)一組正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)

正交實(shí)驗(yàn)圖如圖8所，由圖8可知，集熱器的效率與水箱容積的變化基本保持一致，受集熱面積的影響幾乎不大；水箱最高溫度變化與水箱容積變化相反，當(dāng)容積一定時(shí)增加集熱面積對(duì)水箱溫度改變不大，從初投資和節(jié)約材料的角度來(lái)看，在滿足用戶用熱水需求的前提下，選用8 m3儲(chǔ)熱水箱與55 m2的集熱器即可。

圖8 正交實(shí)驗(yàn)圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了TRNSYS光熱系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)改變集熱器安裝傾角和方位角得到最大的太陽(yáng)能面積補(bǔ)償比；同時(shí)通過(guò)對(duì)集熱器面積和儲(chǔ)熱水箱容積的分析，可知，集熱效率和水箱溫度與集熱面積、水箱容積均成線性系；考慮到初投資和節(jié)約材料的因素，本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)給出了集熱器面積與水箱容積的最佳配比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模擬分析可以得出以下結(jié)論：

1)銀川地區(qū)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)為達(dá)到最佳太陽(yáng)能利用率，集熱器安裝傾角應(yīng)為30°，方位角在南向±10°以內(nèi)。

2)集熱器的效率與水箱容積成正比，與集熱器面積成反比；在集熱器效率一定的情況下，改變水箱容積對(duì)水箱溫度的變化更為顯著。

3)根據(jù)用戶需求選擇儲(chǔ)熱水箱后，在保證系統(tǒng)的綜合性能的前提下，即集熱器的得熱量可以使水箱溫度達(dá)到55 ℃，若再增加集熱器的集熱面積將會(huì)使集熱效率降低，水箱溫度變化較小。