基于供熱溫度的太陽能供暖系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)優(yōu)化模擬研究

王世棟

摘要：建立太陽能供暖系統(tǒng)能量平衡方程，揭示太陽能集熱器、水箱和建筑熱負荷之間的能量流動關(guān)系。利用TRNSYS軟件對西安某典型建筑供暖季水箱平均溫度和系統(tǒng)添加的輔助熱量進行了模擬。討論了改變系統(tǒng)組合和儲存溫差時的運行條件，發(fā)現(xiàn)水箱的蓄熱時間與太陽輻射時間有很大的不同。太陽能采暖系統(tǒng)采用溫度較低的地板采暖，集熱器形式，可保證存儲溫度范圍在15°C。最后給出了集熱器單位面積所需儲罐容積的推薦值，可為太陽能系統(tǒng)關(guān)鍵部件容量設(shè)計提供。

關(guān)鍵詞：太陽能供暖;供熱溫度;TRNSYS;關(guān)鍵參數(shù);優(yōu)化設(shè)計

1. 引言

雖然太陽能供暖技術(shù)在實際應(yīng)用中存在不穩(wěn)定、保證率低的問題，但其技術(shù)已日趨成熟。蓄熱罐的存在將有助于改善這種情況，但在設(shè)計中，蓄熱罐的體積主要是根據(jù)相關(guān)規(guī)范手冊中集熱器面積的推薦值來確定的[1]。國內(nèi)外學(xué)者對太陽能采暖系統(tǒng)進行了一定的研究，其中以全生命周期能量為基礎(chǔ)，Yan等[2]對太陽能采暖系統(tǒng)的選型和設(shè)計進行了分析，提出根據(jù)集熱器面積選擇蓄熱罐容積。劉艷峰等[3]分析了太陽能供熱系統(tǒng)中水箱容積的選擇，并根據(jù)項目實際情況給出了不同地區(qū)單位集熱器面積所需水箱容積的推薦值。Kemal等[4]研究了集熱器面積與儲罐容積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)集熱器效率在0.35～0.45之間時，儲罐容積與集熱器面積的比值可以在50～70 L/m2之間。然而，這些研究忽略了熱水供應(yīng)的溫差和提供高溫水的能力的差異，這都是由不同的冷卻系統(tǒng)的末端和不同種類的集熱器造成的，不同的存儲溫度需要不同的儲罐存儲。

通過建立太陽能主動采暖系統(tǒng)的能量平衡方程，分析了影響系統(tǒng)容量設(shè)計的主要因素，通過模擬不同系統(tǒng)組合工況下水箱平均溫度和系統(tǒng)在采暖季節(jié)的運行情況，分析了在不同條件下下，水箱蓄熱容積和太陽能集熱器面積的最佳選擇策略。可為太陽能供暖系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

2. 理論分析

2.1 水箱蓄放熱模型

太陽能供熱系統(tǒng)的蓄熱過程分為兩個階段，第一個階段為蓄熱階段，從τ1 h開始，系統(tǒng)收集的熱量大于建筑物損失的熱量，剩余的熱量由蓄熱罐儲存;直到τ2 h小時，當(dāng)系統(tǒng)收集的熱量不能滿足消耗的要求時，系統(tǒng)達到最大的蓄熱量。

然后水箱釋放熱量，這一階段稱為放熱過程。隨著熱量的釋放，當(dāng)熱量不能滿足熱量需求時，輔助熱源與蓄熱系統(tǒng)一起開始工作以滿足系統(tǒng)要求。建立了兩相儲罐的儲存模型和放熱模型。

能量守恒函數(shù)和質(zhì)量守恒函數(shù)在兩個階段求解。蓄熱階段，系統(tǒng)各部分的節(jié)能表達式如下：

式中：為集熱器系統(tǒng)的有效熱量;可以表示如下[5]：

式中：τ0和τ3分別為有效集熱的開始時間和結(jié)束時間;Iθ（τ）為集熱器傾斜上的太陽輻射強度，KJ/Hr;Ac為集熱器面積，m2;ηcd 為集熱器瞬時效率。

為水箱集熱量，可用下式表述：

式中：c和ρ分別為蓄熱介質(zhì)的熱容量和密度;V為水箱的容積。

水箱第二階段放熱過程的能量守恒表達式為：

式中：放熱過程中輔助熱源為系統(tǒng)提供熱量，KJ。

2.2 水箱和集熱器面積分析

水箱的容積由最大蓄熱量和蓄熱溫度決定，計算表達式如下：

式中：T2 -T1 為蓄熱溫差。

水箱熱損失最小對應(yīng)的是最佳水箱容積。考慮到水箱與周圍環(huán)境的熱交換，儲水箱的熱損失可以表示為：

式中：TS-Ta 水箱與環(huán)境之間的瞬時溫差，K;A是水箱的外表面積，m2。

為了便于研究，S的定義是當(dāng)分配一個單元收集器面積時所需的儲罐容積;m3/m2。

2.3 模擬

本文選取西安某典型住宅建筑，以主動太陽能采暖系統(tǒng)為研究對象，以整個采暖季為模擬時間，分析了不同系統(tǒng)組合下的整個采暖季運行情況以及蓄熱溫差等。利用TRNSYS軟件建立太陽能供熱系統(tǒng)模型，對運行參數(shù)和蓄熱罐設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化。

3. 結(jié)果與討論

3.1 水箱蓄熱量分析

從整個采暖季的模擬數(shù)據(jù)中選取典型的一天，分析系統(tǒng)最大蓄熱量。根據(jù)TRNSYS的模擬計算，太陽輻射強度、建筑耗熱、集熱器系統(tǒng)有效熱集和輔助熱的日變化曲線如圖1所示。由圖可知，太陽輻射的出現(xiàn)后，收集器開始收集太陽能熱量提高收集器管道內(nèi)介質(zhì)的溫度及其熱損失補償，直到τ0時刻，管道內(nèi)介質(zhì)的溫度高于水的出口，循環(huán)泵和輸出有效的熱定型工作。

如上所述，太陽輻射開始時間比有效熱集出現(xiàn)時間早1小時左右，比蓄熱時間早近2小時;儲存熱量的結(jié)束時間比有效設(shè)定提前近1小時，一般比太陽輻射提前2小時。在圖1中，曲線與時間線之間的面積為物理總值，可以看出有效熱集和輔助熱的總和明顯大于建筑負荷，這是因為存在一定的熱損失。

3.2 蓄熱溫差和供熱溫度

溫差是指水箱的最高溫度與最低溫度之差。這兩個溫度分別對應(yīng)于蓄熱結(jié)束時和蓄熱開始時的溫度。其最大范圍受冷卻系統(tǒng)末端和集熱器類型的限制，兩者的差異將導(dǎo)致最低加熱水溫度和提供熱水的能力的差異，其范圍不應(yīng)超過出集水的最高溫度與入集水的最低溫度之間的范圍。

通過以上分析，蓄熱溫差應(yīng)在5～15°C范圍內(nèi)。為了選擇合理的系統(tǒng)形式，我們可以模擬在溫差為10°C的條件下，水箱容積和端部水溫不同時對水箱平均溫度的影響。

由圖2和圖3可知，儲罐容積越大，其熱容越大。在一定的熱集和水溫達到要求的情況下，所需要的輔助熱最大。當(dāng)輔助熱源功率固定時，熱容越大，水箱平均溫度越低，兩者呈顯著負相關(guān)。

當(dāng)水箱容積和加熱水溫度都較小時，水箱的熱損失和熱容都較小。隨著輔助加熱系統(tǒng)恒定功率時間的增加，水溫達到加熱溫度要求，水箱平均溫度與系統(tǒng)熱損失呈線性變化。在不斷增加水箱容積和加熱水溫的同時，水箱的熱容和熱損失也變大。盡管恒功率輔助加熱系統(tǒng)幾乎不間斷工作，但水溫仍達不到要求。綜上所述，采用低地板輻射盤管和集熱器的形式是比較合理的，保證了太陽能采暖系統(tǒng)實現(xiàn)15°C溫度范圍的蓄熱。

3.3 水箱容積和集熱器面積分析

通過以上分析，我們模擬了在儲罐溫度為40°C時，儲罐容積隨儲罐平均溫度和平均輔助熱在采暖季節(jié)的變化。結(jié)合熱損失計算公式，我們計算了采暖季日平均熱損失，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)S小于0.015 m3/m2時，改變罐體容積對熱損失影響不大，當(dāng)S為0.01 m3/m2時，熱損失最小。由于水箱容積的減少，輔助熱量明顯增加。雖然罐體熱損失變化不大，但系統(tǒng)熱損失的增加會引起輔助熱的增加。因此，考慮罐體的熱損失和輔助熱，儲罐容積對應(yīng)的一個單元集熱器面積在0.01～0.02 m3/m2之間。

4. 結(jié)論

通過分析太陽能供熱系統(tǒng)中儲水箱的蓄放熱過程，結(jié)合TRNSYS Simulation的工況，得到以下結(jié)論：

（1）水箱開始再生的時間比太陽輻射出現(xiàn)的時間延遲約2小時，水箱停止蓄熱的時間比太陽輻射消失的時間提前約2小時。

（2）太陽能采暖系統(tǒng)采用低地板輻射盤管和集熱器的形式，保證實現(xiàn)15°C溫度范圍的蓄熱是比較合理的。

（3）西安地區(qū)的蓄熱溫差推薦值約為5～15°C，一個單元集熱器面積對應(yīng)的儲水箱容積在0.01～0.02 m3/m2之間。

參考文獻：

[1]鄭瑞澄. 民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊. 化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[2]Chengchu Yan，Shengwei Wang，Zhenjun Ma，Wenxing Shi. 2015. A simplified design of solar water heating systems based on life-cycle optimal for method energy analysis. Renewable Energy，74（2），271-278.

[3]劉艷峰，王登甲. 太陽能地面采暖系統(tǒng)蓄熱水箱容積分析. 太陽能學(xué)報，2009，30（12），1636-1639.

[4]Kemal ?omakl?，U?ur ?ak?r，Mehmet Kaya，Kadir Bakirci. 2012. in solar heating systems. storage tank size and collector of relation The Energy Conversion and Management，63（11），112-117.

[5]張鶴飛. 太陽能熱利用原理與計算機模擬. 西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.