太陽能熱水系統計算模塊開發與研究
鐘永恒1 章文杰1 白冰1 郝斌2
1 南京理工大學能源與動力工程學院；2 深圳市建筑科學研究院股份有限公司
【摘 要】太陽能熱水系統作為一種成熟的太陽能利用方式廣泛應用各個國家。在工程應用領域的設計安裝過程中需要建筑模擬仿真軟件對其進行模擬分析，找到設計安裝的最優形式和存在問題，降低工程成本。本文利用完全自主開發的太陽能熱水系統計算程序，與其他模擬仿真軟件進行對標，并對實際工程進行模擬計算，與實際監測數據進行對比分析。結果表明，程序模擬結果與仿真軟件和實際監測數據誤差率為20%和74%以內，考慮實際問題后，均在合理控制范圍內。本文計算模型方法可對太陽能生活熱水工程實際提供一定參考。
【關鍵詞】太陽能 生活熱水 計算模型 能耗模擬
【基金項目】國家重點研發計劃項目“機電系統和可再生能源系統與建筑熱過程耦合計算模型開發”（編號：2017YFC0702203）
Abstract：As a mature solar energy utilization method, solar water heating system is widely used in various countries. In the process of design and installation in engineering application field, building simulation software is needed to simulate and analyze it, find the optimal form and existing problems of design and installation, and reduce the engineering cost. In this paper, a completely self-developed solar water heating system calculation program is used to benchmark with other simulation software, and the actual project is simulated and compared with the actual monitoring data. The results show that the error rates between the program simulation results and the simulation software and the actual monitoring data are within 20% and 74%, which are within the reasonable control range after considering the actual problems. The calculation model method in this paper can provide some reference for the actual living hot water engineering with solar energy.
Keywords：Solar energy；Domestic hot water,；Computational model,；Energy consumption simulation
0 引言
隨著我國生活水平的改善和生產需要，建筑能耗不斷增高，截止目前已經達到10億t[1]，節能減排勢在必行，太陽能生活熱水是目前技術最為成熟且產業化發展最快的可再生能源形式，已成為可再生能源建筑應用領域最為公眾熟知和貼近居民日常生活的應用形式。
國內外在建筑性能仿真軟件的開發上做了很多努力，目前得到業內廣泛認可并大規模應用的仿真軟件主要有: ESP-r[3]、DOE-2[4]、TRNSYS[5]、EnergyPlus[6]和DeST[7]，Ayompe[8]利用TRNSYS建模了一個用于溫帶氣候的強制循環太陽能熱水系統模型，該系統的集熱器由拋物面槽聚焦集熱器(PTC)和高效真空管集熱器(ETC)兩部分組合而成。通過在都柏林安裝的實驗系統所獲得的實驗數據得，該模型PTC系統的集熱器出口流體溫度的平均誤差百分比為16.95%，ETC系統的集熱器出口流體溫度的平均誤差百分比為18.4%。盧素珍[9]對高層建筑的太陽能熱水系統進行了調研分析，針對太陽能熱水系統與建筑的結合問題提出應用策略和技術方案。并利用TRNSYS搭建了分體式強制循環太陽能熱水系統仿真模型，通過實驗及模型對太陽能熱水系統控制策略進行優化。Hobbi[10]模擬了加拿大蒙特利爾單戶住宅單元的強制循環太陽能熱水系統，并利用TRNSYS搭建了仿真模型，對集熱器的流量，水箱容積，集熱器面積等參數進行了優化設計。
大量研究表明，太陽能熱水應用的實際效果受到多種因素的影響，需要采用系統性能模擬仿真，對太陽能熱水系統進行研究，優化解決實際運行中的一系列問題。太陽能由于其間斷性，并不能作為穩定的熱源。為使用戶能持續不斷使用熱水，本文在太陽能熱水系統中加以輔助熱源以保證熱量的穩定，使用自主開發編寫的太陽能生活熱水計算程序對實際工程進行模擬分析。
1 太陽能生活熱水計算模型
1.1 光熱模型開發
針對光熱模型的開發，圖1展示了詳細的技術路線流程圖；此模型主要分為四個部分，即集熱器模型、水箱模型、控制系統模型、輔助熱源部分。太陽能熱水模型是通過選擇不同的集熱器類型以及水箱模型；通過輸入相應的氣象、計算參數，從而得到相應的集熱器有用集熱量和出口工質溫度；根據能量守恒定律，集熱器的有用能量轉移到儲熱水箱中，在儲熱水箱中通過相應的水箱數學模型算出實際的水溫；通過水箱的原始設定溫度與實際水箱模型計算得出的溫度之間的差值比較，控制系統反饋信號，控制循環泵和輔助加熱模塊，通過增加集熱量以及輔助熱量，使水箱溫度達到設定值。
圖1 技術路線流程圖
1.2 模型與機理
圖2 物理過程圖
太陽能集熱系統中最重要的是集熱器部分，以平板集熱器為例，進行物理過程分析。如上圖2所示， 集熱器輸出的有用能量等于入射在集熱器上的太陽輻照量減去集熱器對周圍環境散失的熱量，其中集熱器的熱損失包括頂部熱損、側邊熱損和底部熱損。集熱器輸出的有用能量進入儲熱水箱中，儲熱水箱儲存集熱器所搜集的太陽能，根據儲熱水箱中的水溫與設定溫度的差值，來確定是否開啟輔助熱源以及所需輔熱量。
圖3 集熱器集熱過程圖
先針對太陽能熱水系統中集熱器部分進行物理模型和數學模型分析，集熱器的頂部熱損失包括吸熱板與蓋板之間的對流輻射熱損失和蓋板與天空之間的對流、輻射熱損失。
集熱器有效能量輸出等于相同時間內吸收的輻射能與所有熱損失差值，平衡方程為：
Qu=QA-QL （1）
Qu=FRAc[IT(τɑ)e-UL(Ti-Ta)] （2）
式中Qu為集熱器獲得的有用能，MJ；FR為集熱器的熱遷移因子，無因次；Ac為集熱器面積，m2；(τɑ)e為蓋板透射率與吸熱板吸收率的有效乘積，無因次；UL為總熱損系數，W/(m2·K)；Ti為集熱器工質進口溫度，℃；Ta為環境溫度，℃。
集熱器總熱損失系數[9,11]：
UL=Ut+Ub+Ue （3）
式中 Ub為底部熱損系數，Ue為邊緣熱損系數，Ut為頂部熱損系數。
1.3 模型算法流程
圖4 算法流程圖
如圖4所示，輸入相應的集熱器參數以及氣象參數，通過相關的模型計算出集熱器在一天中所得的有用能量和輔熱量，并且計算出相應每個時刻的集熱器出口溫度及對應時刻水箱中的溫度。水箱的溫度即是下一時刻集熱器開始集熱時的進口溫度，經過一天的集熱后，水箱中水溫如小于設定溫度，則通過輔助熱源加熱水至設定溫度。
2 模型算法對標
本文采用兩進兩出能量平衡方程[12]，在已有太陽能集熱計算基礎上，針對工程實際應用中關注的輔助加熱量進行研究。計算求出集熱器集熱量、系統損失熱量、用戶用熱量，通過平衡方程求出相對應的輔熱量。
選取三層住宅建筑，每層3.6米，共120m2。選定3層兩個屋頂為光熱安裝位置。氣象數據采用北京的典型氣象年的氣象數據。集熱器面積為8m2，安裝為南向41°，分別采用開發程序和Trnsys以及EnergyPlus對其進行模擬運算。針對用戶用水模型進行劃分，將每日用水量劃分為每時刻用水量，計算出對應每時刻用戶用熱量。用戶用水模型符合用水規律，具有一定的平穩性、交變性和周期性，一天當中出現早、中、晚3個用水高峰，晚間用水量最大。其他時段變化不明顯。符合住宅建筑的特點。
圖5 用戶用水模型圖 圖6 典型日太陽輻照模型對比
圖7 典型日逐時輔助加熱量對比 圖8 對標誤差值
主程序光熱系統和Trnsys以及EnergyPlus輸出結果，圖6為選取典型日太陽輻照模型計算結果對比，計算程序與Trnsys和Energyplus計算結果基本相同，圖7為用戶期望得到的太陽能熱水系統輔助加熱量。在早晨和晚間的輔助加熱量比較大，中午的輔助加熱量比較小，滿足相應的變化規律。圖8為主程序對標兩種模擬軟件的誤差值，對標Trnsys模擬結果誤差值在46%以內，對標EnergyPlus模擬結果誤差值在38%以內。程序變化規律與模擬結果基本一致,全年輔助加熱量呈現先降低后增加的趨勢。同時符合選取年全年的輻照變化規律，冬季輻照強度低，輔助加熱量高，到了夏季，由于輻照強度變高，輔助加熱量相應變低。由圖可知程序模擬的系統輔助加熱量結果比Trnsys和Energyplus大，這是由于在系統熱量損失計算時加入了系統管路的損失熱量，根據兩進兩出能量平衡此時維持能量平衡需要的輔助加熱量增大，計算程序的結果更接近于工程實際計算。
3 實測驗證計算
選取上海某高校學生宿舍集中太陽能熱水系統應用工程項目為研究對象[13]，基于系統全年運行逐時監測數據，與模擬程序計算結果進行對比驗證分析，該工程采用集中集熱集中輔熱式太陽能熱水系統，為男生宿舍提供洗浴熱水。建筑共六層，共450人入住，每層東西兩側各設一間浴室，每間浴室設置三個淋浴噴頭。集中集熱系統安裝于建筑屋頂，采用玻璃熱管式集熱器，集熱面積為230m2。系統設置雙水箱，位于二層裙樓樓頂，儲熱水箱A容積為12m3，恒溫水箱B容積為6.75m3。集中輔熱熱源形式為空氣源熱泵熱水機組，共設三臺空氣源熱泵熱水機組對儲熱水箱A進行輔助加熱，恒溫水箱B設有電伴熱。浴室熱水供應時間為15:00~22:30，供水溫度為 55℃。太陽能生活熱水主程序對輸入參數進行模擬計算，輸出結果如下表。
表1 光熱程序模擬輸出結果
圖9 典型日逐時集熱量 圖10 逐月集熱量
選取典型日的逐時集熱量發現變化趨勢呈現為先上升，在下午2時達到最大值，隨后在傍晚6時左右降低為0W，一天內的集熱量隨氣象條件的變化較為穩定，符合預期結果。逐月集熱量中，全年呈現為先上升后下降的趨勢，在2月的集熱量最低，為42295.48MJ，隨后穩定增長到8月份達到最大值，為98138.56MJ。從選取的典型日和逐月集熱量來看，由于暫時沒有考慮到設備維保周期等一系列工程問題，程序模擬的數據呈現出穩定變化的趨勢。
圖11 典型日逐時輔助加熱量 圖12 全年逐時輔助加熱量
從選取的典型日來看，逐時輔助加熱量從早上5時開始增加，到7時左右達到峰值拐點，為19845w，隨后逐漸降低，這一時間段為學生用水集中期。下午從15時開始輔熱量逐漸增加，到17時到達峰值拐點，為37638W，此時為全天內學生用水高峰，且太陽能集熱量較少，隨后逐漸降低。模擬數據符合用水習慣及當天太陽輻照模型，從全年輔助加熱量來看，總體呈現先下降后增加的趨勢，符合全年氣象變化趨勢。且從圖中可以看出，仍有少許時間段呈現出反常陡增陡降的變化，這是因為陰雨天太陽能集熱量大量減少導致，符合實際用能經驗。
表2 實測輔熱量及程序模擬誤差
圖13 程序與實測逐月輔助加熱量對比
將逐月輔助加熱量程序模擬結果與實際監測數據對比，發現逐月輔助加熱量變化趨勢基本一致，整體呈現為先降低后增加，模擬計算結果在實測數據上下波動，最小誤差出現在10月，為0.24%，與實際監測結果較為一致，最大誤差出現在2月，為74.16%，出現的原因可能為該工程為某高校學生宿舍樓，由于假期影響，實際工程中的輔助加熱量較低，而模擬計算程序沒有考慮這一因素。而在夏季假期期間，有學生留校進行科研工作等，所以夏季太陽能生活熱水系統正常運行。
4 結論
本文提出了自主開發的太陽能生活熱水模擬仿真程序，介紹了計算模型與機理，將其與業內廣泛應用的兩種模擬仿真軟件進行對標計算，看出典型日太陽輻照模型中程序模擬結果與變化趨勢與兩種仿真軟件基本一致。典型日中的逐時輔助加熱量誤差值同時分別對標Trnsys和EnergyPlus兩種模擬計算軟件，誤差值為46%和38%以內。且程序模擬的系統輔助加熱量結果比仿真軟件值大，這是由于在系統熱量損失計算時加入了系統管路的損失熱量，使得本程序更接近于工程實際。
同時選取了上海某工程實際案例，將程序模擬值與實際監測值進行對比分析，發現程序模擬的集熱量呈穩定變化趨勢，輔助加熱量與實際監測值的誤差范圍為0.24% ~ 74.16%，最大誤差值出現在學校冬季假期時間內，夏季假期由于學生留校，熱水持續供應，誤差值處在穩定變化范圍內。
隨著計算機的軟硬件技術不斷革新，建筑仿真技術得到了充分發展，太陽能熱水應用方面，用實時仿真模型來研究控制策略和優化設備性能已經成為主要方法，本文從實際工程意義出發，提出了完全自主研發的太陽能生活熱水模擬程序和分析了仿真實測數據，可以看出，該計算模型方法可以給工程設計中的基準穩定狀態提供參考。
參考文獻：
[1] 清華大學建筑節能研究中心．中國建筑節能年度發展研究報告 2020［M］.北京: 中國建筑工業出版社， 2020.
[2] 王珊珊,郝斌,彭琛,郭嘉羽.太陽能生活熱水工程應用現狀與應對策略［J］.建設科技,2016(16):9-11.
[3] Strachan P A，Kokogiannakis G，Macdonald I A．History and development of validation with the ESP-r simulation program［J］．Building ＆ Environment，2008，43(4):601-609.
[4] Birdsall B，Buhl W F，Ellington K L，et al Overview of the DOE 2 building energy analysis program，version 2. 1 D［M］．Lawrence Berkeley Laboratory，1985.
[5] TRNSYS．TRNSYS 16. 1: A Transient Simulation Program［M］．University of Wisconsin，Madison，USA．2007
[6] Crawley D B，Lawrie L K，Winkelmann F C，et al．EnergyPlus:creating a new-generation building energy simulation program［J］．Energy ＆ Buildings，2001，33( 4) : 319-331.
[7] Yan D，Xia J，Tang W，et al．DeST — An integrated building simulation toolkit Part I: Fundamentals［J］．Building Simulation，2008，1( 2) : 95-110.
[8] Ayompe L M , Duffy A , Mccormack S J , et al. Validated TRNSYS model for forced circulation solar water heating systems with flat plate and heat pipe evacuated tube collectors[J]. APPLIED THERMAL ENGINEERING, 2011.
[9] 盧素珍. 高層建筑規?；瘧锰柲軣崴到y研究[D]. 天津大學, 2008.
[10] Hobbi A , Siddiqui K . Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS[J]. Solar Energy, 2009, 83(5):700-714.
[11] 許雪松, 朱躍釗. CPC型熱管式真空管集熱器的熱性能研究[J]. 南京工業大學學報（自科版）, 2004, 26(6):53-56.
[12] 彭琛,郝斌編著.從“太陽能”到太陽“能”——太陽能熱水系統的效能與設計[M].北京：中國建筑工業出版社.2018.
[13] 陸元元,郝斌,李曉林,唐軒.宿舍建筑太陽能熱水系統熱性能案例分析[J].建設科技,2019(22):39-43.
備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。