皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉昌盛 李麗霞 李娟 詹源

一 引言

太陽能建筑一體化是太陽能熱利用方面的重要組成部分，太陽能工程化系統(tǒng)得到了越來越廣泛地推廣與應(yīng)用。為了克服在太陽能系統(tǒng)建筑應(yīng)用過程中的方案選擇不統(tǒng)一、安裝規(guī)范不標準、設(shè)備選型不準確等問題和弊端，需要一款專門為太陽能工程系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計軟件，不但可以迅速快捷地給用戶一整套系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化方案，而且還能夠?qū)ν顿Y回收比和經(jīng)濟、環(huán)境效益分析做出綜合科學(xué)的評價，也為太陽能的大面積推廣和實現(xiàn)可再生能源替代起到一定的推動作用。

二 太陽能設(shè)計軟件研究現(xiàn)狀

1 國外現(xiàn)狀

太陽能系統(tǒng)設(shè)計軟件在歐美一些發(fā)達國家發(fā)展的較早，致力于太陽能系統(tǒng)設(shè)計軟件開發(fā)利用的科研機構(gòu)包括：美國威斯康辛大學(xué)、SPF瑞士太陽能技術(shù)研究所(國際權(quán)威檢測機構(gòu))以及加拿大自然資源署等等。自從上個世紀九十年代起，這些科研機構(gòu)就將太陽能家用和工程系統(tǒng)的設(shè)計與計算機輔助功能結(jié)合起來，先后研制開發(fā)了數(shù)款適用于不同條件下的系統(tǒng)設(shè)計軟件，促進了太陽能熱利用和太陽能建筑一體化的進程。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，在我國的太陽能系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，無論是家用小型的太陽能熱水器還是大型的太陽能光熱工程系統(tǒng)，對于整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計軟件研究基本上還是空白的。國內(nèi)還沒有一款獨立開發(fā)的適合我國條件的太陽能系統(tǒng)設(shè)計軟件。

中國建筑科學(xué)研究院在2003年承擔了聯(lián)合國基金會(UNF)項目——“太陽熱水器一體化住宅的試點項目改型設(shè)計、實用設(shè)計手冊編寫及相關(guān)培訓(xùn)”，初步形成了太陽能系統(tǒng)軟件開發(fā)的設(shè)計思路，但是由于國內(nèi)太陽能系統(tǒng)設(shè)計行業(yè)的發(fā)展限制和一些硬件基礎(chǔ)、軟件人才的欠缺，我國自主開發(fā)的太陽能設(shè)計軟件遲遲沒能問世，在一定程度上影響了我國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展進程。

三 太陽能設(shè)計軟件介紹

1 F-chart

F-chart是美國在2001年研究開發(fā)的一款用于太陽能供熱系統(tǒng)設(shè)計及性能和經(jīng)濟分析的軟件，是一種國際通用的穩(wěn)態(tài)太陽能供暖和熱水系統(tǒng)性能分析方法。在輸入氣象數(shù)據(jù)、建筑物供暖和熱水數(shù)據(jù)、集熱器性能參數(shù)、經(jīng)濟性參數(shù)后，系統(tǒng)設(shè)計軟件可以計算出一年中每個月供熱總負荷中太陽能系統(tǒng)所能提供的份額、集熱器表面接受太陽輻射量、建筑物供暖負荷、熱水負荷等。

圖1 F-chart操作界面

此外F-chart所具有的經(jīng)濟性分析程序還可以計算出系統(tǒng)的初投資、投資回收年限、總節(jié)省能源、經(jīng)濟性分析年限內(nèi)每年的系統(tǒng)投資、系統(tǒng)節(jié)省燃料費用等。工程設(shè)計人員可以利用本程序?qū)ο到y(tǒng)的熱性能及其經(jīng)濟性進行全面分析。

2 RET-Screen

RET-Screen是由加拿大自然資源部屬下CANMET能源中心向全球提供的一款免費的可再生能源項目分析軟件，用來評估各種能效、可再生能源技術(shù)的節(jié)能量、節(jié)能效益、壽命周期成本、減排量和財務(wù)風(fēng)險。

圖2 RET-Screen操作界面

RET-Screen分析軟件除了本身囊括了世界范圍內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)庫和典型品牌集熱器性能數(shù)據(jù)庫以外，還包括以下五個模塊：項目初始化模塊、能源計算模塊、成本分析模塊、經(jīng)濟效益分析模塊、環(huán)境效益分析模塊，從各個方面與角度實現(xiàn)對系統(tǒng)的效益分析。

圖3 Poly-sun操作界面

3 Poly-sun

Poly-sun太陽能系統(tǒng)模擬軟件是由瑞士太陽能研究所SPF下屬Vela Solaris AG公司專為太陽能系統(tǒng)設(shè)計、安裝開發(fā)的一款軟件，包含太陽能光熱系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)、熱泵和太陽能空調(diào)4個模塊。

Poly-sun太陽能系統(tǒng)模擬軟件分為普通版、專業(yè)版和設(shè)計版三個版本。普通版可以使用軟件數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有部件和系統(tǒng)進行模擬計算，輸出的計算結(jié)果較簡單。專業(yè)版可以使用數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有部件，也可對部件參數(shù)進行修改，不能創(chuàng)建系統(tǒng)圖，只能使用軟件數(shù)據(jù)庫中的系統(tǒng)圖。設(shè)計版為最高版本，不僅可以修改、輸入部件參數(shù)，也可以創(chuàng)建設(shè)計者自己設(shè)計的系統(tǒng)，輸出結(jié)果也十分詳細和多樣化，功能最強大。

4 TRN-sys

TRN-sys是美國威斯康辛大學(xué)太陽能實驗室1981年建立的大型太陽能系統(tǒng)瞬態(tài)模擬軟件，后在法國建筑技術(shù)與科學(xué)研究中心、德國太陽能技術(shù)研究中心以及美國熱能研究中心的共同努力下逐步完善。

TRN-sys系統(tǒng)的最大特色在于其模塊化的分析方式。一個模塊實現(xiàn)一種特定的功能，如熱水器模塊、單溫度場分析模塊、太陽輻射分析模塊、輸出模塊等。軟件除了對太陽能光熱和光伏系統(tǒng)進行模擬計算外，還可對多種系統(tǒng)的運行狀況進行動態(tài)仿真，主要包括建筑物逐時能耗分析、優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)方案、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)模擬計算、地板輻射采暖供冷系統(tǒng)模擬計算、蓄能系統(tǒng)模擬計算等等。

軟件模塊的源代碼開放，用戶根據(jù)各自的需要修改或編寫新的模塊并添加到程序庫中，計算靈活。模塊化開放式結(jié)構(gòu)，用戶可以根據(jù)需要任意建立連接，形成不同系統(tǒng)的計算程序 。

圖4 TRN-sys操作界面

四 新型軟件開發(fā)思路與展望

一個產(chǎn)業(yè)如果要得到迅猛的發(fā)展，高效化、規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和工程產(chǎn)品運轉(zhuǎn)周期是非常重要的。硬件產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和軟件產(chǎn)業(yè)功能要從行業(yè)政策、發(fā)展規(guī)模及客戶需求等多方面進行綜合匹配。

隨著太陽能熱利用技術(shù)的進步和發(fā)展，熱利用方式類別多種多樣，而且建筑形式千差萬別，這就對既有太陽能設(shè)計軟件在實用性、科學(xué)性以及與建筑完美結(jié)合等方面提出了嚴峻挑戰(zhàn)。開發(fā)一款適用于不同終端用戶需求的太陽能設(shè)計軟件，實現(xiàn)從方案設(shè)計、工程計算、圖紙繪制，到材料設(shè)備統(tǒng)計報貨、經(jīng)濟環(huán)境效益分析的項目運作的一系列單元功能模塊，是推動太陽能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進程的必然趨勢。

1 提高設(shè)計效率

在太陽能熱利用工程迅猛發(fā)展的今天，提高設(shè)計軟件的速度和準確度無疑對企業(yè)設(shè)計方、工程施工方及招標建設(shè)單位都有很大益處。所謂計算機輔助工具就是要求工程計算比人工更智能、更準確，對于新開發(fā)的太陽能設(shè)計軟件，快速簡潔是前提和基礎(chǔ)，同時對于軟件的可操作性和人性化設(shè)計也要有提升和改進。

2 精確統(tǒng)計報貨

人工統(tǒng)計表格進行材料設(shè)備統(tǒng)計，不可避免會出現(xiàn)遺漏、差錯等情況，對后續(xù)工程進展中的采購、運輸及安裝等環(huán)節(jié)帶來影響，耽誤項目工期。設(shè)計軟件需要具有精確的設(shè)備材料統(tǒng)計功能，可以對整個太陽能系統(tǒng)中設(shè)備部件，包括集熱器、管材、閥件、泵房設(shè)備等進行精確的數(shù)量和型號匯總，輸出材料統(tǒng)計明細表，高效準確地指導(dǎo)施工。

表1 新型太陽能設(shè)計軟件特點

3 演示生動形象

目前太陽能系統(tǒng)工程項目的運作趨于正規(guī)化和程序標準化，項目都是以招投標的形式確定廠商。太陽能工程設(shè)計軟件要有非常生動形象的界面和顯示，如可以借鑒和嘗試當下流行的三維設(shè)計軟件。工程項目建筑主體和太陽能系統(tǒng)，包括集熱部分、設(shè)備間、連接管路等，都以生動形象的三維動畫演示和動態(tài)觀察，可以吸引項目招標方和受眾人群，更好地展示和提升企業(yè)自身技術(shù)實力。

隨著國家產(chǎn)業(yè)政策扶持和人們對于可再生能源應(yīng)用的認可和推崇，太陽能熱利用領(lǐng)域得到了空前的發(fā)展，預(yù)計2020年我國太陽能光熱產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)量可達2.7億m2，太陽能熱利用行業(yè)總保有量超過8億m2，年節(jié)約標煤1.22億t，減排二氧化碳2.62億t。中國太陽能熱利用產(chǎn)業(yè)將迎來高速發(fā)展的新紀元。

開發(fā)集設(shè)計、計算、制圖、分析、演示、統(tǒng)計等功能于一身的新型太陽能光熱系統(tǒng)設(shè)計軟件，通過其自身強大的智能、快速、準確、形象等特點，推動太陽能光熱利用產(chǎn)業(yè)工程化、規(guī)?；M程，將成為未來太陽能熱利用發(fā)展的重要支撐手段之一。