李 強(qiáng) 陳紅兵

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的模型建立與性能研究

李 強(qiáng) 陳紅兵

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

以實(shí)際工程的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為對(duì)象，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性并提出合理的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；通過(guò)對(duì)模擬的系統(tǒng)夏季典型日運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)的分析提出了提高系統(tǒng)性能的控制策略。

住宅集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，模型準(zhǔn)確性，評(píng)價(jià)指標(biāo)，控制策略

0 引言

加大太陽(yáng)能熱水器的推廣力度，鼓勵(lì)太陽(yáng)能集中供熱、太陽(yáng)能采暖等的研究，是發(fā)展可再生能源技術(shù)的關(guān)鍵[1]。然而，在住宅中廣泛應(yīng)用的太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)使用“太陽(yáng)能保證率”作為評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)具有局限性，不能反映常規(guī)能源的消耗情況[2]，此外系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到較好的節(jié)能效果。文章以實(shí)際工程為對(duì)象，根據(jù)能量平衡關(guān)系建立系統(tǒng)模型，并用MATLAB軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性?；隍?yàn)證后的模型，研究系統(tǒng)全年典型日運(yùn)行性能并提出更加節(jié)能的控制策略。

1 工程簡(jiǎn)況

該工程所在地為天津，其中每一單元配備了一套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)使用位于樓頂?shù)恼婵展芗療崞骷療幔瑑?chǔ)熱水箱設(shè)在樓頂機(jī)房?jī)?nèi)。系統(tǒng)供熱側(cè)的水通過(guò)間接換熱的方式將熱量傳遞給用戶。系統(tǒng)輔助熱源為安裝于戶內(nèi)水箱中的電加熱設(shè)備。

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

2.1集熱部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

該系統(tǒng)集熱部分為真空管集熱器，集熱和供熱部分封閉，與用戶進(jìn)行間接換熱。因?yàn)閮?chǔ)熱水箱遵循質(zhì)量守恒定律，所以任意時(shí)刻儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)水質(zhì)量的變化為：

(1)

其中，ρs為水的密度；Vc為儲(chǔ)熱水箱中水的體積，m3；mj為集熱器中水的流量，kg/s；my為從用戶流回儲(chǔ)熱水箱的水流量，kg/s；mc為儲(chǔ)熱水箱向外輸送熱水流量，kg/s；mr為儲(chǔ)熱水箱進(jìn)入集熱器的水流量，kg/s。

若集熱器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，令時(shí)間步長(zhǎng)為Δt，求解式(1)得儲(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)水量為：

(2)

其中，Vzt為Δt內(nèi)儲(chǔ)熱水箱的終態(tài)儲(chǔ)水體積，m3；Vqs為Δt內(nèi)儲(chǔ)熱水箱的起始儲(chǔ)水體積，m3；Δmc=my-mc，用戶端供水量與回水量之差，kg/s。

忽略儲(chǔ)熱水箱的散熱量[3]，任何時(shí)刻其熱量的變化為：

(3)

其中，cs為水的定壓比熱容；Tc為儲(chǔ)熱水箱的水溫，℃；qg為儲(chǔ)熱水箱單位時(shí)間的供熱量，W。

求解式(3)，得：

(4)

其中，Tzt為Δτ內(nèi)儲(chǔ)熱水箱的終態(tài)儲(chǔ)水溫度，℃；Tqs為Δτ內(nèi)儲(chǔ)熱水箱的起始儲(chǔ)水溫度，℃。

單位時(shí)間儲(chǔ)熱水箱的供熱量為：

qg=mccsTqs

(5)

所以，Δτ內(nèi)儲(chǔ)熱水箱的終態(tài)水溫為：

(6)

2.2供熱部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

該間接系統(tǒng)的供熱量包含管道的熱量散失和與末端用戶的換熱量:

qg=qsr+qhr

(7)

其中，qsr為單位時(shí)間內(nèi)管道散熱量，W；qhr為單位時(shí)間與用戶交換的熱量，W。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)使用架空敷設(shè)管道，則散熱能耗[4]為：

(8)

其中，Kj為管道各單位長(zhǎng)度管段的傳熱系數(shù)，W/(m·℃)；Lj為各管段長(zhǎng)度，m；Tj為各管段水溫，℃；Tgk為管井中空氣的溫度，℃。

立管的熱水循環(huán)至用戶，當(dāng)熱水與戶內(nèi)水箱的水溫差大于8 ℃時(shí)電磁閥打開(kāi)，熱水流至戶內(nèi)進(jìn)行熱交換，換熱量為：

qhr=h(Tc-Thn)

(9)

其中，h為用戶換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Thn為戶內(nèi)水箱的水溫，℃。

2.3用熱部分?jǐn)?shù)學(xué)模型

用戶使用的熱量為：

qyr=mh(Ty-Tbs)

(10)

其中，qyr為單位時(shí)間內(nèi)用戶用熱量，W；mh為用戶熱水用水流量，kg/s；Ty為用水溫度，℃；Tbs為冷水補(bǔ)水溫度，℃。

如果Thn

qfr=mh(Ty-Thn)

(11)

根據(jù)能量守恒定律，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)“兩進(jìn)兩出”的能量滿足以下關(guān)系式：

Qjr+Qfr=Qsr+Qyr

(12)

其中，Qjr為集熱器集熱量；Qfr為輔助熱源供熱量；Qsr為系統(tǒng)散熱量；Qyr為用戶用熱量，MJ。

3 系統(tǒng)模型的驗(yàn)證

模擬與實(shí)測(cè)所得儲(chǔ)熱水箱水溫及“兩進(jìn)兩出”熱量的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2，圖3。

由圖2可知，模擬與實(shí)測(cè)得到的儲(chǔ)熱水箱水溫變化基本相同。8：30～16：00，實(shí)測(cè)與模擬水溫分別從28.9 ℃上升至43.4 ℃及從28.9 ℃上升至43.8 ℃，水箱的水溫在一天中均逐漸上升，二者誤差范圍為0.9%～5.0%。

由圖3可知，模擬得到的系統(tǒng)熱量數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)小，差值不大。集熱器集熱量的實(shí)測(cè)值為24.8 kWh，模擬值為22.4 kWh；輔助熱源供熱量的實(shí)測(cè)值為86.5 kWh，模擬值為77.7 kWh；用戶用熱量的實(shí)測(cè)值為99.7 kWh，模擬值為90.7 kWh；系統(tǒng)散熱量的實(shí)測(cè)值為10.9 kWh，模擬值為9.8 kWh。四部分能量的模擬與實(shí)測(cè)差值均在10%左右，結(jié)果基本相同，說(shuō)明該模型具有較高準(zhǔn)確性。

4 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

基于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系式，重點(diǎn)研究上文所述四部分能量的變化情況，因而提出采用太陽(yáng)能保證率[5]、太陽(yáng)能利用率、常規(guī)能源有效替代率和系統(tǒng)散熱比[6]4個(gè)參數(shù)作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

5 系統(tǒng)日運(yùn)行性能研究

對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)夏季典型日的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、系統(tǒng)供回水溫、戶內(nèi)水箱水溫的變化趨勢(shì)、系統(tǒng)四部分熱量的逐時(shí)變化趨勢(shì)及太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)模擬值見(jiàn)圖4～圖8。

由圖4可知，太陽(yáng)輻射集中在5：00～19：00。太陽(yáng)輻射在5：00～12：00逐漸增強(qiáng)，12：00達(dá)到最強(qiáng)725 W/m2；在12：00～19：00逐漸減弱。當(dāng)日太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度為408 W/m2，總輻射量為19.0 MJ/m2。

由圖5可知，儲(chǔ)熱水箱的水溫在8：00～17：00不斷升高，17：00達(dá)到最高值75 ℃，17：00后溫度保持不變。水泵在儲(chǔ)熱水箱的水溫高于28 ℃時(shí)開(kāi)啟，故回水水溫在9：00后出現(xiàn)，且變化趨勢(shì)與供水水溫一致。

由圖6可知，戶內(nèi)水箱的水溫逐漸升高，最高68.6 ℃。因?yàn)橛脩羰褂脽崴埃瑧魞?nèi)水箱的水溫未達(dá)到設(shè)計(jì)溫度60 ℃，因而19：00電加熱設(shè)備開(kāi)啟，水溫大幅上升。

由圖7可知，夏季工況下系統(tǒng)集熱集中于7：00～17：00，逐時(shí)集熱量12：00達(dá)到最高，總集熱量為232 MJ；系統(tǒng)9：00開(kāi)始向用戶供水，進(jìn)而產(chǎn)生熱量損失，散熱量隨供水溫度的升高逐漸增加，總散熱量為112 MJ；用戶集中在20：00～23：00用水，總用熱量為295 MJ；輔助熱源在用水前水箱水溫未達(dá)設(shè)計(jì)要求時(shí)開(kāi)啟，加熱戶內(nèi)水箱中的水，輔助熱源總供熱量為175 MJ。

由圖8可知，在夏季工況下，盡管系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率高達(dá)79%，但其太陽(yáng)能利用率和常規(guī)能源有效替代率卻相對(duì)較低，原因是系統(tǒng)的循環(huán)控制策略不夠合理，致使系統(tǒng)的供水循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成了熱量的散失。因此，應(yīng)設(shè)置合理的循環(huán)控制策略，縮短不必要的供水時(shí)間，減少熱量散失，從而達(dá)到較高的太陽(yáng)能利用率和常規(guī)能源有效替代率。

6 結(jié)語(yǔ)

以天津某住宅集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，基于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)四部分的能量平衡關(guān)系，提出了采用太陽(yáng)能保證率、太陽(yáng)能利用率、常規(guī)能源有效替代率和系統(tǒng)散熱比4個(gè)參數(shù)作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)模擬系統(tǒng)夏季典型日運(yùn)行狀況發(fā)現(xiàn)盡管太陽(yáng)能保證率高達(dá)79%，但其太陽(yáng)能利用率和常規(guī)能源有效替代率卻相對(duì)較低，由此提出適當(dāng)縮短供水循環(huán)時(shí)間，減少熱量散失，提高太陽(yáng)能利用率和常規(guī)能源有效替代率的控制策略。

[1] 向 平.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用[J].建筑節(jié)能，2014，42(278):26-29.

[2] 陳希琳，郝 斌，彭 琛,等.住宅太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)查研究[J].建筑科學(xué)，2015，31(10)：154-161.

[3] 于 瑞.住宅太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)現(xiàn)狀及適宜性研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2015.

[4] 鄧光蔚，燕 達(dá)，安晶晶,等.住宅集中生活熱水系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)研及能耗模型研究[J].給水排水，2014，40(7)：149-157.

[5] GB/T 50801—2013，可再生能源建筑應(yīng)用工程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 陳希琳.住宅集中式太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)優(yōu)化與性能研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2016.

Modelbuildingandperformancestudyonthesolarhotwatersystem

LiQiangChenHongbing

(SchoolofEnvironmentandEnergyEngineering，BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044,China)

The article takes residence as the studying object and it establish the mathematical model. It verifies the accuracy of the model and put forward reasonable performance evaluation index. Through the date analyzing to model summer typical day running status, the article proposes reasonable control strategies to improve system performance.

residential solar hot water system, model accuracy, evaluation index, control strategy

TK519

A

1009-6825(2017)27-0150-03

2017-07-14

李 強(qiáng)(1991- )，男，在讀碩士; 陳紅兵(1977- )，男，博士，副教授