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)關鍵部件容量設計提供。

關鍵詞：太陽能供暖;供熱溫度;TRNSYS;關鍵參數(shù);優(yōu)化設計

1. 引言

雖然太陽能供暖技術在實際應用中存在不穩(wěn)定、保證率低的問題，但其技術已日趨成熟。蓄熱罐的存在將有助于改善這種情況，但在設計中，蓄熱罐的體積主要是根據(jù)相關規(guī)范手冊中集熱器面積的推薦值來確定的[1]。國內外學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，Yan等[2]對太陽能采暖系統(tǒng)的選型和設計進行了分析，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系，發(fā)現(xiàn)當集熱器效率在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?？蔀樘柲芄┡到y(tǒng)設計提供依據(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的是最佳水箱容積?？紤]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)和蓄熱罐設計參數(shù)進行優(yōu)化。

3. 結果與討論

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介質的溫度及其熱損失補償，直到τ0時刻，管道內介質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;儲存熱量的結束時間比有效設定提前近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于蓄熱結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，兩者的差異將導致最低加熱水溫度和提供熱水的能力的差異，其范圍不應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，蓄熱溫差應在5～15°C范圍內。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。

當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。結合熱損失計算公式，我們計算了采暖季日平均熱損失，結果如圖4所示。由圖4可知，當S小于0.015 m3/m2時，改變罐體容積對熱損失影響不大，當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，儲罐容積對應的一個單元集熱器面積在0.01～0.02 m3/m2之間。

4. 結論

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

（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)工程技術手冊. 化學工業(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)大學出版社，2012.