基于供热温度的太阳能供暖系统关键设计参数优化模拟研究

王世栋

摘要：建立太阳能供暖系统能量平衡方程，揭示太阳能集热器、水箱和建筑热负荷之间的能量流动关系。利用TRNSYS软件对西安某典型建筑供暖季水箱平均温度和系统添加的辅助热量进行了模拟。讨论了改变系统组合和储存温差时的运行条件，发现水箱的蓄热时间与太阳辐射时间有很大的不同。太阳能采暖系统采用温度较低的地板采暖，集热器形式，可保证存储温度范围在15°C。最后给出了集热器单位面积所需储罐容积的推荐值，可为太阳能系统关键部件容量设计提供。

关键词：太阳能供暖;供热温度;TRNSYS;关键参数;优化设计

1. 引言

虽然太阳能供暖技术在实际应用中存在不稳定、保证率低的问题，但其技术已日趋成熟。蓄热罐的存在将有助于改善这种情况，但在设计中，蓄热罐的体积主要是根据相关规范手册中集热器面积的推荐值来确定的[1]。国内外学者对太阳能采暖系统进行了一定的研究，其中以全生命周期能量为基础，Yan等[2]对太阳能采暖系统的选型和设计进行了分析，提出根据集热器面积选择蓄热罐容积。刘艳峰等[3]分析了太阳能供热系统中水箱容积的选择，并根据项目实际情况给出了不同地区单位集热器面积所需水箱容积的推荐值。Kemal等[4]研究了集热器面积与储罐容积的关系，发现当集热器效率在0.35～0.45之间时，储罐容积与集热器面积的比值可以在50～70 L/m2之间。然而，这些研究忽略了热水供应的温差和提供高温水的能力的差异，这都是由不同的冷却系统的末端和不同种类的集热器造成的，不同的存储温度需要不同的储罐存储。

通过建立太阳能主动采暖系统的能量平衡方程，分析了影响系统容量设计的主要因素，通过模拟不同系统组合工况下水箱平均温度和系统在采暖季节的运行情况，分析了在不同条件下下，水箱蓄热容积和太阳能集热器面积的最佳选择策略。可为太阳能供暖系统设计提供依据。

2. 理论分析

2.1 水箱蓄放热模型

太阳能供热系统的蓄热过程分为两个阶段，第一个阶段为蓄热阶段，从τ1 h开始，系统收集的热量大于建筑物损失的热量，剩余的热量由蓄热罐储存;直到τ2 h小时，当系统收集的热量不能满足消耗的要求时，系统达到最大的蓄热量。

然后水箱释放热量，这一阶段称为放热过程。随着热量的释放，当热量不能满足热量需求时，辅助热源与蓄热系统一起开始工作以满足系统要求。建立了两相储罐的储存模型和放热模型。

能量守恒函数和质量守恒函数在两个阶段求解。蓄热阶段，系统各部分的节能表达式如下：

式中：为集热器系统的有效热量;可以表示如下[5]：

式中：τ0和τ3分别为有效集热的开始时间和结束时间;Iθ（τ）为集热器倾斜上的太阳辐射强度，KJ/Hr;Ac为集热器面积，m2;ηcd 为集热器瞬时效率。

为水箱集热量，可用下式表述：

式中：c和ρ分别為蓄热介质的热容量和密度;V为水箱的容积。

水箱第二阶段放热过程的能量守恒表达式为：

式中：放热过程中辅助热源为系统提供热量，KJ。

2.2 水箱和集热器面积分析

水箱的容积由最大蓄热量和蓄热温度决定，计算表达式如下：

式中：T2 -T1 为蓄热温差。

水箱热损失最小对应的是最佳水箱容积。考虑到水箱与周围环境的热交换，储水箱的热损失可以表示为：

式中：TS-Ta 水箱与环境之间的瞬时温差，K;A是水箱的外表面积，m2。

为了便于研究，S的定义是当分配一个单元收集器面积时所需的储罐容积;m3/m2。

2.3 模拟

本文选取西安某典型住宅建筑，以主动太阳能采暖系统为研究对象，以整个采暖季为模拟时间，分析了不同系统组合下的整个采暖季运行情况以及蓄热温差等。利用TRNSYS软件建立太阳能供热系统模型，对运行参数和蓄热罐设计参数进行优化。

3. 结果与讨论

3.1 水箱蓄热量分析

从整个采暖季的模拟数据中选取典型的一天，分析系统最大蓄热量。根据TRNSYS的模拟计算，太阳辐射强度、建筑耗热、集热器系统有效热集和辅助热的日变化曲线如图1所示。由图可知，太阳辐射的出现后，收集器开始收集太阳能热量提高收集器管道内介质的温度及其热损失补偿，直到τ0时刻，管道内介质的温度高于水的出口，循环泵和输出有效的热定型工作。

如上所述，太阳辐射开始时间比有效热集出现时间早1小时左右，比蓄热时间早近2小时;储存热量的结束时间比有效设定提前近1小时，一般比太阳辐射提前2小时。在图1中，曲线与时间线之间的面积为物理总值，可以看出有效热集和辅助热的总和明显大于建筑负荷，这是因为存在一定的热损失。

3.2 蓄热温差和供热温度

温差是指水箱的最高温度与最低温度之差。这两个温度分别对应于蓄热结束时和蓄热开始时的温度。其最大范围受冷却系统末端和集热器类型的限制，两者的差异将导致最低加热水温度和提供热水的能力的差异，其范围不应超过出集水的最高温度与入集水的最低温度之间的范围。

通过以上分析，蓄热温差应在5～15°C范围内。为了选择合理的系统形式，我们可以模拟在温差为10°C的条件下，水箱容积和端部水温不同时对水箱平均温度的影响。

由图2和图3可知，储罐容积越大，其热容越大。在一定的热集和水温达到要求的情况下，所需要的辅助热最大。当辅助热源功率固定时，热容越大，水箱平均温度越低，两者呈显著负相关。

当水箱容积和加热水温度都较小时，水箱的热损失和热容都较小。随着辅助加热系统恒定功率时间的增加，水温达到加热温度要求，水箱平均温度与系统热损失呈线性变化。在不断增加水箱容积和加热水温的同时，水箱的热容和热损失也变大。尽管恒功率辅助加热系统几乎不间断工作，但水温仍达不到要求。综上所述，采用低地板辐射盘管和集热器的形式是比较合理的，保证了太阳能采暖系统实现15°C温度范围的蓄热。

3.3 水箱容积和集热器面积分析

通过以上分析，我们模拟了在储罐温度为40°C时，储罐容积随储罐平均温度和平均辅助热在采暖季节的变化。结合热损失计算公式，我们计算了采暖季日平均热损失，结果如图4所示。由图4可知，当S小于0.015 m3/m2时，改变罐体容積对热损失影响不大，当S为0.01 m3/m2时，热损失最小。由于水箱容积的减少，辅助热量明显增加。虽然罐体热损失变化不大，但系统热损失的增加会引起辅助热的增加。因此，考虑罐体的热损失和辅助热，储罐容积对应的一个单元集热器面积在0.01～0.02 m3/m2之间。

4. 结论

通过分析太阳能供热系统中储水箱的蓄放热过程，结合TRNSYS Simulation的工况，得到以下结论：

（1）水箱开始再生的时间比太阳辐射出现的时间延迟约2小时，水箱停止蓄热的时间比太阳辐射消失的时间提前约2小时。

（2）太阳能采暖系统采用低地板辐射盘管和集热器的形式，保证实现15°C温度范围的蓄热是比较合理的。

（3）西安地区的蓄热温差推荐值约为5～15°C，一个单元集热器面积对应的储水箱容积在0.01～0.02 m3/m2之间。

参考文献：

[1]郑瑞澄. 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册. 化学工业出版社，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]刘艳峰，王登甲. 太阳能地面采暖系统蓄热水箱容积分析. 太阳能学报，2009，30（12），1636-1639.

[4]Kemal Çomaklı，Uğur Çakır，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]张鹤飞. 太阳能热利用原理与计算机模拟. 西北工业大学出版社，2012.