基于TRNSYS 的太阳能-电能互补采暖系统研究

李海俊 ，张天禹 ，鞠丹阳 ，谢易澎 ，王 俊

（1. 沈阳农业大学信息与电气工程学院，辽宁 沈阳 110866; 2. 国网蒙东呼伦贝尔供电公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000; 3. 国网辽宁辽阳供电公司，辽宁 辽阳 111000）

0 引言

燃煤采暖是我国北方主要采暖措施，尤其是农村地区，大部分居民冬季生活采暖仍以燃煤小锅炉为主，燃煤排放气体对环境污染严重。2020 年9 月，我国提出了“碳达峰、碳中和”目标[1]，节能减排成为完成这一目标的重要措施，其中清洁能源采暖对于节能减排具有重要意义。

太阳能作为清洁能源之一，在开发和利用过程中几乎无污染，且储量无限[2]，无论哪种方式的联合采暖，大都会利用太阳能。现阶段我国北方农村地区在冬季实施清洁采暖的措施主要有太阳能 + 生物质锅炉联合采暖、太阳能 + 空气源热泵联合采暖、太阳能 + 辅助电源联合采暖等[3-4]。文献[5]利用空气源热泵与太阳能联合供暖，并对供暖季系统的制热量、耗电量等性能参数进行了测试，数据表明整个系统有较好的运行性能，但是太阳能供暖贡献率较低，没有进一步对系统优化。文献[6]建立了基于太阳能和沼气互补供暖系统，并以建造总费用最小为目标进行优化，得出了系统各部件的参数值，但是该供暖系统供暖效果较差。

基于上述研究背景，本文以沈阳市某地区典型农村住宅作为研究对象，提出了太阳能-电能互补采暖系统，以高效利用太阳能，提升供暖效果。

1 太阳能-电能互补采暖系统设计

本文共设计了2 种供暖方案，即太阳能集热器 +石墨烯电热膜（以下称为方案一），太阳能集热器+ 变频电磁采暖炉（以下称为方案二）。

整个采暖系统分为集热与供暖2 大模块，集热模块主要由太阳能集热器、蓄热水箱、集热循环泵组成；供暖模块主要由蓄热水箱、供暖循环泵、暖气片、电热设备组成，图1 为整个采暖系统的模块分布图。集热模块主要利用太阳能集热器吸收太阳能辐射，加热集热器中的水，当水温达到设定温度后，集热循环泵运行将蓄热水箱与集热器中的水交换，以此往复循环。供暖模块分为2 种形式，即电热设备供暖（利用电能供暖，方案一与方案二不同）或光热设备供暖（利用太阳能供暖）。

图1 采暖系统模块分布图

太阳能集热器分为平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器[7]。在热水工程中，平板型集热器热特性好，运行安全可靠，产水量大，易于与建筑物结合，但是其保温效果较差，须进行防冻设计，否则在冬季容易发生冻裂。真空管集热器耐冰冻，无需进行系统的防冻设计，适合家用，因此本文主要对太阳能真空管集热器进行研究。

石墨烯电热膜是一种通电后即能发热的聚酯薄膜，可将大部分热量以辐射形式送入房间。变频电磁采暖炉利用电磁感应原理，可达到快速加热水的效果。

2 采暖系统仿真模拟

2.1 采暖热负荷计算

本文以沈阳地区某农村典型单体式民用住宅为例开展研究，利用SketchUP 软件对民宅进行三维建模，民宅高度为3.5 m，外窗高2.1 m，建筑面积为48 m2。由于民宅东西2 个卧室规格完全相同且仅对卧室供暖，所以本研究只对卧室进行采暖研究，即以下所有数据为2 个卧室（2 个卧室各15 m2）的研究结果。民宅模型如图2 所示，软件SketchUP 与软件TRNSYS 之间存在连接端口，可将在SketchUP中建立的民宅模型信息导入到TRNSYS 中，完成民宅的热负荷计算。

图2 民宅模型图

房间采暖设计温度为16 ℃，室内通风换气次数为0.5 h-1，人体发热量为120 W/人，且假设有2 位成年人24 h 都在屋内，照明装置发热量取6 W/m2。民宅围护结构的传热系数如表1 所示，其数据由软件TRNBuild 根据民宅实际墙体、屋顶、地面以及门窗的构成材料和厚度自动生成。民宅热负荷模型搭建模型如图3 所示。

表1 民宅围护建构参数

图3 民宅热负荷模型搭建示意图

利用TRNSYS 软件计算民宅在整个采暖季（2022 年11 月1 日—2023 年3 月31 日）的热负荷，仿真结果如图4 所示，典型日（采暖季出现最大负荷日）平均热负荷为2.29 kW，所以电热设备提供的热量必须满足民宅最大负荷日的平均热负荷2.29 kW，向上取整为2.3 kW。

图4 整个取暖季建筑的逐时热负荷

2.2 采暖系统重要参数的确定

利用TRNSYS 软件建立的太阳能真空型集热器热水系统模型如图5 所示，该系统主要由天气文件、太阳能集热系统、控制器、瞬时输出部件等组成。

图5 太阳能真空型集热器热水系统模型

2.2.1 集热器面积

太阳能集热器的集热方式分为直接式与间接式，本文主要对直接式集热系统进行研究。

由采暖期房间模型所需供暖热负荷和试验地区太阳能辐照强度来确定集热器参数，直接式集热器集热面积AC的计算公式为：

式中：AC为直接式集热器集热面积， m2；Q为典型日（采暖季出现最大负荷日）平均热负荷，为2.29 kW；f为太阳能保证率，沈阳地区属于太阳能资源较丰富区，取30%；JT为由GB50495—2019《太阳能供热采暖工程技术标准》中附录A 可查沈阳地区太阳能集热器平均接受的太阳能辐照量，取11.437 MJ/m2； ηcd为集热器的平均集热效率，取45%； ηL为集热器管路及储热装置热损失，经验值为10%～20%，取15%；将各参数代入公式，计算得到直接式集热器集热面积AC为14.22 m2。

2.2.2 集热器倾角与换热盘管面积

在换热器盘管管径为2 cm 的条件下，换热器盘管长度L为30、40、50、60、70 m 时，其对应的换热面积S分别为1.88、2.51、3.14、3.77、4.40 m2。表2 表示面积不同的换热盘管对系统集热效率的影响，由表2 可知，尽管换热器盘管面积不同，但太阳能集热器的集热效率在10°～55°的倾角范围内均呈上升趋势，在55°之后均呈下降趋势，即太阳能集热器的集热器效率在倾角为55°时出现拐点，因此可确定，沈阳地区太阳能集热器最佳安装倾角为55°。

表2 换热器盘管面积及倾角对集热效率的影响 %

2.3 采暖系统模型搭建

根据2.2 仿真模拟可确定采暖系统的许多关键参数，如表3 所示。

表3 采暖系统关键参数

2.3.1 太阳能 + 石墨烯电热膜采暖系统

利用TRNSYS 软件建立的“太阳能 + 石墨烯电热膜”系统模型如图6 所示。将石墨烯电热膜铺装于室内地板下方，作为本系统的电采暖设备。在TRNSYS 软件中设定的典型元件有：天气文件（Weather）、真空管型太阳能集热器（Type71）等，同时，利用逻辑函数编辑器（Equation）作为电供暖时的发热源，进而模拟石墨烯电热膜供暖。

图6 太阳能 + 石墨烯电热膜采暖系统

2.3.2 太阳能 + 变频电磁采暖炉采暖系统

利用TRNSYS 软件建立的“太阳能 + 变频电磁采暖炉”系统模型如图7 所示，将变频电磁采暖炉串联接在用户端，作为辅助加热设备，防止在夜间或者非晴朗天气时，室外温度低使集热器收集不到足够热量，导致蓄热水箱输出端水温无法满足用户采暖温度需求。本系统建模时所用的主要元件与太阳能 + 石墨烯电热膜系统相比，只有电热设备不同，其余主要元件此处不再赘述，具体详情见上文2.3.1。本系统采用变频电磁采暖炉（Type138）作为电供暖时的发热源，在保证系统仿真准确性的同时，也强调2 套采暖系统只有电热设备不同的对比论证。

图7 太阳能 + 变频电磁采暖炉采暖系统

2.4 仿真结果分析

因为太阳能集热器受太阳能辐射的影响较大，不同的天气会影响集热器的集热效率，因此在仿真试验中，简单把天气分为晴天与阴天。本次仿真选取2023 年沈阳地区冬季温度较低的2 天，且天气状况分别为晴天和阴天，具有代表性，分别为1 月24日与1 月25 日。

2.4.1 室内外温度

如图8、图9 为2 种供暖方案分别在晴天和阴天的室内外温度变化情况。

图8 1 月24 日2 个系统室内外温度曲线

图9 1 月25 日2 个系统室内外温度曲线

由图8 可知，在24 日晴天的情况下，全天的室外平均气温约为-11.51 ℃，方案一与方案二的室内温度变化趋势基本相同，室内温度波动幅度较小，方案一室内平均温度为17.49 ℃，方案二室内的平均温度为18.01 ℃，室内供暖温度相差不大，且室内平均温度都在设定目标温度16 ℃以上。

由图9 可知，在25 日阴天的情况下，全天的室外的平均气温为-13.68 ℃，方案一与方案二的室内温度变化趋势基本相同，室内温度波动幅度较小，方案一室内平均温度为17.13 ℃，方案二室内的平均温度为17.59 ℃，室内供暖温度相差不大，且室内平均温度均在设定目标温度16 ℃以上。由此可见在阴天的情况下，系统也可以基本保证室内的目标温度。

2.4.2 人体舒适度与客户满意度分析

PMV（predicted mean vote），即预测平均热感觉指数。PPD（prsdicted percentage dissatisfied），即不满意者的百分数。根据不同的PMV-PPD 值可评判对应的热舒适性等级，表4 为T/ASC02—2016《健康建筑评价标准》热环境的整体评价指标，等级Ⅰ至Ⅲ代表热舒适性逐渐降低。2 个系统PMVPPD 指数曲线如图图10、图11 所示。

表4 整体评价指标

图10 1 月24 日2 个系统PMV-PPD 指数曲线

图11 1 月25 日2 个系统PMV-PPD 指数曲线

由图10、图11 可知，民宅在晴天或者阴天均满足 0.5 ≤PMV ≤+0.5 ，且 PPD ≤10% ，符合热舒适度等级为Ⅰ级规定。

2.4.3 电热设备用电量

本次仿真利用TRNSYS 输出2 套采暖系统用电量情况，见表5 所示。

表5 系统24 日与25 日的用电量kW·h

由表5 可知，系统在阴天比晴天耗电更多，且方案一的耗电量远大于方案二。

阴天天气条件下，太阳辐射量不足，太阳能集热器的集热效果较差。因此蓄热水箱水温在白天也很难达到很高的温度，此时主要依靠电热设备给室内供暖，阴天的耗电量较大。

3 结束语

本文针对北方农村地区冬季清洁采暖这一难题，提出了太阳能-电能互补采暖系统。通过对采暖系统原理分析与理论计算，并利用TRNSYS 软件仿真模拟运行得出以下结论：

在太阳能集热器安装过程中，在满足集热器在接收太阳能辐照量相同的条件下，太阳集热器在沈阳地区最佳安装倾角为55°。

设计直接式集热器太阳能热水系统的集热面积时，在保证太阳能集热器的倾角与方位角的度数均固定的前提下，考虑经济效益，其最佳设计面积为14.22 m2。

太阳能集热器 + 石墨烯电热膜与太阳能集热器 + 变频电磁采暖炉这2 种供暖方案在满足供暖温度条件下，“太阳能集热器 + 变频电磁采暖炉”供暖方案消耗更少的电能。