家用太陽能熱水系統(tǒng)的仿真研究

郭安柱

（青島大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島266071）

1 概述

太陽能熱水系統(tǒng)作為一種成熟穩(wěn)定的太陽能熱利用方式，在人們的生產(chǎn)生活中得到了廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器，儲熱水箱和管道設(shè)備等幾部分[1]。近十幾年來關(guān)于太陽能熱水系統(tǒng)的研究很多，王燕俊以太陽能熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)為主要研究對象，建立主要部件的數(shù)學(xué)模型并搭建了計算機仿真平臺，在實驗研究的基礎(chǔ)上探究了主要部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及環(huán)境因素對系統(tǒng)性能的影響[2]；劉劍研究了包含雙儲熱水箱的太陽能集熱系統(tǒng)，并運用TRNSYS 軟件建立了系統(tǒng)的動態(tài)熱力學(xué)模型，系統(tǒng)分析了在不同的太陽輻射強度下，單位面積的集熱器對應(yīng)的儲熱水箱容積對系統(tǒng)性能的影響[3]；陳紅兵等人基于模擬的結(jié)果，研究了集中式太陽能熱水系統(tǒng)全年的運行性能以及用戶用水量、控制策略對該熱水系統(tǒng)運行性能的影響，提出新的系統(tǒng)評價指標(biāo)以及控制策略[4]。

本文針對普通的家用太陽能熱水系統(tǒng)，利用集總參數(shù)法建立起主要部件太陽能集熱器和儲熱水箱的數(shù)學(xué)模型，并運用TRNSYS 搭建起系統(tǒng)的仿真模型，重點探究了集熱器面積，水箱容積和集熱器安裝傾角對水箱出水溫度的影響。

2 主要設(shè)備數(shù)學(xué)模型的建立

在整個家用太陽能熱水系統(tǒng)中，最重要的兩個熱力學(xué)設(shè)備為太陽能集熱器和儲熱水箱，前者通過集熱管將太陽能轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能，后者負(fù)責(zé)將熱水儲存起來，減少整個系統(tǒng)的波動，增強穩(wěn)定性。

2.1 儲熱水箱

在水箱的建模過程中，采用了混合型水箱，這也是家用太陽能熱水系統(tǒng)常用的類型，流體在水箱內(nèi)劇烈混合，整個水箱看做一個控制體，采用集中參數(shù)法建立數(shù)學(xué)模型，太陽能集熱器向水箱輸入的能量減去水箱中的水向負(fù)載供給的能量和熱損后，即為水箱中水的內(nèi)能增量。儲熱水箱中具有輔助電加熱設(shè)備，當(dāng)晚上或者太陽輻射強度不足時啟動。

儲熱水箱能量守恒方程為：

Mw為水箱水的質(zhì)量，Kg；

T0為水箱中水的平均溫度，K；

Q1為負(fù)載中熱水的放熱量，J；

t 代表時間，s；

U 表示水箱與環(huán)境之間的熱損系數(shù)，W/（m2·K）；

AT為水箱的外表面積，m2；

Ti分別為水箱中熱水的進(jìn)口溫度，K；

Tp為環(huán)境溫度，K。

2.2 太陽能集熱器

同水箱建模過程類似，太陽能集熱器同樣采用了集總參數(shù)法進(jìn)行建模，對集熱器模型進(jìn)行了一定程度的簡化。文中所模擬的集熱器類型為平板型集熱器。

單位時間集熱器吸收的能量S：

S=AIt（τα）e

式中，A 為太陽能集熱器的采光面積，m2；

τ 為外玻璃管透射比；

α 為選擇性吸收涂層的吸收比；

It為總輻照度，W/（m2）

單位時間集熱器的熱損Q1：

Ql=AUL（Ti-Tp）

式中，UL為集熱器總熱損系數(shù)，W/（m2·K）

則單位時間集熱器得到的有效能量Qu：

Qu=S-Ql-Qgl

集熱器能量守恒方程為[5]：

集熱器效率η 可表示為：

上式中，Ql為熱水管道的熱損，W；

Mj為集熱器中熱水的質(zhì)量，Kg；

Cpw為水的比熱，J/（Kg·K）；

ΔTj為集熱器熱水溫升，K；

qmr為往返于集熱器和水箱之間的熱水質(zhì)量流量，Kg/s

3 模擬結(jié)果分析

在參考TRNSYS 軟件自帶的相關(guān)模型的基礎(chǔ)上，建立了圖1 所示的家用太陽能熱水系統(tǒng)的仿真模型。

在模型中，平板型太陽能集熱器采用了Type1b 模塊，初始集熱器面積為3m2，集熱器安裝傾角45°，儲熱水箱采用了Type4c 分層水箱模塊，分層程度由層數(shù)決定，考慮到家用水箱一般為混合型水箱，因此將層數(shù)設(shè)置為1 來模擬混合型水箱，水箱容積為0.15m3。系統(tǒng)中其他的主要模塊包括氣象參數(shù)模塊（Type15-2），水泵（Type3b），負(fù)載（Type14h），輸出（Type65c）和分水器（Type11b）。

模擬中氣象模塊引用的是我國北方某城市6，7 月份的天氣數(shù)據(jù)，在TRNSYS 中輸入的模擬時間為3624～5088h，負(fù)載模塊中主要考慮下午6 點以后的生活用水。在本文中定性研究了集熱器面積，集熱器安裝傾角和水箱容積對水箱出水溫度的影響。

圖1 家用太陽能熱水系統(tǒng)仿真模型

3.1 集熱器面積對水箱出水溫度的影響

為了定性研究集熱器面積對水箱出水溫度的影響，分別進(jìn)行了集熱器面積為3m2，4m2和5m2時的系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖2～4 所示，仿真過程中保持水箱容積1.5m3和集熱器傾角45°不變。

從仿真結(jié)果可以看出，水箱出水溫度隨著天氣條件以及負(fù)載的變化而有所起伏，水箱最低出水溫度保持在55°以上，這是因為水箱自帶輔助加熱裝置，當(dāng)出水溫度低于55°時自動啟動。

同時隨著集熱器面積的增大，水箱出水溫度逐漸增高，集熱器面積增大后，相同天氣條件下集熱器吸收的能量增多，進(jìn)入集熱器流體中的有效能量也因此增多。

圖2 集熱器面積為3m2 時水箱出水溫度隨時間的變化

圖3 集熱器面積為4m2 時水箱出水溫度隨時間的變化

圖4 集熱器面積為5m2 時水箱出水溫度隨時間的變化

3.2 水箱容積對水箱出水溫度的影響

為了定性研究水箱容積對水箱出水溫度的影響，分別進(jìn)行了水箱容積為0.15m3，0.3m3和0.45m3時的系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖5～7 所示，仿真過程中保持集熱器面積3m2和集熱器傾角45°不變。

從仿真結(jié)果可以看出，在整個過程中，水箱出水溫度不斷出現(xiàn)高低起伏的狀況，這是天氣條件和負(fù)載不斷變化的緣故。水箱中輔助加熱裝置的存在保證了水箱的最低出水溫度始終維持在55°以上。

圖5 水箱容積為0.15m3 時水箱出水溫度隨時間的變化

圖6 水箱容積為0.3m3 時水箱出水溫度隨時間的變化

圖7 水箱容積為0.45m3 時水箱出水溫度隨時間的變化

隨著水箱容積的增大，水箱平均出水溫度不斷降低，當(dāng)水箱容積為0.45m3時出水溫度僅僅能維持60°左右。水箱容積增大的同時，單位時間進(jìn)入集熱器流量增大，相同天氣和負(fù)載條件下進(jìn)入流體的有效能量減少。

3.3 集熱器安裝傾角對水箱出水溫度的影響

為了定性研究集熱器安裝傾角對水箱出水溫度的影響，分別進(jìn)行了集熱器傾角為40°，45°和50°時的系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖8～10 所示，仿真過程中保持集熱器面積3m2和水箱容積0.15m3不變。

從仿真結(jié)果可以看出，在一定范圍內(nèi)，當(dāng)集熱器傾角變化時水箱出水溫度的變化幅度不大。集熱器傾角變化幅度不大時，由集熱器吸收的能量并沒有顯著增加或減少，因此水箱出水溫度的變化幅度不大。

圖8 集熱器傾角為40°時水箱出水溫度隨時間的變化

圖9 集熱器傾角為45°時水箱出水溫度隨時間的變化

圖10 集熱器傾角為50°時水箱出水溫度隨時間的變化

4 結(jié)論

本研究通過TRNSYS 軟件建立了家用太陽能熱水系統(tǒng)的仿真模型，分別探究了集熱器面積，水箱容積和集熱器安裝傾角對水箱出水溫度的影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，水箱出水溫度隨著集熱器面積的增加和水箱容積的減小而逐漸增加，但集熱器傾角的變化對水箱出水溫度的影響較小。實際上，集熱器面積，水箱容積和集熱器傾角對出水溫度的影響較為復(fù)雜，且集熱器面積和水箱容積之間存在一定程度上的匹配關(guān)系，因此本文所做的仿真主要是對定性探究了三者對水箱出水溫度的影響。