“太陽能空氣源熱泵系統”動態特性分析軟件開發及教學應用

牛建會 盧春萍 劉春蕾

摘?要：為推進我省教學案例庫建設，推動高校進一步深化對專業學位的認識，轉變專業學位人才培養理念，省教育廳學位中心及我校均設立了專業學位研究生教學案例庫立項建設項目。基于項目實施，課程組針對研究生案例教學，開發了“太陽能空氣源熱泵系統”動態特性分析軟件，該軟件可以為熱力系統優化設計提供指導。

關鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;軟件開發;教學應用

研究生案例教學是一種新的教學方法和教學理念，項目組立項校級研究生重點教研項目《建筑區域供能的冷熱源系統動態特性分析教學案例庫》，基于項目的實施，項目組開發研制“太陽能空氣源熱泵系統”動態特性分析軟件，并將其擬應用于研究生教學環節。

1 “太陽能空氣源熱泵”供熱系統簡介

太陽能與空氣源熱泵的供熱方式為并聯式，其特點：空氣源熱泵作為建筑的主要供熱設備，太陽能儲熱水箱作為建筑的輔助供熱設備，二者并聯使用，用太陽能來彌補空氣源熱泵供熱量的不足。

2 太陽輻射的輻射量計算軟件編制

本軟件可計算某一地區在某一時刻不同集熱器傾角下太陽輻射強度。

2.1 影響太陽輻射的各種角度及其計算

太陽輻射及太陽能集熱器的設計計算都要涉及太陽高度角、方位角及日照時間等問題。

2.1.1 太陽高度角

太陽高度角hc是太陽光線與地平面的夾角，確定如下：

式中：ω為時角，ω=（st-12）×15°，st為太陽時;太陽時與北京時間的關系：st=北京時間+E-4×（120-LLOG）60，其中E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB，B=360n-81364;n為日期序號;LLOG為當地經度;δ—太陽赤緯，δ=23.45sin（360284+n365）;φ為當地緯度。

2.1.2 太陽方位角及日照時間、集熱器傾角

2.1.3 傾斜面上的太陽光線入射角θ

式中：β為集熱器傾角;δ為太陽赤緯;φ為當地緯度;α為方位角，北半球α=0°;ω為時角。

2.2 計算太陽輻射強度

2.2.1 地表面的太陽輻射

與太陽光垂直平面上的太陽直接輻射強度：

式中：C為大氣透明度系數，較好晴天C=0.33。

如果集熱平面的法線與太陽光線的夾角為θ，其直接輻射強度：

2.2.2 太陽在水平面上散射強度、斜面上的散射強度、地表反射對斜面輻射強度

（1）太陽在水平面上散射強度：

式中：Inh為太陽在水平面上的直射強度，Inh=Insinhc;大氣質量m=1sinhc;P為大氣的透明度，0.65～0.85。

（2）太陽在斜面上的散射強度：

（3）（3）地表反射對斜面輻射強度：

式中：ρ為地面的反射率，ρ=0.2。

2.2.3 太陽輻射在斜面上總強度

3 “太陽能空氣源熱泵系統”軟件編制

3.1 太陽能集熱、儲熱系統的熱力模擬

3.1.1 集熱器能量分析

以集熱器進水溫度為基準，集熱器的熱損失Qu：

式中：Ac為集熱器采光面積;Fr為熱轉移因子;Iτα為單位面積集熱器獲得的熱量，Iτα=I·τ·α，I為投射到集熱器上的總輻射強度，τ為透明蓋板上太陽透過率，α為集熱板吸收率;UL為集熱器總熱損失系數;Tfi為逐時集熱器進水溫度;Ta為逐時環境溫度。

3.1.2 自然循環太陽能熱水系統儲熱水箱能量分析

假設水箱內水溫均勻一致，其能量方程：

式中：dTsdt為水箱水溫隨時間的變化率;m為水箱質量;cp為水比熱容;Fr′為集熱器熱交換器熱轉移因子;Us為水箱熱損失系數;As水箱表面積;Q1為逐時太陽能提供的熱量。

對式（13）的微分項dTsdt，用簡單歐拉法表示為Ts+-TsΔt，Δt為時間間隔，Ts為某時刻儲水箱溫度，Ts+為儲水箱下一時間間隔的溫度。

3.2 空氣源熱泵供熱系統熱力模擬

3.2.1 建筑熱負荷

以固定環境溫度TW為計算基準，設定建筑圍護結構的熱負荷為Q1′，則在環境溫度Ta下逐時熱負荷：

式中：Q1為建筑物逐時熱負荷;Q1′為環境溫度為TW時建筑物逐時熱負荷;TW為固定的環境溫度;Tn為室內設計溫度;Ta為逐時環境溫度。

3.2.2 空氣源熱泵逐時制熱量

空氣源熱泵選用普通型熱泵，對某空調設備公司生產的風冷熱泵機組進行數據擬合，逐時制熱量：

式中：Qe為額定容量;Ta為逐時環境溫度。

3.3 “太陽能空氣源熱泵系統”供暖運行方案

若熱泵制熱量大于建筑熱負荷時，熱泵機組單獨運行;若熱泵制熱量小于建筑熱負荷時，熱泵機組與太陽能輔助加熱同時開啟;若室外環境溫度小于-10℃，熱泵機組關閉，太陽能輔助加熱開啟。

4 運行模擬軟件說明及流程圖

4.1 軟件程序相關說明及運行界面

4.1.1 軟件程序相關說明

軟件程序主要用來計算某地區在供熱系統運行一段時間內的太陽輻射強度、建筑物熱負荷、空氣源熱泵供熱量、儲水箱溫度、集熱器熱損失等參數逐時模擬量。從輸入供熱系統運行第一天起的N天內的計算結果最終會輸出到.txt文件。

4.1.2 運行界面

見圖1。

4.2 模擬軟件程序計算流程圖

見圖2。

5 軟件擬應用于研究生教學的情況

“太陽能空氣源熱泵系統”運行模擬軟件作為課程案例，擬應用于研究生教學中，可以使學生掌握系統熱力計算模塊建立、數據擬合、微分項的歐拉法變換等。通過對系統動態模擬，可以切換不同環境溫度下空氣源熱泵額定容量、需要集熱面積、儲熱水量、儲熱水箱溫度、集熱器熱效率等，該軟件可以為實際工程設計及系統性能的進一步改善提供一定的理論指導。

參考文獻：

[1]盧春萍，等.太陽能輻射計算與模擬[J].科技風，2015.

[2]盧春萍，等.太陽能—空氣源熱泵并聯系統供熱系統模擬研究[J].流體機械，2008.

基金項目：2020年校級研究生教育教學改革研究重點項目“建筑區域供能的冷熱源系統動態特性分析教學案例庫”（項目編號：2020YJSJG05）;2020年河北省專業學位研究生教學案例建設項目“智能化清潔能源供熱系統案例庫”（項目編號：KCJSZ2019086）

作者簡介：牛建會（1981—?），女，博士，副教授，河北建筑工程學院能源工程系，研究方向：制冷空調熱泵技術。

通訊作者：盧春萍（1966—?），女，碩士，教授，河北建筑工程學院能源工程系，研究方向：供熱、節能技術。