基于TRNSYS的太陽能光熱系統數值模擬和優化

程曉蔓，李帥

(1.南京市園林規劃設計院有限責任公司，南京 210007；2.江蘇省、南京市節能技術服務中心，南京 210007)

太陽能作為最清潔的能源，高效率的利用太陽能資源是我們重要研究任務。目前，國內外已有很多學者對太陽能光熱系統進行研究。其中，王瑞平利用傳熱理論討論了平板型集熱器，并對影響集熱器效率的因素進行了分析[1]；王志闡述了幾種太陽能集熱器的工作原理,并提出了集熱水箱容積的計算方法[2]；韓延民等討論了集熱器類型、集熱器面積、水箱流量對集熱系統儲熱量的影響[3]。但是目前利用仿真軟件對光熱系統的模擬不多，系統優化也多在實驗的基礎上進行研究。本文主要通過TRNSYS仿真模擬軟件建立太陽能光熱系統的模型[4]，在與實驗測試相符合的基礎上，研究太陽能集熱器的最佳安裝傾角及方位角、集熱器面積、水箱容積等因素對光熱系統的影響，同時對系統的最佳配比進行優化，從而提出可行性意見。

1 理論分析

光熱系統不僅受氣象條件和集熱器安裝角度的影響，其核心構件集熱器和儲熱水箱的選擇也至關重要[5]。光能轉換成熱能，而熱能直接反應在水的溫度上，所以研究光熱系統主要研究其即熱效率和水箱溫度這兩個方面[6]。

光熱系統的核心構件集熱器獲得熱量為：Q=AM

常規熱源耗能量：Qcg=Qt-Qc

上述公式中，Q為集熱器得熱量，MJ；A為集熱器采光面積，m2；M為集熱器采光面上的太陽能輻照量，MJ/m2；Qc為集熱系統得熱量，MJ；Qt為輔助加熱量，MJ；Qcg為常規熱源耗能量，MJ；V為水箱的容積，m3；ρ為水箱熱水的平均密度，kg/m3；c為水箱熱水的平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；V′為日平均用水量，m3；η為集熱系統效率，%；t1為集熱系統使水箱達到的溫度，℃；t2為用戶使用的溫度，一般為55 ℃；t0水箱初始溫度，一般為15 ℃。

集熱器的效率跟水箱容積和水箱溫差成正比，跟集熱面積和日照強度成反比；在集熱系統一定的條件下，水箱最高溫度與集熱效率成線性關系。

2 實驗設置及仿真模型的建立

2.1 實驗設置

本文研究對象為銀川市興慶區的“塞上嬌子”住宅區二區二期太陽能示范區域，其緯度為38°29′，經度為106°13′。該項目總用地面積為18.16 hm2，總建筑面積為48.66萬m2；二區共建設18個單體建筑，分多層和高層兩種形式，共714戶，面積為8.83萬 m2。

項目研究所用的檢測設備由可再生能源建筑應用測評檢測儀TRM-2D、總輻射表TBQ-2、風速傳感器EC-PS和溫度傳感器PTWD-2A等。該項目均采用平板型集熱器和封閉式承壓蓄熱水箱。

2.2 模型的建立

本文利用TRNSYS瞬時系統模擬程序對太陽能光熱系統進行仿真模擬，TRNSYS 仿真模型如圖1所示，平板型集熱器、集熱水箱和水泵均采用的是TESS中的模塊，TESS是美國專門針對暖通空調開發的模塊。集熱器效率模型采用與水箱平均溫度相關的模型；集熱水箱模擬采用輔助加熱同時啟用模型；天空散射輻射模型采用Perez 模型。

圖1 TRNSYS 仿真模型

2.3 模型的驗證

以55#樓2單元1701室為例，設置模型參數與實際值一致：環境溫度為23.7 ℃，平均風速為0.2 m/s，太陽輻照量為13.29 MJ/m2，集熱器面積為1.75 m2，儲熱水箱容積為100 L，儲熱水箱熱損失系數為3.69 W/K。

模擬出2019年8月29日-8月31號的各項參數與實驗值的結果見表1。

從表1可以看出，該模型的模擬結果與實驗值的偏差在可接受的范圍內，因此該模型可用來進行相關模擬。

表1 各項參數與實驗值的結果

2.4 模擬結果分析

集熱系統的得熱量直觀反映在儲熱水箱的溫度上，圖2為模型模擬出的水箱溫度全年變化情況，水箱最高溫度可以達到55 ℃左右，由于天氣和輻照量等因素的影響，水溫基本在35 ℃上下波動，全年運行平穩。

圖2 水箱溫度全年變化情況

圖3為集熱器安裝角度與太陽能面積補償比的關系，由圖3可知：集熱器的安裝角度與太陽能面積補償比之間存在線性關系，越靠近正南方向面積補償比越大，當安裝傾角30°、方位角在南向±10°內太陽能面積補償比可達到100%。

圖3 集熱器安裝角度與太陽能面積補償比的關系

為了深入優化光熱系統，下面分別模擬基于集熱面積在50 m2、55 m2、60 m2、65 m2、70 m2，儲熱水箱容積在5 m3、8 m3、10 m3、15 m3，同時設置集熱器安裝傾角為30°、方位角為正南時集熱器面積與水箱溫度的關系如圖4所示，水箱容積與水箱溫度的關系如圖5所示。

圖4 集熱器面積與水箱溫度的關系

圖5 水箱容積與水箱溫度的關系

由圖4和圖5可知，水箱容積一定時，集熱器面積增大則水箱溫度升高，集熱面積過小會導致水箱溫度達不到要求，但集熱面積過過大則易造成資源的浪費。當集熱器面積一定時，水箱容積越小則水箱溫度越高，水箱容積過大不僅造成投資加大而且水溫也難以滿足用戶需求，水箱容積過小則溫度超過設定值。不同水箱容積的水箱溫度和系統效率如圖6所示，不同集熱面積的水箱溫度和系統效率如圖7所示。

圖6 不同水箱容積的水箱溫度和系統效率

為了得出集熱器面積與儲熱水箱容積最佳組合，設計一組正交實驗參數如表2所示。

表2 正交實驗參數

正交實驗圖如圖8所，由圖8可知，集熱器的效率與水箱容積的變化基本保持一致，受集熱面積的影響幾乎不大；水箱最高溫度變化與水箱容積變化相反，當容積一定時增加集熱面積對水箱溫度改變不大，從初投資和節約材料的角度來看，在滿足用戶用熱水需求的前提下，選用8 m3儲熱水箱與55 m2的集熱器即可。

圖8 正交實驗圖

3 結語

本文通過理論計算和實驗測試驗證了TRNSYS光熱系統仿真模型的準確性，通過改變集熱器安裝傾角和方位角得到最大的太陽能面積補償比；同時通過對集熱器面積和儲熱水箱容積的分析，可知，集熱效率和水箱溫度與集熱面積、水箱容積均成線性系；考慮到初投資和節約材料的因素，本文通過正交實驗給出了集熱器面積與水箱容積的最佳配比。通過實驗測試和模擬分析可以得出以下結論：

1)銀川地區太陽能光熱系統為達到最佳太陽能利用率，集熱器安裝傾角應為30°，方位角在南向±10°以內。

2)集熱器的效率與水箱容積成正比，與集熱器面積成反比；在集熱器效率一定的情況下，改變水箱容積對水箱溫度的變化更為顯著。

3)根據用戶需求選擇儲熱水箱后，在保證系統的綜合性能的前提下，即集熱器的得熱量可以使水箱溫度達到55 ℃，若再增加集熱器的集熱面積將會使集熱效率降低，水箱溫度變化較小。