基于TRNSYS 的太陽能-電能互補采暖系統研究

李海俊 ，張天禹 ，鞠丹陽 ，謝易澎 ，王 俊

（1. 沈陽農業大學信息與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110866; 2. 國網蒙東呼倫貝爾供電公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000; 3. 國網遼寧遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000）

0 引言

燃煤采暖是我國北方主要采暖措施，尤其是農村地區，大部分居民冬季生活采暖仍以燃煤小鍋爐為主，燃煤排放氣體對環境污染嚴重。2020 年9 月，我國提出了“碳達峰、碳中和”目標[1]，節能減排成為完成這一目標的重要措施，其中清潔能源采暖對于節能減排具有重要意義。

太陽能作為清潔能源之一，在開發和利用過程中幾乎無污染，且儲量無限[2]，無論哪種方式的聯合采暖，大都會利用太陽能。現階段我國北方農村地區在冬季實施清潔采暖的措施主要有太陽能 + 生物質鍋爐聯合采暖、太陽能 + 空氣源熱泵聯合采暖、太陽能 + 輔助電源聯合采暖等[3-4]。文獻[5]利用空氣源熱泵與太陽能聯合供暖，并對供暖季系統的制熱量、耗電量等性能參數進行了測試，數據表明整個系統有較好的運行性能，但是太陽能供暖貢獻率較低，沒有進一步對系統優化。文獻[6]建立了基于太陽能和沼氣互補供暖系統，并以建造總費用最小為目標進行優化，得出了系統各部件的參數值，但是該供暖系統供暖效果較差。

基于上述研究背景，本文以沈陽市某地區典型農村住宅作為研究對象，提出了太陽能-電能互補采暖系統，以高效利用太陽能，提升供暖效果。

1 太陽能-電能互補采暖系統設計

本文共設計了2 種供暖方案，即太陽能集熱器 +石墨烯電熱膜（以下稱為方案一），太陽能集熱器+ 變頻電磁采暖爐（以下稱為方案二）。

整個采暖系統分為集熱與供暖2 大模塊，集熱模塊主要由太陽能集熱器、蓄熱水箱、集熱循環泵組成；供暖模塊主要由蓄熱水箱、供暖循環泵、暖氣片、電熱設備組成，圖1 為整個采暖系統的模塊分布圖。集熱模塊主要利用太陽能集熱器吸收太陽能輻射，加熱集熱器中的水，當水溫達到設定溫度后，集熱循環泵運行將蓄熱水箱與集熱器中的水交換，以此往復循環。供暖模塊分為2 種形式，即電熱設備供暖（利用電能供暖，方案一與方案二不同）或光熱設備供暖（利用太陽能供暖）。

圖1 采暖系統模塊分布圖

太陽能集熱器分為平板型太陽能集熱器和真空管型太陽能集熱器[7]。在熱水工程中，平板型集熱器熱特性好，運行安全可靠，產水量大，易于與建筑物結合，但是其保溫效果較差，須進行防凍設計，否則在冬季容易發生凍裂。真空管集熱器耐冰凍，無需進行系統的防凍設計，適合家用，因此本文主要對太陽能真空管集熱器進行研究。

石墨烯電熱膜是一種通電后即能發熱的聚酯薄膜，可將大部分熱量以輻射形式送入房間。變頻電磁采暖爐利用電磁感應原理，可達到快速加熱水的效果。

2 采暖系統仿真模擬

2.1 采暖熱負荷計算

本文以沈陽地區某農村典型單體式民用住宅為例開展研究，利用SketchUP 軟件對民宅進行三維建模，民宅高度為3.5 m，外窗高2.1 m，建筑面積為48 m2。由于民宅東西2 個臥室規格完全相同且僅對臥室供暖，所以本研究只對臥室進行采暖研究，即以下所有數據為2 個臥室（2 個臥室各15 m2）的研究結果。民宅模型如圖2 所示，軟件SketchUP 與軟件TRNSYS 之間存在連接端口，可將在SketchUP中建立的民宅模型信息導入到TRNSYS 中，完成民宅的熱負荷計算。

圖2 民宅模型圖

房間采暖設計溫度為16 ℃，室內通風換氣次數為0.5 h-1，人體發熱量為120 W/人，且假設有2 位成年人24 h 都在屋內，照明裝置發熱量取6 W/m2。民宅圍護結構的傳熱系數如表1 所示，其數據由軟件TRNBuild 根據民宅實際墻體、屋頂、地面以及門窗的構成材料和厚度自動生成。民宅熱負荷模型搭建模型如圖3 所示。

表1 民宅圍護建構參數

圖3 民宅熱負荷模型搭建示意圖

利用TRNSYS 軟件計算民宅在整個采暖季（2022 年11 月1 日—2023 年3 月31 日）的熱負荷，仿真結果如圖4 所示，典型日（采暖季出現最大負荷日）平均熱負荷為2.29 kW，所以電熱設備提供的熱量必須滿足民宅最大負荷日的平均熱負荷2.29 kW，向上取整為2.3 kW。

圖4 整個取暖季建筑的逐時熱負荷

2.2 采暖系統重要參數的確定

利用TRNSYS 軟件建立的太陽能真空型集熱器熱水系統模型如圖5 所示，該系統主要由天氣文件、太陽能集熱系統、控制器、瞬時輸出部件等組成。

圖5 太陽能真空型集熱器熱水系統模型

2.2.1 集熱器面積

太陽能集熱器的集熱方式分為直接式與間接式，本文主要對直接式集熱系統進行研究。

由采暖期房間模型所需供暖熱負荷和試驗地區太陽能輻照強度來確定集熱器參數，直接式集熱器集熱面積AC的計算公式為：

式中：AC為直接式集熱器集熱面積， m2；Q為典型日（采暖季出現最大負荷日）平均熱負荷，為2.29 kW；f為太陽能保證率，沈陽地區屬于太陽能資源較豐富區，取30%；JT為由GB50495—2019《太陽能供熱采暖工程技術標準》中附錄A 可查沈陽地區太陽能集熱器平均接受的太陽能輻照量，取11.437 MJ/m2； ηcd為集熱器的平均集熱效率，取45%； ηL為集熱器管路及儲熱裝置熱損失，經驗值為10%～20%，取15%；將各參數代入公式，計算得到直接式集熱器集熱面積AC為14.22 m2。

2.2.2 集熱器傾角與換熱盤管面積

在換熱器盤管管徑為2 cm 的條件下，換熱器盤管長度L為30、40、50、60、70 m 時，其對應的換熱面積S分別為1.88、2.51、3.14、3.77、4.40 m2。表2 表示面積不同的換熱盤管對系統集熱效率的影響，由表2 可知，盡管換熱器盤管面積不同，但太陽能集熱器的集熱效率在10°～55°的傾角范圍內均呈上升趨勢，在55°之后均呈下降趨勢，即太陽能集熱器的集熱器效率在傾角為55°時出現拐點，因此可確定，沈陽地區太陽能集熱器最佳安裝傾角為55°。

表2 換熱器盤管面積及傾角對集熱效率的影響 %

2.3 采暖系統模型搭建

根據2.2 仿真模擬可確定采暖系統的許多關鍵參數，如表3 所示。

表3 采暖系統關鍵參數

2.3.1 太陽能 + 石墨烯電熱膜采暖系統

利用TRNSYS 軟件建立的“太陽能 + 石墨烯電熱膜”系統模型如圖6 所示。將石墨烯電熱膜鋪裝于室內地板下方，作為本系統的電采暖設備。在TRNSYS 軟件中設定的典型元件有：天氣文件（Weather）、真空管型太陽能集熱器（Type71）等，同時，利用邏輯函數編輯器（Equation）作為電供暖時的發熱源，進而模擬石墨烯電熱膜供暖。

圖6 太陽能 + 石墨烯電熱膜采暖系統

2.3.2 太陽能 + 變頻電磁采暖爐采暖系統

利用TRNSYS 軟件建立的“太陽能 + 變頻電磁采暖爐”系統模型如圖7 所示，將變頻電磁采暖爐串聯接在用戶端，作為輔助加熱設備，防止在夜間或者非晴朗天氣時，室外溫度低使集熱器收集不到足夠熱量，導致蓄熱水箱輸出端水溫無法滿足用戶采暖溫度需求。本系統建模時所用的主要元件與太陽能 + 石墨烯電熱膜系統相比，只有電熱設備不同，其余主要元件此處不再贅述，具體詳情見上文2.3.1。本系統采用變頻電磁采暖爐（Type138）作為電供暖時的發熱源，在保證系統仿真準確性的同時，也強調2 套采暖系統只有電熱設備不同的對比論證。

圖7 太陽能 + 變頻電磁采暖爐采暖系統

2.4 仿真結果分析

因為太陽能集熱器受太陽能輻射的影響較大，不同的天氣會影響集熱器的集熱效率，因此在仿真試驗中，簡單把天氣分為晴天與陰天。本次仿真選取2023 年沈陽地區冬季溫度較低的2 天，且天氣狀況分別為晴天和陰天，具有代表性，分別為1 月24日與1 月25 日。

2.4.1 室內外溫度

如圖8、圖9 為2 種供暖方案分別在晴天和陰天的室內外溫度變化情況。

圖8 1 月24 日2 個系統室內外溫度曲線

圖9 1 月25 日2 個系統室內外溫度曲線

由圖8 可知，在24 日晴天的情況下，全天的室外平均氣溫約為-11.51 ℃，方案一與方案二的室內溫度變化趨勢基本相同，室內溫度波動幅度較小，方案一室內平均溫度為17.49 ℃，方案二室內的平均溫度為18.01 ℃，室內供暖溫度相差不大，且室內平均溫度都在設定目標溫度16 ℃以上。

由圖9 可知，在25 日陰天的情況下，全天的室外的平均氣溫為-13.68 ℃，方案一與方案二的室內溫度變化趨勢基本相同，室內溫度波動幅度較小，方案一室內平均溫度為17.13 ℃，方案二室內的平均溫度為17.59 ℃，室內供暖溫度相差不大，且室內平均溫度均在設定目標溫度16 ℃以上。由此可見在陰天的情況下，系統也可以基本保證室內的目標溫度。

2.4.2 人體舒適度與客戶滿意度分析

PMV（predicted mean vote），即預測平均熱感覺指數。PPD（prsdicted percentage dissatisfied），即不滿意者的百分數。根據不同的PMV-PPD 值可評判對應的熱舒適性等級，表4 為T/ASC02—2016《健康建筑評價標準》熱環境的整體評價指標，等級Ⅰ至Ⅲ代表熱舒適性逐漸降低。2 個系統PMVPPD 指數曲線如圖圖10、圖11 所示。

表4 整體評價指標

圖10 1 月24 日2 個系統PMV-PPD 指數曲線

圖11 1 月25 日2 個系統PMV-PPD 指數曲線

由圖10、圖11 可知，民宅在晴天或者陰天均滿足 0.5 ≤PMV ≤+0.5 ，且 PPD ≤10% ，符合熱舒適度等級為Ⅰ級規定。

2.4.3 電熱設備用電量

本次仿真利用TRNSYS 輸出2 套采暖系統用電量情況，見表5 所示。

表5 系統24 日與25 日的用電量kW·h

由表5 可知，系統在陰天比晴天耗電更多，且方案一的耗電量遠大于方案二。

陰天天氣條件下，太陽輻射量不足，太陽能集熱器的集熱效果較差。因此蓄熱水箱水溫在白天也很難達到很高的溫度，此時主要依靠電熱設備給室內供暖，陰天的耗電量較大。

3 結束語

本文針對北方農村地區冬季清潔采暖這一難題，提出了太陽能-電能互補采暖系統。通過對采暖系統原理分析與理論計算，并利用TRNSYS 軟件仿真模擬運行得出以下結論：

在太陽能集熱器安裝過程中，在滿足集熱器在接收太陽能輻照量相同的條件下，太陽集熱器在沈陽地區最佳安裝傾角為55°。

設計直接式集熱器太陽能熱水系統的集熱面積時，在保證太陽能集熱器的傾角與方位角的度數均固定的前提下，考慮經濟效益，其最佳設計面積為14.22 m2。

太陽能集熱器 + 石墨烯電熱膜與太陽能集熱器 + 變頻電磁采暖爐這2 種供暖方案在滿足供暖溫度條件下，“太陽能集熱器 + 變頻電磁采暖爐”供暖方案消耗更少的電能。