钟永恒¹  章文杰¹  白冰¹  郝斌²
1 南京理工大学能源与动力工程学院；2 深圳市建筑科学研究院股份有限公司

       【摘  要】太阳能热水系统作为一种成熟的太阳能利用方式广泛应用各个国家。在工程应用领域的设计安装过程中需要建筑模拟仿真软件对其进行模拟分析，找到设计安装的最优形式和存在问题，降低工程成本。本文利用完全自主开发的太阳能热水系统计算程序，与其他模拟仿真软件进行对标，并对实际工程进行模拟计算，与实际监测数据进行对比分析。结果表明，程序模拟结果与仿真软件和实际监测数据误差率为20%和74%以内，考虑实际问题后，均在合理控制范围内。本文计算模型方法可对太阳能生活热水工程实际提供一定参考。

       【关键词】太阳能  生活热水  计算模型  能耗模拟

       【基金项目】国家重点研发计划项目“机电系统和可再生能源系统与建筑热过程耦合计算模型开发”（编号：2017YFC0702203）

Abstract：As a mature solar energy utilization method, solar water heating system is widely used in various countries. In the process of design and installation in engineering application field, building simulation software is needed to simulate and analyze it, find the optimal form and existing problems of design and installation, and reduce the engineering cost. In this paper, a completely self-developed solar water heating system calculation program is used to benchmark with other simulation software, and the actual project is simulated and compared with the actual monitoring data. The results show that the error rates between the program simulation results and the simulation software and the actual monitoring data are within 20% and 74%, which are within the reasonable control range after considering the actual problems. The calculation model method in this paper can provide some reference for the actual living hot water engineering with solar energy.

Keywords：Solar energy；Domestic hot water,；Computational model,；Energy consumption simulation

0  引言

       随着我国生活水平的改善和生产需要，建筑能耗不断增高，截止目前已经达到10亿t^[1]，节能减排势在必行，太阳能生活热水是目前技术最为成熟且产业化发展最快的可再生能源形式，已成为可再生能源建筑应用领域最为公众熟知和贴近居民日常生活的应用形式。

       国内外在建筑性能仿真软件的开发上做了很多努力，目前得到业内广泛认可并大规模应用的仿真软件主要有: ESP-r^[3]、DOE-2^[4]、TRNSYS^[5]、EnergyPlus^[6]和DeST^[7]，Ayompe^[8]利用TRNSYS建模了一个用于温带气候的强制循环太阳能热水系统模型，该系统的集热器由抛物面槽聚焦集热器(PTC)和高效真空管集热器(ETC)两部分组合而成。通过在都柏林安装的实验系统所获得的实验数据得，该模型PTC系统的集热器出口流体温度的平均误差百分比为16.95%，ETC系统的集热器出口流体温度的平均误差百分比为18.4%。卢素珍^[9]对高层建筑的太阳能热水系统进行了调研分析，针对太阳能热水系统与建筑的结合问题提出应用策略和技术方案。并利用TRNSYS搭建了分体式强制循环太阳能热水系统仿真模型，通过实验及模型对太阳能热水系统控制策略进行优化。Hobbi[10]模拟了加拿大蒙特利尔单户住宅单元的强制循环太阳能热水系统，并利用TRNSYS搭建了仿真模型，对集热器的流量，水箱容积，集热器面积等参数进行了优化设计。

       大量研究表明，太阳能热水应用的实际效果受到多种因素的影响，需要采用系统性能模拟仿真，对太阳能热水系统进行研究，优化解决实际运行中的一系列问题。太阳能由于其间断性，并不能作为稳定的热源。为使用户能持续不断使用热水，本文在太阳能热水系统中加以辅助热源以保证热量的稳定，使用自主开发编写的太阳能生活热水计算程序对实际工程进行模拟分析。

1  太阳能生活热水计算模型

       1.1 光热模型开发

       针对光热模型的开发，图1展示了详细的技术路线流程图；此模型主要分为四个部分，即集热器模型、水箱模型、控制系统模型、辅助热源部分。太阳能热水模型是通过选择不同的集热器类型以及水箱模型；通过输入相应的气象、计算参数，从而得到相应的集热器有用集热量和出口工质温度；根据能量守恒定律，集热器的有用能量转移到储热水箱中，在储热水箱中通过相应的水箱数学模型算出实际的水温；通过水箱的原始设定温度与实际水箱模型计算得出的温度之间的差值比较，控制系统反馈信号，控制循环泵和辅助加热模块，通过增加集热量以及辅助热量，使水箱温度达到设定值。 

图1 技术路线流程图

       1.2 模型与机理

图2 物理过程图

       太阳能集热系统中最重要的是集热器部分，以平板集热器为例，进行物理过程分析。如上图2所示， 集热器输出的有用能量等于入射在集热器上的太阳辐照量减去集热器对周围环境散失的热量，其中集热器的热损失包括顶部热损、侧边热损和底部热损。集热器输出的有用能量进入储热水箱中，储热水箱储存集热器所搜集的太阳能，根据储热水箱中的水温与设定温度的差值，来确定是否开启辅助热源以及所需辅热量。

图3 集热器集热过程图

       先针对太阳能热水系统中集热器部分进行物理模型和数学模型分析，集热器的顶部热损失包括吸热板与盖板之间的对流辐射热损失和盖板与天空之间的对流、辐射热损失。

       集热器有效能量输出等于相同时间内吸收的辐射能与所有热损失差值，平衡方程为：

       Q_u=Q_A-Q_L         （1）

       Q_u=F_RA_c[I_T(τɑ)_e-U_L(T_i-T_a)]    （2）

       式中Q_u为集热器获得的有用能，MJ；F_R为集热器的热迁移因子，无因次；Ac为集热器面积，m²；(τɑ)_e为盖板透射率与吸热板吸收率的有效乘积，无因次；U_L为总热损系数，W/(m²·K)；T_i为集热器工质进口温度，℃；T_a为环境温度，℃。

       集热器总热损失系数^[9,11]：

       U_L=U_t+U_b+U_e                          （3）

       式中 U_b为底部热损系数，U_e为边缘热损系数，U_t为顶部热损系数。

       1.3  模型算法流程

图4 算法流程图

       如图4所示，输入相应的集热器参数以及气象参数，通过相关的模型计算出集热器在一天中所得的有用能量和辅热量，并且计算出相应每个时刻的集热器出口温度及对应时刻水箱中的温度。水箱的温度即是下一时刻集热器开始集热时的进口温度，经过一天的集热后，水箱中水温如小于设定温度，则通过辅助热源加热水至设定温度。

2  模型算法对标

       本文采用两进两出能量平衡方程^[12]，在已有太阳能集热计算基础上，针对工程实际应用中关注的辅助加热量进行研究。计算求出集热器集热量、系统损失热量、用户用热量，通过平衡方程求出相对应的辅热量。

       选取三层住宅建筑，每层3.6米，共120m²。选定3层两个屋顶为光热安装位置。气象数据采用北京的典型气象年的气象数据。集热器面积为8m2，安装为南向41°，分别采用开发程序和Trnsys以及EnergyPlus对其进行模拟运算。针对用户用水模型进行划分，将每日用水量划分为每时刻用水量，计算出对应每时刻用户用热量。用户用水模型符合用水规律，具有一定的平稳性、交变性和周期性，一天当中出现早、中、晚3个用水高峰，晚间用水量最大。其他时段变化不明显。符合住宅建筑的特点。

图5 用户用水模型图                                 图6 典型日太阳辐照模型对比

图7 典型日逐时辅助加热量对比                          图8 对标误差值

       主程序光热系统和Trnsys以及EnergyPlus输出结果，图6为选取典型日太阳辐照模型计算结果对比，计算程序与Trnsys和Energyplus计算结果基本相同，图7为用户期望得到的太阳能热水系统辅助加热量。在早晨和晚间的辅助加热量比较大，中午的辅助加热量比较小，满足相应的变化规律。图8为主程序对标两种模拟软件的误差值，对标Trnsys模拟结果误差值在46%以内，对标EnergyPlus模拟结果误差值在38%以内。程序变化规律与模拟结果基本一致,全年辅助加热量呈现先降低后增加的趋势。同时符合选取年全年的辐照变化规律，冬季辐照强度低，辅助加热量高，到了夏季，由于辐照强度变高，辅助加热量相应变低。由图可知程序模拟的系统辅助加热量结果比Trnsys和Energyplus大，这是由于在系统热量损失计算时加入了系统管路的损失热量，根据两进两出能量平衡此时维持能量平衡需要的辅助加热量增大，计算程序的结果更接近于工程实际计算。

3  实测验证计算

       选取上海某高校学生宿舍集中太阳能热水系统应用工程项目为研究对象^[13]，基于系统全年运行逐时监测数据，与模拟程序计算结果进行对比验证分析，该工程采用集中集热集中辅热式太阳能热水系统，为男生宿舍提供洗浴热水。建筑共六层，共450人入住，每层东西两侧各设一间浴室，每间浴室设置三个淋浴喷头。集中集热系统安装于建筑屋顶，采用玻璃热管式集热器，集热面积为230m2。系统设置双水箱，位于二层裙楼楼顶，储热水箱A容积为12m³，恒温水箱B容积为6.75m³。集中辅热热源形式为空气源热泵热水机组，共设三台空气源热泵热水机组对储热水箱A进行辅助加热，恒温水箱B设有电伴热。浴室热水供应时间为15:00~22:30，供水温度为 55℃。太阳能生活热水主程序对输入参数进行模拟计算，输出结果如下表。

表1 光热程序模拟输出结果


图9 典型日逐时集热量                            图10 逐月集热量

       选取典型日的逐时集热量发现变化趋势呈现为先上升，在下午2时达到最大值，随后在傍晚6时左右降低为0W，一天内的集热量随气象条件的变化较为稳定，符合预期结果。逐月集热量中，全年呈现为先上升后下降的趋势，在2月的集热量最低，为42295.48MJ，随后稳定增长到8月份达到最大值，为98138.56MJ。从选取的典型日和逐月集热量来看，由于暂时没有考虑到设备维保周期等一系列工程问题，程序模拟的数据呈现出稳定变化的趋势。

图11 典型日逐时辅助加热量                          图12 全年逐时辅助加热量

       从选取的典型日来看，逐时辅助加热量从早上5时开始增加，到7时左右达到峰值拐点，为19845w，随后逐渐降低，这一时间段为学生用水集中期。下午从15时开始辅热量逐渐增加，到17时到达峰值拐点，为37638W，此时为全天内学生用水高峰，且太阳能集热量较少，随后逐渐降低。模拟数据符合用水习惯及当天太阳辐照模型，从全年辅助加热量来看，总体呈现先下降后增加的趋势，符合全年气象变化趋势。且从图中可以看出，仍有少许时间段呈现出反常陡增陡降的变化，这是因为阴雨天太阳能集热量大量减少导致，符合实际用能经验。

表2 实测辅热量及程序模拟误差


图13 程序与实测逐月辅助加热量对比

       将逐月辅助加热量程序模拟结果与实际监测数据对比，发现逐月辅助加热量变化趋势基本一致，整体呈现为先降低后增加，模拟计算结果在实测数据上下波动，最小误差出现在10月，为0.24%，与实际监测结果较为一致，最大误差出现在2月，为74.16%，出现的原因可能为该工程为某高校学生宿舍楼，由于假期影响，实际工程中的辅助加热量较低，而模拟计算程序没有考虑这一因素。而在夏季假期期间，有学生留校进行科研工作等，所以夏季太阳能生活热水系统正常运行。

4  结论

       本文提出了自主开发的太阳能生活热水模拟仿真程序，介绍了计算模型与机理，将其与业内广泛应用的两种模拟仿真软件进行对标计算，看出典型日太阳辐照模型中程序模拟结果与变化趋势与两种仿真软件基本一致。典型日中的逐时辅助加热量误差值同时分别对标Trnsys和EnergyPlus两种模拟计算软件，误差值为46%和38%以内。且程序模拟的系统辅助加热量结果比仿真软件值大，这是由于在系统热量损失计算时加入了系统管路的损失热量，使得本程序更接近于工程实际。

       同时选取了上海某工程实际案例，将程序模拟值与实际监测值进行对比分析，发现程序模拟的集热量呈稳定变化趋势，辅助加热量与实际监测值的误差范围为0.24% ~ 74.16%，最大误差值出现在学校冬季假期时间内，夏季假期由于学生留校，热水持续供应，误差值处在稳定变化范围内。

       随着计算机的软硬件技术不断革新，建筑仿真技术得到了充分发展，太阳能热水应用方面，用实时仿真模型来研究控制策略和优化设备性能已经成为主要方法，本文从实际工程意义出发，提出了完全自主研发的太阳能生活热水模拟程序和分析了仿真实测数据，可以看出，该计算模型方法可以给工程设计中的基准稳定状态提供参考。

参考文献：

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       备注：本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期（第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。