0 引言
TRNSYS软件包括热水器模块、单温度场分析模块、太阳辐射分析模块和输出模块等。通过TRNSYS软件的太阳能集热程序、暖通空调程序、地源热泵程序、蓄能程序等可对暖通空调系统进行模拟研究。石惠娴等[6]利用TRNSYS软件,对太阳能辅助地源热泵沼气加热系统进行模拟,得到了系统全年消耗的热量,由太阳能和地热能提供74%,其中太阳能贡献63%,地热能贡献37%。赵攀等[7]对太阳能、土壤源热泵、热网组成的多热源复合式供热系统进行了TRNSYS模拟,研究了不同峰谷电价比、不同热源占比时系统的运行特性,分析不同热源占比系统的经济性,结果表明,当太阳能-土壤源热泵的设计负荷占55%,热网的设计负荷占45%时,系统均能取得良好的经济性。STRITIH等[8]采用TRNSYS对太阳能蓄能采暖系统进行模拟分析,并进行试验测试,结果表明,有相变蓄能设备的系统可增加14%的供热量,降低10%的能源消耗量,节约24%的运行成本。刘尧等[9]利用TRNSYS软件对太阳能联合空气源热泵热水系统及电加热器进行仿真模型,对系统运行时能耗的影响因素及可行性进行了分析,发现系统对天气状况的依赖性较大,空气源热泵的COP值较高,相比于原来的单一使用电加热器的情况,节能效果明显。
现有的研究多集中于供暖系统的能源消耗,对太阳能谷电蓄能系统运行效率及系统优化还没有TRNSYS模拟研究报道。本文针对太阳能谷电蓄能供热采暖系统,利用TRNSYS软件模拟分析太阳能辐照强度、集热器面积、空气流量对系统运行效率的影响,并对系统进行了优化。
1 系统原理
太阳能谷电蓄能供热采暖系统原理如图1所示,以太阳能为主要热源,电加热为辅助热源。系统中空气式太阳能集热器内置相变蓄能芯,收集和储存太阳能热量加热空气;热空气被送入气水换热器中,循环水与热空气发生热量交换;循环热水进入相变蓄能器,一部分用于满足建筑采暖需求,一部分为用户侧生活热水提供热量;当相变蓄能器内热量充足时,相变蓄能材料储存循环热水多余的热量;当相变蓄能器内热量不足时,启动电加热器加热循环水,以满足建筑热负荷;根据供暖和生活热水需求不同,直接利用相变蓄能器中的高温热水为建筑提供采暖;通过热交换,由相变蓄能器为供热水箱提供热水。
Fig. 1 Schematic diagram of solar valley energy storage heating system图1 太阳能谷电蓄能供热采暖系统原理图 |
系统中相变蓄能芯和相变蓄能器的蓄能材料,采用自主研发的包括乙酰胺、磷酸氢二钠和硫酸钠等多种无机盐复合相变蓄能材料,熔点为100℃,凝固点为54.5℃,相变潜热为147.7 kJ/kg。
太阳能谷电蓄能供热采暖系统运行模式,可根据气象条件、峰谷电价及实际建筑供暖效果等影响因素,分为集热模式、电加热模式、蓄热模式、采暖模式和供热水模式。①集热模式：当集热器出口温度高于30℃,且相变蓄能器温度低于90℃,系统集热模式运行;当集热器出口温度低于30℃,且相变蓄能器温度高于90℃,系统集热模式停止。②电加热模式：为降低电力运行成本,合理控制电加热器,根据当地的峰谷电价,电加热模式分为低谷电时段和非低谷电时段。低谷电时段：当集热器出口温度低于30℃,且相变蓄能器温度低于100℃,系统电加热模式运行;当相变蓄能器温度高于120℃,系统电加热模式停止。非低谷电时段：当集热器出口温度低于30℃,且相变蓄能器温度低于80℃,系统电加热模式运行;当相变蓄能器温度高于90℃,系统电加热模式停止。③蓄热模式：当供热水箱温度高于60℃,且建筑室内温度高于18℃,系统蓄热模式运行;当供热水箱温度低于60℃,且建筑室内温度低于18℃,系统蓄热模式停止。④采暖模式：当建筑室内温度低于18℃,系统采暖模式运行;当建筑室内温度高于18℃,系统采暖模式停止。⑤供热水模式：当供热水箱温度低于60℃,系统供热水模式运行;当供热水箱温度高于60℃,系统供热水模式停止。
2 模型构建
Fig. 2 TRNSYS simulated diagram of solar valley energy storage heating system图2 太阳能谷电蓄能供热采暖系统TRNSYS模拟系统图 |
Table 1 TRNSYS model module of the solar valley energy storage heating system表1 太阳能谷电蓄能供热采暖系统TRNSYS模型模块 |
| 功能 | 模块 | 参数设定 |
|---|---|---|
| 天气参数 | type109 | 倾斜表面漫射辐射模型、地面反射系数、倾斜角、方位角 |
| 集热器 | type71 | 集热器台数、面积、流体性质、流量、集热器倾斜角、环境温度各项修正参数 |
| 开/关差分控制器 | type2b | 最高温度、最低温度、检测温度、温度死区、信号输出 |
| 风机、水泵 | type3b | 最大流量、介质的物性、最大功率、转换系数、功率系数、型号输出 |
| 气水换热器 | type91 | 换热系数、两侧换热介质的物理特性 |
| 蓄热罐 | type60c | 进出口对数、换热盘管参数、罐子体积、传热介质物性、热损耗 |
| 供热水罐 | type534 | 进出口对数、换热盘管数、混合热流数、节点数 |
| 三通阀 | type11d | 进/出口数量 |
| 室内采暖 | type12c | 传热介质入口流速及温度、环境温度、房间内部得热量、辅助加热量、房间损失系数、热容 |
| 热水负荷部件 | type14b | 用水时间、用水量 |
| 积分部件 | type24 | 积分开始时间和结束时间 |
| 显示部件 | type65c | Y轴显示变量数目及范围、X轴为控制时间 |
3 结果与分析
3.1 太阳能辐射强度的影响
太阳能谷电蓄能供热采暖系统初始设置参数选取：空气流量为36 m3/(h·m2);集热器面积为716 m2;相变蓄能器体积43 m3、最大加热量12 000 kJ/h;循环水泵流量105 kg/h;采暖泵流量30 300 kg/h;热水循环泵流量2 000 kg/h。以上海、北京和拉萨地区为例,其年均太阳能辐照强度分别为374.97 W/m2、566.15 W/m2和1 229.66 W/m2。
太阳能保证率是采暖系统中利用太阳能的百分比,计算公式为：
$f = {\rm{1}} - \frac{{{Q_{\rm{A}}}}}{{{Q_{\rm{R}}}}}$ (1)
式中：f—太阳能保证率,%;QA—辅助电能供热量,kJ;QR—系统实际供热量,kJ。
图3所示为三地区的各月份平均气温变化,上海和北京气温变化比西藏大,使得太阳能保证率波动更加明显。图4所示为不同辐照强度下太阳能保证率变化,由图可看出,太阳能辐射强度对系统太阳能保证率的影响显著。上海和北京处于太阳能较为丰富区,年均太阳能辐照强度相对偏小,则太阳能保证率波动较大;拉萨属于太阳能资源丰富地区,年均太阳能辐照强度高,使得太阳能保证率波动较小。上海、北京地区太阳能保证率最高分别为55.27%、56.46%,最低分别为20.17%、21.39%;西藏地区太阳能保证率最高可达93.64%,最低可达88.02%。上海、北京和拉萨地区的年均太阳能保证率分别为42.03%,45.20% 和90.41%。
Fig. 3 Variation of monthly average temperature in different regions图3 三地区各月份平均气温变化 |
Fig. 4 Variation of solar energy guarantee rate with irradiation intensities图4 太阳能保证率随辐照强度变化 |
从图4中还可以看出,北京地区太阳能保证率在5 ~ 8月份呈现出较低值,且在7月份夏季达最低点,这是由于在TRNSYS系统中设置电加热模块,辅助电加热量为给定值,在模拟夏季系统运行时仍有电加热在运行,而夏季的供暖负荷需求为全年最低的时间段,导致系统辅助电能供热量占比增加,出现太阳能保证率降低的现象。
3.2 集热器面积的影响
根据太阳能资源分区,拉萨属于 Ⅰ 类地区,太阳能资源非常丰富;北京属于 Ⅱ 类地区,太阳能资源较为丰富;上海属于 Ⅲ 类地区,太阳能资源一般丰富。为了保证模拟结果更加适合项目的实际需求,避免系统出现优化结果设备剩余或不足的情况,太阳能谷电蓄能供热采暖系统,以北京市某采暖工程为例,根据工程设计负荷,初步计算出所需集热总面积为716 m2,集热器179台。由于TRNSYS标准部件中无相变蓄能器,以水蓄热分析集热器面积对系统运行的太阳能保证率的影响。
Fig. 5 Variation of solar energy guarantee rate with solar collection area图5 太阳能保证率随集热面积变化 |
Fig. 6 Variation of average solar energy guarantee rate with solar collection area图6 年均太阳能保证率随集热面积变化 |
3.3 空气流量的影响
参考国家标准,集热器匹配空气流量值为36 m3/(h·m2)。对太阳能谷电蓄能供热采暖系统分别采用26 m3/(h·m2)、30 m3/(h·m2)、36 m3/(h·m2)、40 m3/(h·m2)、46 m3/(h·m2),5组不同空气流量对系统进行模拟,分析运行效率。
Fig. 7 Variation of solar energy guarantee rate with air flow rate图7 太阳能保证率随空气流量变化 |
Fig. 8 Variation of average solar energy guarantee rate with air flow rate图8 年均太阳能保证率随空气流量变化 |
3.4 优化结果
北京地区具有丰富的低谷电能资源,夜间低谷电时段维持7 h。根据以上仿真模拟结果可对系统进行优化,考虑到系统初投资,适当减小系统的集热面积,选择650 m2,需集热器163台;适当提高空气流量,选择模拟结果的最佳空气流量为40 m3/(h·m2)。
Fig. 9 Optimized solar energy guarantee rate图9 优化后太阳能保证率 |
北京地区在大力推进实施利用低谷电能相关政策。根据优化系统的模拟结果,优化后的太阳能谷电蓄能供热采暖系统可降低初投资,太阳能保证率的降低可接受;若出于对系统节能方面的考虑,应适当提高太阳能保证率,增加系统的集热器面积。
4 结论
对太阳能谷电蓄能供热采暖系统进行TRNSYS模拟,分析了太阳能辐照强度、集热面积和空气流量对系统太阳能保证率的影响,并对系统进行优化,得到如下结论：
（1）太阳能辐射强度对系统的太阳能保证率有显著影响,辐射强度越高,太阳能保证率越高。上海和北京年度太阳能保证率波动较大,拉萨年度太阳能保证率波动较小。
（2）该采暖系统1月份的太阳能保证率受空气流量的影响最大,当空气流量为40 m3/(h·m2)时太阳能保证率最大,相比36 m3/(h·m2)工况提高了0.26%;其余月份太阳能保证率受空气流量的影响较小。
（3）太阳能保证率与集热面积呈正相关,选择集热面积650 m2、最佳空气流量40 m3/(h·m2)的优化系统,相比集热面积为716 m2、空气流量为36 m3/(h·m2)工况下的年均太阳能保证率降低了1.22%。综合考虑到系统的经济性,在谷电资源丰富地区可适当减少集热器面积,降低系统的建设成本。