“太阳能空气源热泵系统”动态特性分析软件开发及教学应用

牛建会 卢春萍 刘春蕾

摘 要：为推进我省教学案例库建设，推动高校进一步深化对专业学位的认识，转变专业学位人才培养理念，省教育厅学位中心及我校均设立了专业学位研究生教学案例库立项建设项目。基于项目实施，课程组针对研究生案例教学，开发了“太阳能空气源热泵系统”动态特性分析软件，该软件可以为热力系统优化设计提供指导。

关键词：太阳能;空气源热泵;软件开发;教学应用

研究生案例教学是一种新的教学方法和教学理念，项目组立项校级研究生重点教研项目《建筑区域供能的冷热源系统动态特性分析教学案例库》，基于项目的实施，项目组开发研制“太阳能空气源热泵系统”动态特性分析软件，并将其拟应用于研究生教学环节。

1 “太阳能空气源热泵”供热系统简介

太阳能与空气源热泵的供热方式为并联式，其特点：空气源热泵作为建筑的主要供热设备，太阳能储热水箱作为建筑的辅助供热设备，二者并联使用，用太阳能来弥补空气源热泵供热量的不足。

2 太阳辐射的辐射量计算软件编制

本软件可计算某一地区在某一时刻不同集热器倾角下太阳辐射强度。

2.1 影响太阳辐射的各种角度及其计算

太阳辐射及太阳能集热器的设计计算都要涉及太阳高度角、方位角及日照时间等问题。

2.1.1 太阳高度角

太阳高度角hc是太阳光线与地平面的夹角，确定如下：

式中：ω为时角，ω=（st-12）×15°，st为太阳时;太阳时与北京时间的关系：st=北京时间+E-4×（120-LLOG）60，其中E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB，B=360n-81364;n为日期序号;LLOG为当地经度;δ—太阳赤纬，δ=23.45sin（360284+n365）;φ为当地纬度。

2.1.2 太阳方位角及日照时间、集热器倾角

2.1.3 倾斜面上的太阳光线入射角θ

式中：β为集热器倾角;δ为太阳赤纬;φ为当地纬度;α为方位角，北半球α=0°;ω为时角。

2.2 计算太阳辐射强度

2.2.1 地表面的太阳辐射

与太阳光垂直平面上的太阳直接辐射强度：

式中：C为大气透明度系数，较好晴天C=0.33。

如果集热平面的法线与太阳光线的夹角为θ，其直接辐射强度：

2.2.2 太阳在水平面上散射强度、斜面上的散射强度、地表反射对斜面辐射强度

（1）太阳在水平面上散射强度：

式中：Inh为太阳在水平面上的直射强度，Inh=Insinhc;大气质量m=1sinhc;P为大气的透明度，0.65～0.85。

（2）太阳在斜面上的散射强度：

（3）（3）地表反射对斜面辐射强度：

式中：ρ为地面的反射率，ρ=0.2。

2.2.3 太阳辐射在斜面上总强度

3 “太阳能空气源热泵系统”软件编制

3.1 太阳能集热、储热系统的热力模拟

3.1.1 集热器能量分析

以集热器进水温度为基准，集热器的热损失Qu：

式中：Ac为集热器采光面积;Fr为热转移因子;Iτα為单位面积集热器获得的热量，Iτα=I·τ·α，I为投射到集热器上的总辐射强度，τ为透明盖板上太阳透过率，α为集热板吸收率;UL为集热器总热损失系数;Tfi为逐时集热器进水温度;Ta为逐时环境温度。

3.1.2 自然循环太阳能热水系统储热水箱能量分析

假设水箱内水温均匀一致，其能量方程：

式中：dTsdt为水箱水温随时间的变化率;m为水箱质量;cp为水比热容;Fr′为集热器热交换器热转移因子;Us为水箱热损失系数;As水箱表面积;Q1为逐时太阳能提供的热量。

对式（13）的微分项dTsdt，用简单欧拉法表示为Ts+-TsΔt，Δt为时间间隔，Ts为某时刻储水箱温度，Ts+为储水箱下一时间间隔的温度。

3.2 空气源热泵供热系统热力模拟

3.2.1 建筑热负荷

以固定环境温度TW为计算基准，设定建筑围护结构的热负荷为Q1′，则在环境温度Ta下逐时热负荷：

式中：Q1为建筑物逐时热负荷;Q1′为环境温度为TW时建筑物逐时热负荷;TW为固定的环境温度;Tn为室内设计温度;Ta为逐时环境温度。

3.2.2 空气源热泵逐时制热量

空气源热泵选用普通型热泵，对某空调设备公司生产的风冷热泵机组进行数据拟合，逐时制热量：

式中：Qe为额定容量;Ta为逐时环境温度。

3.3 “太阳能空气源热泵系统”供暖运行方案

若热泵制热量大于建筑热负荷时，热泵机组单独运行;若热泵制热量小于建筑热负荷时，热泵机组与太阳能辅助加热同时开启;若室外环境温度小于-10℃，热泵机组关闭，太阳能辅助加热开启。

4 运行模拟软件说明及流程图

4.1 软件程序相关说明及运行界面

4.1.1 软件程序相关说明

软件程序主要用来计算某地区在供热系统运行一段时间内的太阳辐射强度、建筑物热负荷、空气源热泵供热量、储水箱温度、集热器热损失等参数逐时模拟量。从输入供热系统运行第一天起的N天内的计算结果最终会输出到.txt文件。

4.1.2 运行界面

见图1。

4.2 模拟软件程序计算流程图

见图2。

5 软件拟应用于研究生教学的情况

“太阳能空气源热泵系统”运行模拟软件作为课程案例，拟应用于研究生教学中，可以使学生掌握系统热力计算模块建立、数据拟合、微分项的欧拉法变换等。通过对系统动态模拟，可以切换不同环境温度下空气源热泵额定容量、需要集热面积、储热水量、储热水箱温度、集热器热效率等，该软件可以为实际工程设计及系统性能的进一步改善提供一定的理论指导。

参考文献：

[1]卢春萍，等.太阳能辐射计算与模拟[J].科技风，2015.

[2]卢春萍，等.太阳能—空气源热泵并联系统供热系统模拟研究[J].流体机械，2008.

基金项目：2020年校级研究生教育教学改革研究重点项目“建筑区域供能的冷热源系统动态特性分析教学案例库”（项目编号：2020YJSJG05）;2020年河北省专业学位研究生教学案例建设项目“智能化清洁能源供热系统案例库”（项目编号：KCJSZ2019086）

作者简介：牛建会（1981— ），女，博士，副教授，河北建筑工程学院能源工程系，研究方向：制冷空调热泵技术。

通讯作者：卢春萍（1966— ），女，硕士，教授，河北建筑工程学院能源工程系，研究方向：供热、节能技术。