基于TRNSYS的太阳能光热系统数值模拟和优化

程晓蔓，李帅

(1.南京市园林规划设计院有限责任公司，南京 210007；2.江苏省、南京市节能技术服务中心，南京 210007)

太阳能作为最清洁的能源，高效率的利用太阳能资源是我们重要研究任务。目前，国内外已有很多学者对太阳能光热系统进行研究。其中，王瑞平利用传热理论讨论了平板型集热器，并对影响集热器效率的因素进行了分析[1]；王志阐述了几种太阳能集热器的工作原理,并提出了集热水箱容积的计算方法[2]；韩延民等讨论了集热器类型、集热器面积、水箱流量对集热系统储热量的影响[3]。但是目前利用仿真软件对光热系统的模拟不多，系统优化也多在实验的基础上进行研究。本文主要通过TRNSYS仿真模拟软件建立太阳能光热系统的模型[4]，在与实验测试相符合的基础上，研究太阳能集热器的最佳安装倾角及方位角、集热器面积、水箱容积等因素对光热系统的影响，同时对系统的最佳配比进行优化，从而提出可行性意见。

1 理论分析

光热系统不仅受气象条件和集热器安装角度的影响，其核心构件集热器和储热水箱的选择也至关重要[5]。光能转换成热能，而热能直接反应在水的温度上，所以研究光热系统主要研究其即热效率和水箱温度这两个方面[6]。

光热系统的核心构件集热器获得热量为：Q=AM

常规热源耗能量：Qcg=Qt-Qc

上述公式中，Q为集热器得热量，MJ；A为集热器采光面积，m2；M为集热器采光面上的太阳能辐照量，MJ/m2；Qc为集热系统得热量，MJ；Qt为辅助加热量，MJ；Qcg为常规热源耗能量，MJ；V为水箱的容积，m3；ρ为水箱热水的平均密度，kg/m3；c为水箱热水的平均定压比热，kJ/(kg·℃)；V′为日平均用水量，m3；η为集热系统效率，%；t1为集热系统使水箱达到的温度，℃；t2为用户使用的温度，一般为55 ℃；t0水箱初始温度，一般为15 ℃。

集热器的效率跟水箱容积和水箱温差成正比，跟集热面积和日照强度成反比；在集热系统一定的条件下，水箱最高温度与集热效率成线性关系。

2 实验设置及仿真模型的建立

2.1 实验设置

本文研究对象为银川市兴庆区的“塞上娇子”住宅区二区二期太阳能示范区域，其纬度为38°29′，经度为106°13′。该项目总用地面积为18.16 hm2，总建筑面积为48.66万m2；二区共建设18个单体建筑，分多层和高层两种形式，共714户，面积为8.83万 m2。

项目研究所用的检测设备由可再生能源建筑应用测评检测仪TRM-2D、总辐射表TBQ-2、风速传感器EC-PS和温度传感器PTWD-2A等。该项目均采用平板型集热器和封闭式承压蓄热水箱。

2.2 模型的建立

本文利用TRNSYS瞬时系统模拟程序对太阳能光热系统进行仿真模拟，TRNSYS 仿真模型如图1所示，平板型集热器、集热水箱和水泵均采用的是TESS中的模块，TESS是美国专门针对暖通空调开发的模块。集热器效率模型采用与水箱平均温度相关的模型；集热水箱模拟采用辅助加热同时启用模型；天空散射辐射模型采用Perez 模型。

图1 TRNSYS 仿真模型

2.3 模型的验证

以55#楼2单元1701室为例，设置模型参数与实际值一致：环境温度为23.7 ℃，平均风速为0.2 m/s，太阳辐照量为13.29 MJ/m2，集热器面积为1.75 m2，储热水箱容积为100 L，储热水箱热损失系数为3.69 W/K。

模拟出2019年8月29日-8月31号的各项参数与实验值的结果见表1。

从表1可以看出，该模型的模拟结果与实验值的偏差在可接受的范围内，因此该模型可用来进行相关模拟。

表1 各项参数与实验值的结果

2.4 模拟结果分析

集热系统的得热量直观反映在储热水箱的温度上，图2为模型模拟出的水箱温度全年变化情况，水箱最高温度可以达到55 ℃左右，由于天气和辐照量等因素的影响，水温基本在35 ℃上下波动，全年运行平稳。

图2 水箱温度全年变化情况

图3为集热器安装角度与太阳能面积补偿比的关系，由图3可知：集热器的安装角度与太阳能面积补偿比之间存在线性关系，越靠近正南方向面积补偿比越大，当安装倾角30°、方位角在南向±10°内太阳能面积补偿比可达到100%。

图3 集热器安装角度与太阳能面积补偿比的关系

为了深入优化光热系统，下面分别模拟基于集热面积在50 m2、55 m2、60 m2、65 m2、70 m2，储热水箱容积在5 m3、8 m3、10 m3、15 m3，同时设置集热器安装倾角为30°、方位角为正南时集热器面积与水箱温度的关系如图4所示，水箱容积与水箱温度的关系如图5所示。

图4 集热器面积与水箱温度的关系

图5 水箱容积与水箱温度的关系

由图4和图5可知，水箱容积一定时，集热器面积增大则水箱温度升高，集热面积过小会导致水箱温度达不到要求，但集热面积过过大则易造成资源的浪费。当集热器面积一定时，水箱容积越小则水箱温度越高，水箱容积过大不仅造成投资加大而且水温也难以满足用户需求，水箱容积过小则温度超过设定值。不同水箱容积的水箱温度和系统效率如图6所示，不同集热面积的水箱温度和系统效率如图7所示。

图6 不同水箱容积的水箱温度和系统效率

为了得出集热器面积与储热水箱容积最佳组合，设计一组正交实验参数如表2所示。

表2 正交实验参数

正交实验图如图8所，由图8可知，集热器的效率与水箱容积的变化基本保持一致，受集热面积的影响几乎不大；水箱最高温度变化与水箱容积变化相反，当容积一定时增加集热面积对水箱温度改变不大，从初投资和节约材料的角度来看，在满足用户用热水需求的前提下，选用8 m3储热水箱与55 m2的集热器即可。

图8 正交实验图

3 结语

本文通过理论计算和实验测试验证了TRNSYS光热系统仿真模型的准确性，通过改变集热器安装倾角和方位角得到最大的太阳能面积补偿比；同时通过对集热器面积和储热水箱容积的分析，可知，集热效率和水箱温度与集热面积、水箱容积均成线性系；考虑到初投资和节约材料的因素，本文通过正交实验给出了集热器面积与水箱容积的最佳配比。通过实验测试和模拟分析可以得出以下结论：

1)银川地区太阳能光热系统为达到最佳太阳能利用率，集热器安装倾角应为30°，方位角在南向±10°以内。

2)集热器的效率与水箱容积成正比，与集热器面积成反比；在集热器效率一定的情况下，改变水箱容积对水箱温度的变化更为显著。

3)根据用户需求选择储热水箱后，在保证系统的综合性能的前提下，即集热器的得热量可以使水箱温度达到55 ℃，若再增加集热器的集热面积将会使集热效率降低，水箱温度变化较小。