太阳能热水系统的TRNSYS模拟与实验研究.docx

既有建筑改造技术交流研讨会太阳能热水系统的TRNSYS模拟与实验研究杨宾，赵军，卢素珍，王甫(天津大学机械学院热能工程系，300072)【摘要】从热力学和传热传质的基本原理出发，以TRNSYS为仿真平台，建立了太阳能热水系统的动态数学模型 和仿真模型，模型中考虑了直射入射、散射入射、风速等诸多影响因子，并对有关模型进行实验验证：结果表明：该模 型精度好，准确性高，适合于系统仿真研究。【关键词】太阳能热水系统；TRNSYS模拟；实验研究引言在常规能源日趋紧张和环境污染不断加剧的双重压力下，太阳能作为一种清洁的可再生能源， 已成为当前国际能源开发利用领域中的新热点。太阳能热水系统用于提供生活热水，可大大节省燃 料费用，是目前结合建筑低成本、规模化利用太阳能的主要技术手段之一。国内外学者对太阳能集 热器的性能进行了大量的数值模拟及实验研究，但针对整个太阳能热水系统性能的研究不多。目前， 大部分太阳能热水系统在方案设计和实际运行设置方面都是根据厂家提供的信息，基于家庭人数和 用水量确定集热器面积，这样的系统设计参数仅是凭经验而定，没有科学数据依据可循，缺乏考虑 到项目具体特点的计算机程序模拟。因此，本文以TRNSYS为仿真平台，对太阳能热水系统进行了 理论模拟与实验研究，从而为太阳能热水系统的优化设计打下一个良好的基础。1太阳能热水系统TRNSYS模拟太阳能热水系统模拟之前，需要建立整个系统各组成部分的数学模型，然后根据具体的仿真对 象，确定模型中的所有参数，并按照实际系统的设备布置情况，利用一定的方式将所有的数学模型 串接起来，形成闭式计算回路，最后进行仿真调试，当每个时刻整个系统计算收敛后，系统仿真模型也就建立完成了，通过验证后的系统仿真模型即可用于仿真研究。 1．1太阳能热水系统各部件的数学模型太阳能热水系统主要由太阳能集热器、贮热水箱、系统控制器组成。可以通过对各个部件进行单独分析，再通过相互之间的关联参数将整个系统连接起来。太阳能集热器测试和模拟数学模型【1】：Q=，‘(缎K鼬G+F’㈣遮蹦嘭一kl(r．一to)一J|}z阢一to)2一e瓦dT．一后3材【乙一to)一k4uG(1)集热器的能量平衡方程为【2】：·60·既有建筑改砖挫术空流研H台Qo=B4【G妇)一U．k．刑(2)贮热水箱的能量平衡方程为【2]：c，dr。f,a=Q，一Q。。一Qj。f(3)c；％吨也巩一to)一Qoa。f(4)1．2利用TRNSYS建立太阳能热水系统的建模仿真根据前面建立的太阳能热水系统各部什的数学模型，使用TRNSYS模拟程序将太阳能热水系统 一切必要的组件建横，实现整个太阳能热水系统的运行仿真求解。首先确定使用TRNSYS进行仿真 的起止时间、时间步K、收敛精度、数槲读^、结果打印等等。其次对幕个系统中各部件的模型参 数进行赋值。规定异部件所有INPUT与其他部件OUTPUT的连接状况，并给予这些iNPUT的初始*々#：4城^，I·”。+h值，完成整个系统的连接。在TRNSYS中措建的太阳能热水系统的仿真模型圈如图1所示。。阐：璺字．j．。麓。。震。．谛一i-。·．m§‘I *¨#嚣#‘t+”+’嘎*R4≈#图l太阳能热水系统∞仿真模型i意圉2太阳能热水系统实验研究2．1实验系统介绍 本实验系统主要由太阳能集热器、数据自动采集系统、温度捌量系统、太刚辐射强度测量系统水循环系统等部分组成。系统中太阳能集热器采用热管平扳式平板集热器，实验装置阁如刚2所示f嘲目2太阳能*水系统实验装置既有建筑改造技术交流研讨会2010．6太阳能热水系统的性能与室外环境参数(太阳辐射、室外干球温度、环境风速等)，集热器进出口 温度，集热系统循环流量及水箱温度等有直接关系，具体的测点布置如图3所示。铀：晤震图3太阳能热水系统实验系统测点布置示意图集热器进出口水温和水箱温度的测量：在太阳能集热器进口和出口处各设一温度测点，在水箱 的中间位置沿径向布置两个测点，一个在水箱最下端，另一个在水箱最上端，水箱的平均水温用两 个测点的算术平均值表示。测量仪器为PT、ⅣD一2A型温度传感器，量程0C．--．200。C，精度为0．1℃。 环境温度测量：距水箱左右3米以外设1个环境温度测点，测量仪器为PTS．1型环境温湿度传感器。辐射量测量：采用TBQ—2型太阳总辐射表； 水量的测量：采用用秤称重的方法； 集热面积测量：采用卷尺测量集热器采光面积；采集装置：辐射量、水箱温度和环境温度均采用TRMl23型温度和辐射记录仪采集，每隔5秒 采集数据一次，五分钟记录一次数据。辐射量记录五分钟的累计量和瞬时值。 2．2测试数据处理方法瞬时效率计算公式【3】：：竹一所q(‘+l—tf)Ⅳ‘一刁调㈤平均日效率可用下式表达【3】：：仉=笔乒(6)式中：C一水箱初始水温，℃；Z一水箱终止水温，℃；日