《太陽能熱泵仿真》word版

1、PAGE 理工學院畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯專 業(yè)： 熱能與動力工程 姓 名： 郝亞飛 學 號： 09L0504206 外文出處： Solar Energy 83 (2009) 657663 (用外文寫) 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語： 簽名： 年 月 日附件1：外文資料翻譯譯文集成太陽能加熱系統(tǒng)：從最初的分級系統(tǒng)到動態(tài)仿真摘要: 現(xiàn)在已經(jīng)有很多方法能夠解決個人住宅太陽能的安裝標準。本文所描述的方法是一種重要的，簡化了的程序。這種方法只需要少量的數(shù)據(jù)就可以在短時間內(nèi)計算出結(jié)果。經(jīng)過復雜的分級分析方法和詳細的仿真，已經(jīng)評估了這個程序的性能。這個簡化的程序可以應用

2、于個人住宅的太陽能系統(tǒng)，用以提供家用熱水和供暖。通過模擬軟件TRNSYS 16模擬的建筑和太陽能系統(tǒng)，其運行狀況經(jīng)過了一整年的模擬，最后模擬的結(jié)果和簡化程序所期待的結(jié)果非常相近。關(guān)鍵詞：太陽能加熱系統(tǒng);初始分級;瞬態(tài)系統(tǒng)。 簡介太陽能的開發(fā)利用可以通過不同的方法和技術(shù)（比如例如太陽能集熱器和光伏電池板直接利用太陽能、生物能燃燒和風能至于間接利用太陽能）；還有通過不同的原則（熱轉(zhuǎn)換用于太陽能集熱器，光電轉(zhuǎn)換用于光伏太陽能電池板，光合作用用于生物能，機械能轉(zhuǎn)換成風能）。在通常情況下，主要的設計和操作問題在于能量需求、能量供應和后備能源來源之間的不協(xié)調(diào)。利用太陽能最重要的是設計和操作系統(tǒng)，其中有很多

3、配置可以采用。研究能量需求、能量供應、轉(zhuǎn)換器、存儲和備份特點之間的關(guān)系的問題這可以稱為一個集成問題。 在這個集成問題已經(jīng)可以解決。通過確定影響太陽能系統(tǒng)性能參數(shù)之間的關(guān)系，然后找到主要設計參數(shù)，通過優(yōu)化系統(tǒng)建立一個目標函數(shù)，或者模擬在不同情況下，按不同的作用將參數(shù)進行分類組合，再進行分析。 由于太陽能的特點是在一定時間內(nèi)具有很大的可變性，所以需要執(zhí)行詳細的瞬態(tài)分析。例如，對于太陽能集熱器，達菲和貝克曼（1980）進行了相關(guān)工作，他們使用了一個專門的工具（TRNSYS,2000-2005）,后來演變成一個建筑模型軟件。這些分析需要輸入大量的參數(shù)，而參數(shù)的值有時很難確定。在設計的最初階段，設計師可

4、能隨便設定一些參數(shù)。最后，他們會把參數(shù)設置為軟件手冊所默認的設定值。眾所周知，設計的最初階段將影響建筑和服務的能源和環(huán)保效率。這一事實凸顯出簡化模型相互關(guān)系，優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的重要性。符號表Ac 太陽能集熱器面積（m2）D 太陽熱能需求量（ SKIPIF 1 0 ）DDHW 家用熱水需能量（ SKIPIF 1 0 ）Dh 環(huán)流供熱需能量（ SKIPIF 1 0 ）Fsav 部分能量儲蓄定義為被水箱吸收的能量除以總能量Gs 太陽能受益（ SKIPIF 1 0 ）I 照射在集熱器上的太陽能（ SKIPIF 1 0 ）V 存儲量（m3）g 年均太陽能系統(tǒng)效率定義為太陽能集熱器吸收的太陽能總能量除以太陽

5、總的輻射量一篇文獻論述過，雖然受制于現(xiàn)在的條件，天陽能現(xiàn)在還只能用于民用供熱和環(huán)流供熱，但已經(jīng)引起了相關(guān)研究人員在將太陽能直接熱轉(zhuǎn)換領域的高度關(guān)注。德隆提出了太陽能聯(lián)合系統(tǒng)日平均函數(shù)（這些系統(tǒng)通常通過地板輻射傳熱），并和TRNSYS仿真工具的計算結(jié)果進行了比較。該方法用于從經(jīng)濟方面分析集熱器面積和蓄熱之間的關(guān)系， 僅僅依靠蓄熱規(guī)模遠遠超出了它每日的產(chǎn)能，這是不經(jīng)濟的。約旦和威金進行了一項研究，他們研究了一個負載對于太陽能系統(tǒng)在能源儲蓄和系統(tǒng)操作中的影響，主要是對于制備熱水性能方面。它導致的負載不能被忽略，尤其是在性能不同的存儲設備中。負載的外形對于太陽能聯(lián)合系統(tǒng)有很大的影響，克努森，包和佩爾森

6、對此進行了研究，并提出了不同單位的數(shù)據(jù)是耦合的。另一項潛在的節(jié)能方法，是設計一個特定的太陽能罐，它通過不同級別記性排放，并且提高備用源的效率來進行工作。在這篇文章中，對太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的集成問題進行了分析，這種問題主要存在于國內(nèi)民用建筑中的熱水供應和供暖。在太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的研究之初，就要對設計和操作進行詳細的分析。通過不同的案例研究，提出了想對應的仿真系統(tǒng)，且對不同設計參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響進行了研究。一個簡單的分級系統(tǒng)程序被提出來了。然后，通過在一個案例的上的應用，并對結(jié)果進行了討論分析，最后研制出了一種詳細的仿真程序軟件。 系統(tǒng)程序的初始大小作為第一步，太陽能加熱系統(tǒng)的初始標準由某些敏感性性能

7、曲線的結(jié)果來確定。最初的選擇值要從集熱器面積和存儲量兩方面進行考慮，而且要輸入數(shù)據(jù)進行詳細模擬和敏感性分析。性能曲線能幫助系統(tǒng)進行初始分級，利用一個天然氣后備儲罐確定空間加熱和環(huán)流供熱，并提供87平米的住宅建筑的介質(zhì)慣性和都靈的氣候條件。在這個結(jié)果的基礎上確定一個靈敏度來完成能源仿真程序，假設時間步長為15分鐘。年度部分儲蓄變異可以合成表示，其根據(jù)是太陽能集熱器面積和在圖一上反映的不同曲線。 對最合適的數(shù)據(jù)進行靈敏型分析，可以寫成一個關(guān)于集熱器面積的二次函數(shù)，其系數(shù)是每項對數(shù)函數(shù)的存儲體積V。 數(shù)值 性能曲線圖1. 太陽能集熱器面積在部分能源儲蓄上的函數(shù)表示，為不同的存儲量對比模擬值和性能曲線

8、。 SKIPIF 1 0 m和n的值決定減少二次區(qū)分數(shù)據(jù)和方程輸出，一下是通過減少優(yōu)化梯度算法： SKIPIF 1 0 一個好的相關(guān)系數(shù)R2是等于0.990，是由模擬計算值估算出來的。在圖一中，把不同的模擬值繪制成曲線，增加集熱器面積和存儲體積有利于能源儲存。因此，第二個性能曲線由太陽能年平均效率決定，其函數(shù)變量為Ac和V。在同一時間內(nèi)，平均效率通過太陽收益和太陽能之比估算出來。它考慮到：太陽能集熱器的平均性能在這些條件下，流體溫度，太陽輻射和空氣溫度將大大影響集熱器的效率。 加熱所需要能量的可變性（空間加熱和家用熱水加熱） 動態(tài)存儲（水在水箱的充放電） 在這種情況下，關(guān)于集熱器面積的三次函數(shù)

9、，每個系數(shù)是存儲體積V的對數(shù)函數(shù)所對應的模擬數(shù)據(jù)。這個曲線可以表達為： SKIPIF 1 0 SKIPIF 1 0 和 SKIPIF 1 0 的值決定減少二次區(qū)分數(shù)據(jù)和方程輸出，一下是通過減少優(yōu)化梯度算法： SKIPIF 1 0 在這種情況下，一個好的相關(guān)系數(shù)R2等于0.960。在圖2中，根據(jù)不同的存儲量的值去繪制性能曲線：增加集熱器面積，將會降低效率（不過，在這種情況下，可以再增加能量儲蓄的同時適當增加集熱器面積）。很明顯，這個平衡是兩Fsav和曲線的值經(jīng)過標匯達到的：根據(jù)圖3，可以看到所有兩條曲線的交點有同樣的集熱器面積。定義Fsav（太陽增益和加熱所需能源之間的比例）和g太陽能增益和太陽

10、入射量之間的比例）。此時，太陽能集熱器面積所吸收的太陽能等于加熱能源需求D。這個值是集熱器的面積（圖3中A點），通過Fsav和g得到。如果集熱器面積設計遵循這個標準，那么節(jié)省能源的分數(shù)等于系統(tǒng)效率。如果選擇的集熱器面積值小于A點的值，那么這將降低太陽能的收益，無法達到效率最大化。點A并不代表一種最優(yōu)化的條件，因為實際所采用的往往比這個點所代表的集熱器面積大。因為年平均效率降低，所以要采用一種更有效率的方法。在陽光照射量有限的地區(qū)，采用太陽能。 數(shù)值 性能曲線轉(zhuǎn)換器比安裝太陽能集熱器更高效。圖2. 太陽能年平均效率對太陽能集熱器面積的函數(shù)：不同存儲量的對比模擬值和性能曲線。效率 部分儲蓄圖3.不

11、同存儲量所對應的能源節(jié)省和年平均效率之間的平衡曲線根據(jù)第二個限制找到B點，這些點代表著平均效率和效率的交點，比如：給定一個存儲量，它肯定不是代表著提高太陽能效率的點，實際上超過該地區(qū)對應的B點。這種情況下，用pv代替太陽能集熱器更方便。通過安裝太陽集熱器的面積可以找到A點和B點,考慮到太陽能轉(zhuǎn)換器的效率（通常比較?。?，采用的集熱器面積小于A點的值是不方便的，因為正如之前提到的，太陽能收益大大減小。 3 案例研究 該案例研究采用的是國際能源機構(gòu)工作任務，用以評估歐洲太陽能聯(lián)合系統(tǒng)的性能（結(jié)合國內(nèi)熱水生產(chǎn)體系和加熱系統(tǒng)，均使用太陽能收集器和鍋爐），并且在2001年已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。這項工作的任務之

12、一是用變化的數(shù)據(jù)模擬這些系統(tǒng)。為滿足這項要求，在一個基地的某個模型建筑物中對系統(tǒng)進行了測試。3.1 建筑物圖4. 建筑圖建筑是一棟獨立的房子，表面積140平米，基于兩個方面。這是為了保證年度空間消耗60kWh/m2。 這是模擬56式和TRNBUILD式接口。考慮到全球消費和尺寸標準，結(jié)果是一個單區(qū)模型將提供足夠的細節(jié)。這就是配置已經(jīng)選擇好的原因。窗戶是雙層玻璃，模型是從TRNBUILD圖書館選擇的。 活躍的太陽能 產(chǎn)生熱系統(tǒng)是由太陽能集熱器和木材供給燃燒的鍋爐組成。太陽能集熱器和鍋爐連接到兩個循環(huán)，它提供給流體熱量，流體在儲罐的兩個熱交換器中，家庭熱水加熱用的就是這種罐。另一個循環(huán)連接加熱地板

13、用來加熱房子。 加熱地板分為兩部分，每塊面積70平米，位于第一和第二的房子的地板。這兩個加熱地板為流體提供熱量并通過兩個并行循環(huán)。管道網(wǎng)格是地板中的活躍層。管間的中心距是10厘米，管道外徑是2厘米。加熱流體有30%的乙二醇，熱量為3.74kJ/kg。分流閥保持傳入的流體溫度約為30，加熱流體在儲罐中進行熱交換。流體的流量為500KJ/h，太陽能集熱器模型在表3中進行描述。表1 窗戶面積墻體方向 北 南 東 西窗戶外表面積（ SKIPIF 1 0 ） 3 12 4 4表2 墻體描述墻體類型 方向 面積（ SKIPIF 1 0 ） 導熱率( SKIPIF 1 0 )外墻 北 50 0.342外墻

14、南 50 0.342外墻 西 40.5 0.342外墻 東 40.5 0.342屋頂 北 61.4 0.227屋頂 西 25 0.227地面 水平 70 0.196內(nèi)墻 200 2.268 水箱鍋爐加熱層太陽能集熱器 圖5. 流體加熱循環(huán)方案3.3 能量系統(tǒng)的控制過程 地板供熱的控制過程很簡單。溫度從19.5到20.5的變化作為一個滯回加熱循環(huán)：當溫度低于19.5時，地板供熱開始工作；當溫度高于20.5時，地板供熱停止工作。溫度降低到19.5時，新的工作周期開始。太陽能集熱器泵的控制也很簡單：當流體離開集熱器的溫度高于水箱的平均溫度時，它是打開的。一個5的不工作區(qū)，是為了避免換流問題。3.4

15、邊界條件和其他假設 環(huán)境選擇仿真選擇在意大利都靈，因為那里的氣候暖和一些。天氣文件使用的是“-都靈-160590.tm2”，這個條件選自天氣文獻圖書館。假設地面恒定溫度12，以這個假設作為邊界條件。表3 太陽能集熱器特征面積 攔截效率 效率（ SKIPIF 1 0 ） 曲線效率（ SKIPIF 1 0 ） 第一命令 第二命令 1 0.691 3.4 0.002 0.7939 0.00553.5 空間加熱和加用熱水加熱的能量需求地板加熱已經(jīng)有了一個簡單的控制方法。用戶自己設定溫度的上下限值。如果建筑物的環(huán)境溫度低于下限值，那么供熱地板是工作的。如果環(huán)境溫度高于上限值，那么供熱地板是不工作的。在這

16、個案例中，下限值設為19.5，上限值設為20.5。第一年度的仿真實驗得到了一個估計值，空間加熱84 kW h/m2，熱水加熱24 kW h/m2。3.6 初始分級一旦知道了知道了空間加熱和熱水加熱的能量需求，一個12m2的太陽能集熱器將被作為第一個假設進行詳細的分析。一個存儲量為2m3的集熱器，可以完成每年效率的30%。4 最初分析過程的詳細仿真為了評估之前所描述的分級過程，一組在瞬態(tài)系統(tǒng)下模擬運行。太陽能系統(tǒng)已經(jīng)與一個相似的電氣系統(tǒng)進行了比較，第二個到超大號和小號的太陽能系統(tǒng)。4.1 范圍 該案例的研究方法已經(jīng)在第三節(jié)進行了描述。模擬幾個配置的有源系統(tǒng),第一個模擬是一個參考仿真。加熱系統(tǒng)是一

17、個電加熱地板,加熱功率是2KW。儲罐的容量是250L，僅用于儲存家用熱水。還有一個2KW的電動輔助加熱系統(tǒng)。 接下來的一組有三個模擬在進行。在這些情況下，加熱系統(tǒng)的熱量由地暖儲罐提供（如前所述）。該太陽能集熱器提供一個2m3的儲罐。三個型號的集熱器已經(jīng)進行了測試，系統(tǒng)性能計算程序如圖4。 模擬運行日期從1月1日到12月31日。6分鐘為一個步長。良好的操作類型保證了一個小時內(nèi)的步長，但是這個值對于操作系統(tǒng)和集熱器來說太長了。幸運的是該操作系統(tǒng)也可以自己設置，使用1/N為一個步長，N為整數(shù)。6分鐘一個步長已經(jīng)被選作仿真系統(tǒng)。一個密切檢測模型中，仿真顯示任何不正確的行為。這個允許誤差集成和融合是0.

18、001。流量kg/h圖6. 家用熱水4.2 研究結(jié)果 第一個模擬決定了建筑空間加熱的能源需求, 84.4 SKIPIF 1 0 如期所述的太陽能系統(tǒng)?？紤]到現(xiàn)在的太陽能加熱系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)的效率是29.6 SKIPIF 1 0 ，考慮進節(jié)能因素等于27.98%。超大型系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為28.2%和Fsav為32.4%。小系統(tǒng)的系統(tǒng)效率為33.0%，F(xiàn)sav為21.1%。（表5-7） 結(jié)論第二節(jié)已經(jīng)對簡化程序的證明進行了概述，在參照其他太陽能轉(zhuǎn)化技術(shù)評估太陽太陽能系統(tǒng)的可行性時，引起了很大的關(guān)注。太陽能集熱器面積的唯一數(shù)據(jù)，來自于能量需求和每年接收到的太陽能。如前所述，這個值不是一個最優(yōu)條件，但已經(jīng)被認為是一個能源高效的條件,可以用作一個起始數(shù)據(jù)進行更詳細的分析。表4 仿真參數(shù)仿真數(shù)值 1 2 3 型號 適宜型號 過大型號 過小型號集熱器面積（ SKIPIF 1 0 ） 12 14 8表5 仿真1的