太阳能热泵仿真.docx

1、太阳能热泵仿真理工学院毕业设计(论文)外文资料翻译专 业： 热能与动力工程 姓 名： 郝亚飞 学 号： 09L 外文出处： Solar Energy 83 (2009) 657663 (用外文写) 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 签名： 年 月 日附件1：外文资料翻译译文集成太阳能加热系统：从最初的分级系统到动态仿真摘要: 现在已经有很多方法能够解决个人住宅太阳能的安装标准。本文所描述的方法是一种重要的，简化了的程序。这种方法只需要少量的数据就可以在短时间内计算出结果。经过复杂的分级分析方法和详细的仿真，已经评估了这个程序的性能。这个简化的程序可以应用于个人住宅

2、的太阳能系统，用以提供家用热水和供暖。通过模拟软件TRNSYS 16模拟的建筑和太阳能系统，其运行状况经过了一整年的模拟，最后模拟的结果和简化程序所期待的结果非常相近。关键词：太阳能加热系统;初始分级;瞬态系统。 1 简介太阳能的开发利用可以通过不同的方法和技术（比如例如太阳能集热器和光伏电池板直接利用太阳能、生物能燃烧和风能至于间接利用太阳能）；还有通过不同的原则（热转换用于太阳能集热器，光电转换用于光伏太阳能电池板，光合作用用于生物能，机械能转换成风能）。在通常情况下，主要的设计和操作问题在于能量需求、能量供应和后备能源来源之间的不协调。利用太阳能最重要的是设计和操作系统，其中有很多配置可

3、以采用。研究能量需求、能量供应、转换器、存储和备份特点之间的关系的问题这可以称为一个集成问题。 在这个集成问题已经可以解决。通过确定影响太阳能系统性能参数之间的关系，然后找到主要设计参数，通过优化系统建立一个目标函数，或者模拟在不同情况下，按不同的作用将参数进行分类组合，再进行分析。 由于太阳能的特点是在一定时间内具有很大的可变性，所以需要执行详细的瞬态分析。例如，对于太阳能集热器，达菲和贝克曼（1980）进行了相关工作，他们使用了一个专门的工具（TRNSYS,2000-2005）,后来演变成一个建筑模型软件。这些分析需要输入大量的参数，而参数的值有时很难确定。在设计的最初阶段，设计师可能随便

4、设定一些参数。最后，他们会把参数设置为软件手册所默认的设定值。众所周知，设计的最初阶段将影响建筑和服务的能源和环保效率。这一事实凸显出简化模型相互关系，优化太阳能系统的重要性。符号表Ac 太阳能集热器面积（m2）D 太阳热能需求量（）DDHW 家用热水需能量（）Dh 环流供热需能量（）Fsav 部分能量储蓄定义为被水箱吸收的能量除以总能量Gs 太阳能受益（）I 照射在集热器上的太阳能（）V 存储量（m3）g 年均太阳能系统效率定义为太阳能集热器吸收的太阳能总能量除以太阳总的辐射量一篇文献论述过，虽然受制于现在的条件，天阳能现在还只能用于民用供热和环流供热，但已经引起了相关研究人员在将太阳能直接

5、热转换领域的高度关注。德隆提出了太阳能联合系统日平均函数（这些系统通常通过地板辐射传热），并和TRNSYS仿真工具的计算结果进行了比较。该方法用于从经济方面分析集热器面积和蓄热之间的关系， 仅仅依靠蓄热规模远远超出了它每日的产能，这是不经济的。约旦和威金进行了一项研究，他们研究了一个负载对于太阳能系统在能源储蓄和系统操作中的影响，主要是对于制备热水性能方面。它导致的负载不能被忽略，尤其是在性能不同的存储设备中。负载的外形对于太阳能联合系统有很大的影响，克努森，包和佩尔森对此进行了研究，并提出了不同单位的数据是耦合的。另一项潜在的节能方法，是设计一个特定的太阳能罐，它通过不同级别记性排放，并且提

6、高备用源的效率来进行工作。在这篇文章中，对太阳能联合系统的集成问题进行了分析，这种问题主要存在于国内民用建筑中的热水供应和供暖。在太阳能联合系统的研究之初，就要对设计和操作进行详细的分析。通过不同的案例研究，提出了想对应的仿真系统，且对不同设计参数对系统性能的影响进行了研究。一个简单的分级系统程序被提出来了。然后，通过在一个案例的上的应用，并对结果进行了讨论分析，最后研制出了一种详细的仿真程序软件。2 系统程序的初始大小作为第一步，太阳能加热系统的初始标准由某些敏感性性能曲线的结果来确定。最初的选择值要从集热器面积和存储量两方面进行考虑，而且要输入数据进行详细模拟和敏感性分析。性能曲线能帮助系

7、统进行初始分级，利用一个天然气后备储罐确定空间加热和环流供热，并提供87平米的住宅建筑的介质惯性和都灵的气候条件。在这个结果的基础上确定一个灵敏度来完成能源仿真程序，假设时间步长为15分钟。年度部分储蓄变异可以合成表示，其根据是太阳能集热器面积和在图一上反映的不同曲线。 对最合适的数据进行灵敏型分析，可以写成一个关于集热器面积的二次函数，其系数是每项对数函数的存储体积V。 数值 性能曲线图1. 太阳能集热器面积在部分能源储蓄上的函数表示，为不同的存储量对比模拟值和性能曲线。m和n的值决定减少二次区分数据和方程输出，一下是通过减少优化梯度算法：一个好的相关系数R2是等于0.990，是由模拟计算值

8、估算出来的。在图一中，把不同的模拟值绘制成曲线，增加集热器面积和存储体积有利于能源储存。因此，第二个性能曲线由太阳能年平均效率决定，其函数变量为Ac和V。在同一时间内，平均效率通过太阳收益和太阳能之比估算出来。它考虑到：太阳能集热器的平均性能在这些条件下，流体温度，太阳辐射和空气温度将大大影响集热器的效率。 加热所需要能量的可变性（空间加热和家用热水加热） 动态存储（水在水箱的充放电） 在这种情况下，关于集热器面积的三次函数，每个系数是存储体积V的对数函数所对应的模拟数据。这个曲线可以表达为：和的值决定减少二次区分数据和方程输出，一下是通过减少优化梯度算法：在这种情况下，一个好的相关系数R2等

9、于0.960。在图2中，根据不同的存储量的值去绘制性能曲线：增加集热器面积，将会降低效率（不过，在这种情况下，可以再增加能量储蓄的同时适当增加集热器面积）。很明显，这个平衡是两Fsav和曲线的值经过标汇达到的：根据图3，可以看到所有两条曲线的交点有同样的集热器面积。定义Fsav（太阳增益和加热所需能源之间的比例）和g太阳能增益和太阳入射量之间的比例）。此时，太阳能集热器面积所吸收的太阳能等于加热能源需求D。这个值是集热器的面积（图3中A点），通过Fsav和g得到。如果集热器面积设计遵循这个标准，那么节省能源的分数等于系统效率。如果选择的集热器面积值小于A点的值，那么这将降低太阳能的收益，无法达

10、到效率最大化。点A并不代表一种最优化的条件，因为实际所采用的往往比这个点所代表的集热器面积大。因为年平均效率降低，所以要采用一种更有效率的方法。在阳光照射量有限的地区，采用太阳能。 数值 性能曲线转换器比安装太阳能集热器更高效。图2. 太阳能年平均效率对太阳能集热器面积的函数：不同存储量的对比模拟值和性能曲线。效率 部分储蓄图3.不同存储量所对应的能源节省和年平均效率之间的平衡曲线根据第二个限制找到B点，这些点代表着平均效率和效率的交点，比如：给定一个存储量，它肯定不是代表着提高太阳能效率的点，实际上超过该地区对应的B点。这种情况下，用pv代替太阳能集热器更方便。通过安装太阳集热器的面积可以找

11、到A点和B点,考虑到太阳能转换器的效率（通常比较小），采用的集热器面积小于A点的值是不方便的，因为正如之前提到的，太阳能收益大大减小。 3 案例研究 该案例研究采用的是国际能源机构工作任务，用以评估欧洲太阳能联合系统的性能（结合国内热水生产体系和加热系统，均使用太阳能收集器和锅炉），并且在2001年已经实现了商业化。这项工作的任务之一是用变化的数据模拟这些系统。为满足这项要求，在一个基地的某个模型建筑物中对系统进行了测试。3.1 建筑物图4. 建筑图建筑是一栋独立的房子，表面积140平米，基于两个方面。这是为了保证年度空间消耗60kWh/m2。 这是模拟56式和TRNBUILD式接口。考虑到全

12、球消费和尺寸标准，结果是一个单区模型将提供足够的细节。这就是配置已经选择好的原因。窗户是双层玻璃，模型是从TRNBUILD图书馆选择的。3.2 活跃的太阳能 产生热系统是由太阳能集热器和木材供给燃烧的锅炉组成。太阳能集热器和锅炉连接到两个循环，它提供给流体热量，流体在储罐的两个热交换器中，家庭热水加热用的就是这种罐。另一个循环连接加热地板用来加热房子。 加热地板分为两部分，每块面积70平米，位于第一和第二的房子的地板。这两个加热地板为流体提供热量并通过两个并行循环。管道网格是地板中的活跃层。管间的中心距是10厘米，管道外径是2厘米。加热流体有30%的乙二醇，热量为3.74kJ/kg。分流阀保持

13、传入的流体温度约为30，加热流体在储罐中进行热交换。流体的流量为500KJ/h，太阳能集热器模型在表3中进行描述。表1 窗户面积墙体方向 北 南 东 西窗户外表面积（） 3 12 4 4表2 墙体描述墙体类型 方向 面积（） 导热率()外墙 北 50 0.342外墙 南 50 0.342外墙 西 40.5 0.342外墙 东 40.5 0.342屋顶 北 61.4 0.227屋顶 西 25 0.227地面 水平 70 0.196内墙 200 2.268 水箱锅炉加热层太阳能集热器 图5. 流体加热循环方案3.3 能量系统的控制过程 地板供热的控制过程很简单。温度从19.5到20.5的变化作为一

14、个滞回加热循环：当温度低于19.5时，地板供热开始工作；当温度高于20.5时，地板供热停止工作。温度降低到19.5时，新的工作周期开始。太阳能集热器泵的控制也很简单：当流体离开集热器的温度高于水箱的平均温度时，它是打开的。一个5的不工作区，是为了避免换流问题。3.4 边界条件和其他假设 环境选择仿真选择在意大利都灵，因为那里的气候暖和一些。天气文件使用的是“-都灵-.tm2”，这个条件选自天气文献图书馆。假设地面恒定温度12，以这个假设作为边界条件。表3 太阳能集热器特征面积 拦截效率 效率（） 曲线效率（） 第一命令 第二命令 1 0.691 3.4 0.002 0.7939 0.00553

15、.5 空间加热和加用热水加热的能量需求地板加热已经有了一个简单的控制方法。用户自己设定温度的上下限值。如果建筑物的环境温度低于下限值，那么供热地板是工作的。如果环境温度高于上限值，那么供热地板是不工作的。在这个案例中，下限值设为19.5，上限值设为20.5。第一年度的仿真实验得到了一个估计值，空间加热84 kW h/m2，热水加热24 kW h/m2。3.6 初始分级一旦知道了知道了空间加热和热水加热的能量需求，一个12m2的太阳能集热器将被作为第一个假设进行详细的分析。一个存储量为2m3的集热器，可以完成每年效率的30%。4 最初分析过程的详细仿真为了评估之前所描述的分级过程，一组在瞬态系统

16、下模拟运行。太阳能系统已经与一个相似的电气系统进行了比较，第二个到超大号和小号的太阳能系统。4.1 范围 该案例的研究方法已经在第三节进行了描述。模拟几个配置的有源系统,第一个模拟是一个参考仿真。加热系统是一个电加热地板,加热功率是2KW。储罐的容量是250L，仅用于储存家用热水。还有一个2KW的电动辅助加热系统。 接下来的一组有三个模拟在进行。在这些情况下，加热系统的热量由地暖储罐提供（如前所述）。该太阳能集热器提供一个2m3的储罐。三个型号的集热器已经进行了测试，系统性能计算程序如图4。 模拟运行日期从1月1日到12月31日。6分钟为一个步长。良好的操作类型保证了一个小时内的步长，但是这个

17、值对于操作系统和集热器来说太长了。幸运的是该操作系统也可以自己设置，使用1/N为一个步长，N为整数。6分钟一个步长已经被选作仿真系统。一个密切检测模型中，仿真显示任何不正确的行为。这个允许误差集成和融合是0.001。流量kg/h图6. 家用热水4.2 研究结果 第一个模拟决定了建筑空间加热的能源需求, 84.4如期所述的太阳能系统。考虑到现在的太阳能加热系统，太阳能系统的效率是29.6，考虑进节能因素等于27.98%。超大型系统的系统效率为28.2%和Fsav为32.4%。小系统的系统效率为33.0%，Fsav为21.1%。（表5-7）5 结论第二节已经对简化程序的证明进行了概述，在参照其他太

18、阳能转化技术评估太阳太阳能系统的可行性时，引起了很大的关注。太阳能集热器面积的唯一数据，来自于能量需求和每年接收到的太阳能。如前所述，这个值不是一个最优条件，但已经被认为是一个能源高效的条件,可以用作一个起始数据进行更详细的分析。表4 仿真参数仿真数值 1 2 3 型号 适宜型号 过大型号 过小型号集热器面积（） 12 14 8表5 仿真1的能量评估太阳能集热器水箱的能量输入（kWh） 辅助加热器消耗量（kWh）太阳能系统平均效率4409 11355 29.61%部分能源节约 家用热水消耗（kWh） 空间加热消耗（kWh）27.97% 3176 12618表6 仿真2的能量评估太阳能集热器水箱

19、的能量输入（kWh） 辅助加热器消耗量（kWh）太阳能系统平均效率5489 10635 28.26部分能源节约 家用热水消耗（kWh） 空间加热消耗（kWh）32.48% 3176 12616表7 仿真3的能量评估太阳能集热器水箱的能量输入（kwh） 辅助加热器消耗量（kwh）太阳能系统平均效率 3321 12441 33.01%部分能源节约 家用热水消耗（kWh） 空间加热消耗（kWh）21.07% 3176 12617第二个步骤的分析需要大量的数据，所需的数据并不都是已知的。只有经过简化程序处理，这些详细的过程数据才可以有效的应用。 此外，本文的结果比较用到了两个最常用的仿真构建软件，EnergyPlus和TRNSYS。首先，一个太阳能联合系统模型在EnergyPlus中仿真，通过大量仿真去执行这个系统的敏感性分析。敏感性分析结果可以绘制成一些性能曲线。通过简化程序的敏感性分析，TRNSYS软件模拟出最初参考方案的类型。这两个软件工具显示出许多类似的必需输入和模型精度，而且结果之间有很高的一致性。参考文献（见原文）附件2：外文原文 附件2：外文原文