【正文】 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 33 7 由表分析可得，儲熱停止溫度為 4℃時，總效率相對于其它的儲熱停止溫差的總效率最高。 但是在實際系統(tǒng)運行過程中，溫差較小時，泵耗量會增加， 應綜合權衡儲熱量和泵耗量之間的關系，以此來找到最佳的集熱停止溫差。 表 11 典型天 （ 7 月 26 日 ） 不同集熱啟動溫差下的模擬值 控制參數(shù) 集熱啟動 溫 差（ ℃ ） 輻射量（ kWh） 集熱量（ kWh） 儲熱量（ kWh） 集熱效率 儲熱效率 儲熱總效率 3/50/5 15 12 10 8 6 由表分析可得，在集熱啟動溫差為 6℃ 時，集熱效果比較好，集熱量比較大，得到的集熱效率最高。但是對于儲熱過程，水箱溫度設定過高的話，不利于儲熱過程，有時甚至不能啟動 儲熱過程，這與實驗的分析是一致的。 由表 7 可得，隨著集熱啟動溫差的減小集熱量是增加的。 不同階段 典型天的運行策略 把太陽能跨季節(jié)儲熱期分為初期、中期、末期。其二，在太陽能跨季節(jié) 儲熱系統(tǒng)實際運行時，河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 28 模擬時使用的 DST 模型存在局限性。 由圖可得，在典型天這一天，模擬儲熱的啟動時間和儲熱的 停止時間與實際運行過程的啟停時間并 不一致，所以兩者比較相差較大。 （ 1） 實際和模擬的集熱量 分析對比 圖 11 典型天實測氣象 數(shù)據(jù)下的集熱量與實際集熱量的對比圖 圖 11 是典型天實測氣象數(shù)據(jù)下的模擬輸出集熱量與實際當天的集熱量每小時值得對比分析。 a) 對于水平面散射輻射量，是求每小時的輻射量累積量（輻射量的單位是 MJ/m2），在 TM2 天氣數(shù)據(jù)文件中輻射量的單位是 Wh/m2，因此需要進行單位的換算。具體可把采集到的氣象數(shù)據(jù)整理，分析，并觀察室外溫度和輻射量的折線走勢，若曲線與拋物線較為接近，則可認為是典型天。結束只設定為 7296 時。 （ 6） Type31 導管 此部件用于系統(tǒng)模擬過程中的水管，初 始參數(shù)的設定包括管的長度、管的內直徑以及損失系數(shù)。 （ 4） Type557 垂直地源熱交換器 該部件用于模擬地埋管熱交換器與土壤換熱的情形，管中的流體經過對流換熱與管壁進行對流換熱，而管壁與儲熱體進行導熱傳熱。而在設置此模塊參數(shù)時，需要修正輸入集熱器的面積，效率曲線的截距、一階效率系數(shù)、二階效率系數(shù)以及集熱器的傾斜角、集熱器的方位角和實際測試流量，并以此作為 TRNSYS16 模擬系 統(tǒng) 的 初 始 值 ?？刂破骰蛘叻匠炭刂菩盘栕罱K都是通過控制集熱循環(huán)泵和儲熱循環(huán)泵的啟停來控制整循環(huán)系統(tǒng)的啟停。然后按照系統(tǒng)的循環(huán)順序依次把它們的流量和溫度連接起來。在試驗過程中，天氣參數(shù)也一直在改變，不能保證系統(tǒng)單一參數(shù)變量的條件。由表中可以看出當水箱溫度為 40℃時，儲熱總效率達到 。比 4 月 8 日設置 35℃時的儲熱效率 低，但是在 4 月 16 日設置水箱溫度為 40℃的儲熱效率 又比 4月 8 日的儲熱效率高，因此，用實驗數(shù)據(jù)分析存在很多局限性，實驗不能保證在相同的氣象參數(shù)下。 效率的計算公式如下所示：集熱效率 = ；儲熱效率 = 按照此方案數(shù)據(jù)處理后，整理的數(shù)據(jù)分析如下表所示： 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 15 表 1 不同天集熱量、儲熱量以及儲熱效率的數(shù)據(jù)分析表 日期 集熱量 (kWh) 儲熱量（ kWh） 儲熱效率 20xx/3/23 1308 905 20xx/3/24 1117 593 20xx/3/25 747 20xx/3/26 1154 973 20xx/3/27 1033 623 20xx/3/28 932 513 20xx/3/29 932 583 20xx/3/30 880 501 20xx/3/31 20xx/4/1 20xx/4/2 20xx/4/3 1461 883 表 1 是針對不同天中，某些天儲熱效率明顯較高的分析。因此，雖然水箱溫 度高有利于儲熱過程進行，但設置太高的話，集熱效果較差，達不到儲熱溫度，就有可能不能啟動儲熱。對于水箱溫度變化較為簡單，集熱開始，水箱溫度上升；儲熱開始，水箱溫度下降。而在 40℃儲熱啟動溫度下，儲熱時間較長，導致泵耗量增加，儲熱溫度設置過高和過低都是不可取的。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 11 圖 4 20xx 年非供熱季小井群井 m1 溫度變換曲線 試驗方案 在非供熱季不同階段調節(jié)運行參數(shù)，分別計算出不同階段的結果，具體的實施步驟如下。 集熱過程是達到集熱啟動條件后，向蓄熱水箱蓄熱，經過換熱過程后經蓄熱水箱集熱出口流回到太陽能集熱器。蓄熱水箱由兩個水箱并聯(lián)組成，每個水箱的尺寸為 2m 2m，其材質為不銹鋼內膽，外包 有，它的壁厚為 2mm，底厚為 3mm。實驗中心可用科研實驗研究和教師辦公，特別是可作為建筑節(jié)能、可再生能源等研究的實驗平臺。使儲熱啟動溫度的 參數(shù)調節(jié) 分別是 35℃、 38℃ 、40℃、 43℃ 、 45℃、 48℃ 、 50℃ 、 52℃ 、 和 55℃；使儲熱停止溫差變化數(shù)值分別為1℃、 2℃、 3℃、 4℃、 5℃、 6℃和 7℃，最后把集熱量和儲熱量模擬出來。把初步建立好的模型進行驗證，輸入典型天數(shù)據(jù)，可以通過觀察集熱過程和儲熱過程的溫度變化曲線等來驗證模型是否合理。 （ 3）利用已經建立好的太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季節(jié) TRNSYS16 仿真模型，輸入實際的氣象參數(shù)、初始地溫以及集熱循環(huán)啟動溫差、集熱循環(huán)停止溫差、儲熱循環(huán)啟動溫度和儲熱循環(huán)停止溫差初始運行參數(shù)等邊界條件。采用以黏土與粉土為主要介質的地下蓄熱體蓄熱，使用熱泵機組提取跨季節(jié)儲熱時，取熱率可達 23%[19] 。 20xx 年，楊華等 [17]對 太陽能跨季節(jié)儲熱耦合熱 泵系統(tǒng) 的性能進行了分析 ， 并使用 VB 軟件建立了仿真模型。結果表明：不同的運行模式有著 不相同 的熱利用效果，蓄熱場 在 溫度恢復 的 方面也存在較為明顯 的 差異。聯(lián)合供暖模式二比其它模式效果更佳。王如竹、曠玉輝等[9]，在最冷月的氣候條件下， 針 對太陽能熱泵供暖 的情況作了 實驗研究，并且 把太陽能熱泵的供蓄熱作為基本的運行方式。 由這由這些發(fā)展歷程可以看出，國外的研究較早，研究國外發(fā)展現(xiàn)狀有助于我們河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 3 對先進技術的把握。 Trillatberdal[6] 等對建立在 180m2 住宅中的太陽能地源熱泵系統(tǒng)進行了 TRNSYS研究模擬，同時對它進行了實驗性能分析。 課題的研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 彭德羅在 20 世紀 50 年代提出組合 埋地盤管和太陽能集熱器 的思想。太陽能利用過程中易受氣候條件的影響，特別是晴天和陰天的太陽輻射量差別很大，對集熱裝置和蓄熱裝置的合理性設計提出了難題。大力發(fā)展可再生能源是目前解決能源問題的有效方案。用單一變量的原則，不斷改變各運行參數(shù)。并得出實驗條件下的優(yōu)選運行參數(shù)，為仿真模擬提供了指導作用。而且資源利用率較低，人均占有量少，使得傳統(tǒng)能源的儲量越來越少。而將可再生能源應用到建筑上面，是新時期緩解能源危機的一個重要措施，將會推動全社會健康、持續(xù)的發(fā)展。因此， 把除冬季外的太陽能通過蓄熱裝置儲存到土壤中，可以 減小 太陽能利用所受到的限制，降低系統(tǒng) 的投資。加入儲熱設備使得能量的供給更加穩(wěn)定。 等 [7]對具有季節(jié)性地下蓄能裝置的太陽能熱泵系統(tǒng)進行了分析研究。他們對太陽能 土壤熱源熱泵系統(tǒng)交替供暖的性能進行了實驗研究，研究表明：太陽能熱泵的平均供熱率為 2334W ，平均供熱系數(shù)為 ； 土壤熱泵的相應參數(shù)為 2298W 和 2. 83；太陽能 土壤熱泵的相應參數(shù)為 2316W 和 [8]。模式一是在地埋管與集熱器串聯(lián)的情形下，流體先通過埋管之后再經過太陽能集熱器；模式二的流經順序與模式一相反；模式三則是在兩者并聯(lián)的情況下。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 4 而近十年內，對太陽能跨季節(jié)儲熱的研究也逐漸增多。結果證明了跨季節(jié)儲熱 的情況是可行的，通過蓄熱可以提高地埋管周圍的土壤溫度，從而 提高 了 系統(tǒng)的供暖系數(shù)。研究得出，儲熱過程的啟動溫度、停止溫度或者溫差都會對系統(tǒng)和熱泵的 性能系數(shù)產生影響。 （ 2）了解太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季節(jié)系統(tǒng)的集熱過程、儲熱過程、控制策略以及運行特點，從而利用 TRNSYS16 仿真模擬軟件建立太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季節(jié)系統(tǒng)的模型。 研究方法 因為本課題的主要內容是 對太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)控制策略的研究 ，而這個過程以實驗為輔，數(shù)值模擬為主。由于運行參數(shù)的變量有四個，要想分析影響因素，需要進行單一變量模擬。 ，東經 176。方向為南偏東 21176。其中儲熱井群的土壤溫度是 m mm3以及 m4 四口井的平均溫度。在非供熱階段，經過供熱季的取熱，小井群的地溫達到最低，而后經過太陽能跨季節(jié)儲熱階段，小井群地溫逐漸升高。從實驗中找出有代表性的幾天進行分析。在經過一段時間后，集熱出口和水箱的換熱基本達到動態(tài)平衡狀態(tài)，集熱出口溫度不再下降。但是隨著儲熱過程的進行，儲熱出水溫度和回水溫度變化較為緩慢，是因為換熱過程溫度差減小的原因。因此，要仔細權衡泵耗量和儲熱量之間的關系，才能得出最佳的儲熱溫度。 表 2 在相同的集熱啟停參數(shù)為 6℃、 3℃以及儲熱停止參數(shù) 3℃下，不同水箱溫度的集熱量、儲熱量以及儲熱效率的分析如下所示。而在 4 月 19 日時，這一天的集熱效率明顯的較低為 ，是受天氣的影響比較大，因為這一天的太陽直射輻射較差。所以，在不同的氣象條件下比較集熱效率是不準確的，那河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 19 么只有通過模擬保證邊界條件相同的情況下，才能得到比較準確的運行策略 。 太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)模型的建立 太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱系統(tǒng)包括兩個循環(huán)過程，即集熱循環(huán)過程和儲熱循環(huán)過程。儲熱進出口溫度差即為地埋管換熱器進 出口溫度之差。設置的輸入?yún)?shù)有表面傾角和表面方位角，分別為 25176。在模擬過程中，蓄熱水箱需要修正輸入的參數(shù)包括節(jié)點數(shù)和水箱劃分的組數(shù)。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 22 （ 5） Type114 單速水泵 此部件模擬的是單速水泵，在此模塊中沒有考慮水流壓力和它的啟停特征。 （ 8） Type14 heating season 強制函數(shù) 該部件可用于非供熱季和供熱季時間的控制，初始設定參數(shù)包括供熱季開始和結束的時間。由于每一天的天氣數(shù)據(jù)是不同的 ，不可能把每一天的天氣數(shù)據(jù)輸入到模型中進行驗證，因此，選擇需要選擇典型天。 （ 2）典型天氣象數(shù)據(jù)的修改 首先打開天津 TM2 格式的氣象數(shù)據(jù)文件，里面有許多種類的氣象數(shù)據(jù)，如下表所示。 典型天氣象數(shù)據(jù)輸入及模型驗證分析 選擇 20xx 年 4 月 29 日作為典型天進行模擬驗證。導致實際的集熱效率較高，因此實驗河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 27 值大于模擬值。而且前者大于后者，所以會在一定的誤差。 圖 13 集熱量、儲熱量的 TRNSYS16 瞬時模擬圖 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 29 圖 14 集熱儲熱控制信號的 TRNSYS16 瞬時模擬圖 圖 15 集熱儲熱供回水溫度的 TRNSYS16 瞬時模擬圖 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 30 圖 16 水箱溫度的 TRNSYS16 瞬時模擬圖 調節(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)時，結果應為通過分析不同參數(shù)下 的地溫進而來比較控制參數(shù)的優(yōu)略。 初期典型天的運行策略 下 列各 表是在集熱啟動溫差 10℃、集熱停止溫差 40℃、儲熱啟動溫度 3℃以及儲熱停止溫差 3℃的條件下，根據(jù)單一變量原則，改變不同的運行 參數(shù)，通過對比不同運行參數(shù) 下的儲熱總效率來判定運行參數(shù)的優(yōu)劣。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 32 表 9 典型天 （ 4 月 1 日 ） 不同儲熱啟動溫度的模擬值 控制參數(shù) 儲熱啟動 溫度（ ℃ ） 輻射量（ kWh） 集熱量（ kWh） 儲熱量（ kWh） 集熱效率 儲熱效率 效率 總效率 10/3/3 55 52 50 48 45 43 40 38 35 由表 9 分析可得，儲熱啟動溫度對集熱過程和儲熱過程的影響都較大。綜合上述 分析可得，控制策略分別在 6℃、 3℃、 48℃和 4℃時，達到較好的儲熱效果。 而且從表中可以看出溫差為 1℃和3℃，兩者儲熱總效率相差不大，可以選擇 3℃為最佳控制策略。 。太陽能集熱器向蓄熱水箱集的熱量越少。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 31 表 7 典型天 （ 4 月 1 日 ） 不同集熱啟動溫差下的模擬值 控制參數(shù) 集熱啟動溫差（ ℃ ） 輻射量