【導讀】跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季的仿真模型。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。對系統(tǒng)進行模擬，把儲熱過程劃分不同階段，選擇各階段的典型天。單一變量的原則，不斷改變各運行參數(shù)。非供熱季的最佳控制策略為：初期集熱啟停運行參數(shù)為為6℃、3℃，參數(shù)為40℃、4℃。

　　

【正文】 氣象類型 風速 能見度 天定高度 干球溫度 數(shù)據(jù)來源 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 實測數(shù)據(jù) 氣象類型 露點溫度 相對濕度 大氣壓力 風向 數(shù)據(jù)來源 實測數(shù)據(jù) 實測數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 氣象類型 天頂亮度 云層覆蓋量 天空透明度 降雨量 數(shù)據(jù)來源 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 氣象類型 氣溶膠光學厚度 降雪厚度 數(shù)據(jù)來源 原始數(shù)據(jù) 原始數(shù)據(jù) 對于環(huán)境溫度、露點溫度以及相對濕度，節(jié)能樓測得的都是每分鐘的數(shù)據(jù)，而對于 TM2 文件中的數(shù)據(jù)都是為每小時的數(shù)值，所以 計算這三項時，即求出每小時的平均值。但同時要注意到，這些數(shù)據(jù)在輸入文件中時都是整數(shù)，而且環(huán)境溫度和露點溫度都要乘以 10 以后才能在氣象數(shù)據(jù)文件中輸入。 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。 b) 全局水平每小時的輻射量即為水平面每小時的散輻射量和直輻射量之和。 c) 而法向直射輻射量不可直接利用節(jié)能樓的實測數(shù)據(jù)，需要用公式換算得到。根據(jù)計算公式： / sinhDN DHII? （式子中的 DNI 代表水平面所接受的太陽直射輻射強度，單位是 W/m2； h 為太陽高度角） 太陽高度角 h 的計算可根據(jù)公式： s i n h s i n s i n c o s c o s c o s? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ ? 為當?shù)鼐暥龋?? 為赤緯角， ? 為太陽時角） 赤緯角的計算公式為： 2842 3 .4 5 s in ( 3 6 0 )365 n? ??? （式子中的 n 代表從 1 月 1 日算起的天數(shù)） 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 26 綜上：當?shù)鼐暥冉菫?176。，赤緯角則根據(jù)計算公式來計算，它的角度與選的典型天有關(guān)。 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。 把修改好的氣象數(shù)據(jù)對照 TM2文件中的修改項一一輸入進去，得到新的 TM2 天氣文件后，輸入到仿真模型中。同時，輸入其它的初始參數(shù)， 包括集熱、儲熱啟停參數(shù)、泵流量等， 并運行模擬系統(tǒng)，將得到的 各類 曲線分析，通過將模擬得到的集熱量和儲熱量與實際值進行對比，進而驗證模型的正確性。 （ 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。 分析可得，典型天實測氣象條件下的集熱量與實驗條件下的集熱量變化趨勢基本一致。每小時兩者的集熱量誤差大都在 20%，只有在 14： 00 的時候集熱量相差較大，誤差大約在 65%左右，但是總體來說模擬的是比較接近實際的，畢竟有許多因素并不能在模擬中體現(xiàn)出來。而這一典型天中，實際的集熱量為 1422kWh，實測氣象條件下的集熱量為 1361 kWh，得出兩者之間的相對誤差為 %，這說明集熱過程的模擬是比 較成功的，而各個設(shè)置的參數(shù)也是比較合適的。 分析誤差原因，實際的 系統(tǒng)在運行過程中的太陽能集熱器有反射。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。 但是僅僅觀察集熱量也不能說明模型驗證 完全 正確的，還需要在對儲熱過程進行驗證，以此進而驗證模型的正確性。 （ 2）實際和模擬的儲 熱量 分析對比 圖 12 典型天實測氣象數(shù)據(jù)下的儲熱量與實際儲熱量的對比圖 圖 12 是典型天實測氣象數(shù)據(jù)下，當天系統(tǒng)每小時的實驗儲熱量和模擬儲熱量的比較。 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。 由于最終觀察地溫的變化， 那么對比每個小時的儲熱量意義并不大。所以 需計算典型天的總儲熱量做對比即可。通過計算可得，典型天實測氣象條件下 輸出 模擬的 輸出 儲熱量為 1252kWh，典型天實際條件下的儲熱量為 804kWh，但是在模擬過程中，模擬輸出的儲熱量與真實模擬的儲熱量不是一致的。模擬軟件在計算儲熱量時熱量公式中的溫差是水箱儲熱出口溫度與儲熱回水溫度之差，而實際模擬計算時的溫度差是水箱第二層溫度與儲熱回水之差。而且前者大于后者，所以會在一定的誤差。 而用熱量公式直接由 tcmQ ?? 計算得到的 儲熱量為 869 kWh， 與實際值比較接近，得到的 相對誤差是 %，因此用這種方法計算是正確的，也是與實際相符的。 分析誤差的原因，其一，模擬軟 件本身就可能存在誤差，軟件的使用具有局限性。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。 DST 地埋管儲熱模型假定的傳熱方式是導熱，而實際情況中的傳熱方式比較復雜，兩者并不是那么的相符。 5 太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的運行策略 典型天的瞬時模擬 用驗證成功的太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng) TRNSYS16 模型進行 模擬時，分階段輸入典型天，在此處輸入三 天典型天，分別為 4 月 7 月 26 日、 10 月 2 日 。并將集熱泵、儲熱泵的額定功率以及額定功率和土壤溫度作為初始值輸入進去 ，得到集熱量、儲熱量、水箱溫度以及土壤溫度隨時間變化的瞬時曲線。各類曲線圖如下所示。 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(diào)節(jié)系統(tǒng)運行參數(shù)時，結(jié)果應(yīng)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。但實際模擬時，在典型天一天的時間內(nèi)地溫的變化太小，比較地溫的大小來選最佳運行參數(shù)是不可取的。因此可以按照實驗方案比較分析集熱量、儲熱量以及效率，盡可能的讓更多的熱量儲存在地下，以此來找到最佳的運行策略。 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。分別選 4 月 1 日、 7 月 26 日以及 10 月 2 作為各個 階段有代表性的天氣進行模擬。在每個階段進行模擬， 變量的設(shè)置為：集熱啟動溫差的變化值為 15℃、 12℃、 10℃、 8℃、 6℃，集熱停止溫差的變化值為 1℃、 2℃、 3℃、 4℃、 5℃，儲熱啟動溫度的變化值為 35℃、 38℃、 40℃、 43℃、45℃、 48℃、 50℃和 52℃、 55℃，儲熱停止溫差的變化值為 1℃、 2℃、 3℃、 4℃、 5℃。將變量值下的集熱量、儲熱量模擬出來， 并對各個階段典型天的集熱量、儲熱量、集熱效率、儲熱效率以及總儲熱效率進行分析。以此找到太陽能跨季節(jié)儲熱階段的最佳運行策略。 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。 表中控制參數(shù)列設(shè)置“ 10/3/40/3”代表的含義分別是集熱啟動溫差、集熱停止溫差、儲熱啟動溫度、儲熱停止溫差。 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（ kWh） 集熱量（ kWh） 儲熱量（ kWh） 集熱效率 儲熱效率 儲熱總效率 3/40/3 15 12 10 8 6 表 7 是在單一變量集熱啟動溫差 變化下，集熱量、儲熱量、集熱效率、儲熱效率以及總效率的模擬值的分析比較。 由表 7 可得，隨著集熱啟動溫差的減小集熱量是增加的。從最后結(jié)果上看，溫差為 6℃時儲熱 量是最大的，因此可以得出在這 一天的最佳啟動控制溫差為 6℃。 表 8 典型天 （ 4 月 1 日） 不同集熱停止溫差下的模擬值 控制參數(shù) 集熱停止 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 10/40/3 2 3 5 表 8 是在單 一變量集熱停止 溫差變化下， 集熱量、儲熱量、集熱效率、儲熱效率以及總效率的模擬分析。 由表 8 可得，在集熱停止溫差減小的時候，集熱量是減小 的，只是集熱停止溫差的改變也會影響儲熱量的變化，它的變化 更加明顯。當溫差為 3℃時，總效率達到 ，此時向地下儲的熱量最多 。 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。對于集熱過程，水箱溫度越高，對集熱過程越不利。太陽能集熱器向蓄熱水箱集的熱量越少。但是對于儲熱過程，水箱溫度設(shè)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。但是水箱溫度設(shè)定合適時，水箱溫度越高，儲熱溫差越大，對于儲熱過程反而有利。因此綜合集熱過程和儲熱過程，在總效率最大時，水箱的溫度設(shè)置最合適。從表中可以看出，水箱溫度為 48℃，系統(tǒng)向地下儲熱的效果最佳 。 表 10 典型天 （ 4 月 1 日 ） 不同儲熱停止溫差的模擬值 控制參數(shù) 儲熱停止 溫差（ ℃ ） 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 10/3/40 1 2 3 4 5 6 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。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。 中 期典型天的運行策略 下表是在集熱啟動溫差 10℃、集熱停止溫差 3℃、儲熱啟動溫度 50℃以及儲熱停止溫差 5℃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。 。 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。但是集熱量大并不能判定整個太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的向地下儲的熱量較多，從表中還可看出不同集熱參數(shù)下的儲熱效率也是不同的，在集熱啟動溫差為 6℃ 時，儲熱效率較高。綜合來看，在溫差 6℃ 時，向地下儲存的熱量最多，因此，土壤上升的溫度也更高。 河北工業(yè)大學 20xx 屆 本科 畢業(yè)論文 34 表 12 典型天 （ 7 月 26 日 ） 不同集熱停止溫差下的模擬值 控制參數(shù) 集熱停止溫差（ ℃ ） 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 10/50/5 1 3 5 由表分析可得，在不同的集熱停止溫差下，集熱停止溫差越小，集熱量越多 。 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(yīng)綜合權(quán)衡儲熱量和泵耗量之間的關(guān)系，以此來找到最佳的集熱停止溫差。 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。 表 13 典型天 （ 7 月 26 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 儲熱總效率 10/3/5 55 52