太阳能光热系统设计软件研究现状与发展

皇明太阳能股份有限公司 ■ 刘昌盛 李丽霞 李娟 詹源

一 引言

太阳能建筑一体化是太阳能热利用方面的重要组成部分，太阳能工程化系统得到了越来越广泛地推广与应用。为了克服在太阳能系统建筑应用过程中的方案选择不统一、安装规范不标准、设备选型不准确等问题和弊端，需要一款专门为太阳能工程系统开发的设计软件，不但可以迅速快捷地给用户一整套系统设计的优化方案，而且还能够对投资回收比和经济、环境效益分析做出综合科学的评价，也为太阳能的大面积推广和实现可再生能源替代起到一定的推动作用。

二 太阳能设计软件研究现状

1 国外现状

太阳能系统设计软件在欧美一些发达国家发展的较早，致力于太阳能系统设计软件开发利用的科研机构包括：美国威斯康辛大学、SPF瑞士太阳能技术研究所(国际权威检测机构)以及加拿大自然资源署等等。自从上个世纪九十年代起，这些科研机构就将太阳能家用和工程系统的设计与计算机辅助功能结合起来，先后研制开发了数款适用于不同条件下的系统设计软件，促进了太阳能热利用和太阳能建筑一体化的进程。

2 国内现状

目前，在我国的太阳能系统设计领域，无论是家用小型的太阳能热水器还是大型的太阳能光热工程系统，对于整个系统的优化设计软件研究基本上还是空白的。国内还没有一款独立开发的适合我国条件的太阳能系统设计软件。

中国建筑科学研究院在2003年承担了联合国基金会(UNF)项目——“太阳热水器一体化住宅的试点项目改型设计、实用设计手册编写及相关培训”，初步形成了太阳能系统软件开发的设计思路，但是由于国内太阳能系统设计行业的发展限制和一些硬件基础、软件人才的欠缺，我国自主开发的太阳能设计软件迟迟没能问世，在一定程度上影响了我国太阳能产业规模化发展进程。

三 太阳能设计软件介绍

1 F-chart

F-chart是美国在2001年研究开发的一款用于太阳能供热系统设计及性能和经济分析的软件，是一种国际通用的稳态太阳能供暖和热水系统性能分析方法。在输入气象数据、建筑物供暖和热水数据、集热器性能参数、经济性参数后，系统设计软件可以计算出一年中每个月供热总负荷中太阳能系统所能提供的份额、集热器表面接受太阳辐射量、建筑物供暖负荷、热水负荷等。

图1 F-chart操作界面

此外F-chart所具有的经济性分析程序还可以计算出系统的初投资、投资回收年限、总节省能源、经济性分析年限内每年的系统投资、系统节省燃料费用等。工程设计人员可以利用本程序对系统的热性能及其经济性进行全面分析。

2 RET-Screen

RET-Screen是由加拿大自然资源部属下CANMET能源中心向全球提供的一款免费的可再生能源项目分析软件，用来评估各种能效、可再生能源技术的节能量、节能效益、寿命周期成本、减排量和财务风险。

图2 RET-Screen操作界面

RET-Screen分析软件除了本身囊括了世界范围内的气象数据库和典型品牌集热器性能数据库以外，还包括以下五个模块：项目初始化模块、能源计算模块、成本分析模块、经济效益分析模块、环境效益分析模块，从各个方面与角度实现对系统的效益分析。

图3 Poly-sun操作界面

3 Poly-sun

Poly-sun太阳能系统模拟软件是由瑞士太阳能研究所SPF下属Vela Solaris AG公司专为太阳能系统设计、安装开发的一款软件，包含太阳能光热系统、光伏系统、热泵和太阳能空调4个模块。

Poly-sun太阳能系统模拟软件分为普通版、专业版和设计版三个版本。普通版可以使用软件数据库中现有部件和系统进行模拟计算，输出的计算结果较简单。专业版可以使用数据库中现有部件，也可对部件参数进行修改，不能创建系统图，只能使用软件数据库中的系统图。设计版为最高版本，不仅可以修改、输入部件参数，也可以创建设计者自己设计的系统，输出结果也十分详细和多样化，功能最强大。

4 TRN-sys

TRN-sys是美国威斯康辛大学太阳能实验室1981年建立的大型太阳能系统瞬态模拟软件，后在法国建筑技术与科学研究中心、德国太阳能技术研究中心以及美国热能研究中心的共同努力下逐步完善。

TRN-sys系统的最大特色在于其模块化的分析方式。一个模块实现一种特定的功能，如热水器模块、单温度场分析模块、太阳辐射分析模块、输出模块等。软件除了对太阳能光热和光伏系统进行模拟计算外，还可对多种系统的运行状况进行动态仿真，主要包括建筑物逐时能耗分析、优化空调系统方案、地源热泵空调系统模拟计算、地板辐射采暖供冷系统模拟计算、蓄能系统模拟计算等等。

软件模块的源代码开放，用户根据各自的需要修改或编写新的模块并添加到程序库中，计算灵活。模块化开放式结构，用户可以根据需要任意建立连接，形成不同系统的计算程序 。

图4 TRN-sys操作界面

四 新型软件开发思路与展望

一个产业如果要得到迅猛的发展，高效化、规模化的产业结构和工程产品运转周期是非常重要的。硬件产业结构和软件产业功能要从行业政策、发展规模及客户需求等多方面进行综合匹配。

随着太阳能热利用技术的进步和发展，热利用方式类别多种多样，而且建筑形式千差万别，这就对既有太阳能设计软件在实用性、科学性以及与建筑完美结合等方面提出了严峻挑战。开发一款适用于不同终端用户需求的太阳能设计软件，实现从方案设计、工程计算、图纸绘制，到材料设备统计报货、经济环境效益分析的项目运作的一系列单元功能模块，是推动太阳能产业化应用进程的必然趋势。

1 提高设计效率

在太阳能热利用工程迅猛发展的今天，提高设计软件的速度和准确度无疑对企业设计方、工程施工方及招标建设单位都有很大益处。所谓计算机辅助工具就是要求工程计算比人工更智能、更准确，对于新开发的太阳能设计软件，快速简洁是前提和基础，同时对于软件的可操作性和人性化设计也要有提升和改进。

2 精确统计报货

人工统计表格进行材料设备统计，不可避免会出现遗漏、差错等情况，对后续工程进展中的采购、运输及安装等环节带来影响，耽误项目工期。设计软件需要具有精确的设备材料统计功能，可以对整个太阳能系统中设备部件，包括集热器、管材、阀件、泵房设备等进行精确的数量和型号汇总，输出材料统计明细表，高效准确地指导施工。

表1 新型太阳能设计软件特点

3 演示生动形象

目前太阳能系统工程项目的运作趋于正规化和程序标准化，项目都是以招投标的形式确定厂商。太阳能工程设计软件要有非常生动形象的界面和显示，如可以借鉴和尝试当下流行的三维设计软件。工程项目建筑主体和太阳能系统，包括集热部分、设备间、连接管路等，都以生动形象的三维动画演示和动态观察，可以吸引项目招标方和受众人群，更好地展示和提升企业自身技术实力。

随着国家产业政策扶持和人们对于可再生能源应用的认可和推崇，太阳能热利用领域得到了空前的发展，预计2020年我国太阳能光热产业年产量可达2.7亿m2，太阳能热利用行业总保有量超过8亿m2，年节约标煤1.22亿t，减排二氧化碳2.62亿t。中国太阳能热利用产业将迎来高速发展的新纪元。

开发集设计、计算、制图、分析、演示、统计等功能于一身的新型太阳能光热系统设计软件，通过其自身强大的智能、快速、准确、形象等特点，推动太阳能光热利用产业工程化、规模化进程，将成为未来太阳能热利用发展的重要支撑手段之一。