家用太阳能热水系统的仿真研究

郭安柱

（青岛大学机电工程学院，山东 青岛266071）

1 概述

太阳能热水系统作为一种成熟稳定的太阳能热利用方式，在人们的生产生活中得到了广泛应用，系统主要包括太阳能集热器，储热水箱和管道设备等几部分[1]。近十几年来关于太阳能热水系统的研究很多，王燕俊以太阳能热泵复合热水系统为主要研究对象，建立主要部件的数学模型并搭建了计算机仿真平台，在实验研究的基础上探究了主要部件的结构参数以及环境因素对系统性能的影响[2]；刘剑研究了包含双储热水箱的太阳能集热系统，并运用TRNSYS 软件建立了系统的动态热力学模型，系统分析了在不同的太阳辐射强度下，单位面积的集热器对应的储热水箱容积对系统性能的影响[3]；陈红兵等人基于模拟的结果，研究了集中式太阳能热水系统全年的运行性能以及用户用水量、控制策略对该热水系统运行性能的影响，提出新的系统评价指标以及控制策略[4]。

本文针对普通的家用太阳能热水系统，利用集总参数法建立起主要部件太阳能集热器和储热水箱的数学模型，并运用TRNSYS 搭建起系统的仿真模型，重点探究了集热器面积，水箱容积和集热器安装倾角对水箱出水温度的影响。

2 主要设备数学模型的建立

在整个家用太阳能热水系统中，最重要的两个热力学设备为太阳能集热器和储热水箱，前者通过集热管将太阳能转化为流体的内能，后者负责将热水储存起来，减少整个系统的波动，增强稳定性。

2.1 储热水箱

在水箱的建模过程中，采用了混合型水箱，这也是家用太阳能热水系统常用的类型，流体在水箱内剧烈混合，整个水箱看做一个控制体，采用集中参数法建立数学模型，太阳能集热器向水箱输入的能量减去水箱中的水向负载供给的能量和热损后，即为水箱中水的内能增量。储热水箱中具有辅助电加热设备，当晚上或者太阳辐射强度不足时启动。

储热水箱能量守恒方程为：

Mw为水箱水的质量，Kg；

T0为水箱中水的平均温度，K；

Q1为负载中热水的放热量，J；

t 代表时间，s；

U 表示水箱与环境之间的热损系数，W/（m2·K）；

AT为水箱的外表面积，m2；

Ti分别为水箱中热水的进口温度，K；

Tp为环境温度，K。

2.2 太阳能集热器

同水箱建模过程类似，太阳能集热器同样采用了集总参数法进行建模，对集热器模型进行了一定程度的简化。文中所模拟的集热器类型为平板型集热器。

单位时间集热器吸收的能量S：

S=AIt（τα）e

式中，A 为太阳能集热器的采光面积，m2；

τ 为外玻璃管透射比；

α 为选择性吸收涂层的吸收比；

It为总辐照度，W/（m2）

单位时间集热器的热损Q1：

Ql=AUL（Ti-Tp）

式中，UL为集热器总热损系数，W/（m2·K）

则单位时间集热器得到的有效能量Qu：

Qu=S-Ql-Qgl

集热器能量守恒方程为[5]：

集热器效率η 可表示为：

上式中，Ql为热水管道的热损，W；

Mj为集热器中热水的质量，Kg；

Cpw为水的比热，J/（Kg·K）；

ΔTj为集热器热水温升，K；

qmr为往返于集热器和水箱之间的热水质量流量，Kg/s

3 模拟结果分析

在参考TRNSYS 软件自带的相关模型的基础上，建立了图1 所示的家用太阳能热水系统的仿真模型。

在模型中，平板型太阳能集热器采用了Type1b 模块，初始集热器面积为3m2，集热器安装倾角45°，储热水箱采用了Type4c 分层水箱模块，分层程度由层数决定，考虑到家用水箱一般为混合型水箱，因此将层数设置为1 来模拟混合型水箱，水箱容积为0.15m3。系统中其他的主要模块包括气象参数模块（Type15-2），水泵（Type3b），负载（Type14h），输出（Type65c）和分水器（Type11b）。

模拟中气象模块引用的是我国北方某城市6，7 月份的天气数据，在TRNSYS 中输入的模拟时间为3624～5088h，负载模块中主要考虑下午6 点以后的生活用水。在本文中定性研究了集热器面积，集热器安装倾角和水箱容积对水箱出水温度的影响。

图1 家用太阳能热水系统仿真模型

3.1 集热器面积对水箱出水温度的影响

为了定性研究集热器面积对水箱出水温度的影响，分别进行了集热器面积为3m2，4m2和5m2时的系统仿真，仿真结果如图2～4 所示，仿真过程中保持水箱容积1.5m3和集热器倾角45°不变。

从仿真结果可以看出，水箱出水温度随着天气条件以及负载的变化而有所起伏，水箱最低出水温度保持在55°以上，这是因为水箱自带辅助加热装置，当出水温度低于55°时自动启动。

同时随着集热器面积的增大，水箱出水温度逐渐增高，集热器面积增大后，相同天气条件下集热器吸收的能量增多，进入集热器流体中的有效能量也因此增多。

图2 集热器面积为3m2 时水箱出水温度随时间的变化

图3 集热器面积为4m2 时水箱出水温度随时间的变化

图4 集热器面积为5m2 时水箱出水温度随时间的变化

3.2 水箱容积对水箱出水温度的影响

为了定性研究水箱容积对水箱出水温度的影响，分别进行了水箱容积为0.15m3，0.3m3和0.45m3时的系统仿真，仿真结果如图5～7 所示，仿真过程中保持集热器面积3m2和集热器倾角45°不变。

从仿真结果可以看出，在整个过程中，水箱出水温度不断出现高低起伏的状况，这是天气条件和负载不断变化的缘故。水箱中辅助加热装置的存在保证了水箱的最低出水温度始终维持在55°以上。

图5 水箱容积为0.15m3 时水箱出水温度随时间的变化

图6 水箱容积为0.3m3 时水箱出水温度随时间的变化

图7 水箱容积为0.45m3 时水箱出水温度随时间的变化

随着水箱容积的增大，水箱平均出水温度不断降低，当水箱容积为0.45m3时出水温度仅仅能维持60°左右。水箱容积增大的同时，单位时间进入集热器流量增大，相同天气和负载条件下进入流体的有效能量减少。

3.3 集热器安装倾角对水箱出水温度的影响

为了定性研究集热器安装倾角对水箱出水温度的影响，分别进行了集热器倾角为40°，45°和50°时的系统仿真，仿真结果如图8～10 所示，仿真过程中保持集热器面积3m2和水箱容积0.15m3不变。

从仿真结果可以看出，在一定范围内，当集热器倾角变化时水箱出水温度的变化幅度不大。集热器倾角变化幅度不大时，由集热器吸收的能量并没有显著增加或减少，因此水箱出水温度的变化幅度不大。

图8 集热器倾角为40°时水箱出水温度随时间的变化

图9 集热器倾角为45°时水箱出水温度随时间的变化

图10 集热器倾角为50°时水箱出水温度随时间的变化

4 结论

本研究通过TRNSYS 软件建立了家用太阳能热水系统的仿真模型，分别探究了集热器面积，水箱容积和集热器安装倾角对水箱出水温度的影响。研究表明，在一定范围内，水箱出水温度随着集热器面积的增加和水箱容积的减小而逐渐增加，但集热器倾角的变化对水箱出水温度的影响较小。实际上，集热器面积，水箱容积和集热器倾角对出水温度的影响较为复杂，且集热器面积和水箱容积之间存在一定程度上的匹配关系，因此本文所做的仿真主要是对定性探究了三者对水箱出水温度的影响。