1、6 太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的仿真,一 緒論,1 課題研究的目的及意義： （1） 在能源與環(huán)境問題日益凸現(xiàn)的今天，尋求新的清潔能源已經(jīng)成為解決該問題的一個(gè)重要途徑；太陽能作為一種清潔無污染的能源在暖通空調(diào)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。 （2） 隨著集熱技術(shù)的發(fā)展，太陽能集熱器產(chǎn)品的集熱效率不斷提高，使得以太陽能作為制冷空調(diào)的驅(qū)動(dòng)能源從可能變成可行，許多成功的大中型太陽能空調(diào)項(xiàng)目近年來逐漸涌現(xiàn)，尤其是太陽能吸收式空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展頗有優(yōu)勢(shì)；然而，這類制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)溫度要求一般都較高（75以上），這使得不得不以犧牲大的集熱面積為代價(jià)換取制冷系統(tǒng)要求的驅(qū)動(dòng)溫度。,（3） 近年來，隨著低溫地板采暖技術(shù)的發(fā)展，使得太

2、陽能的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展，這類系統(tǒng)熱源需求溫度較低（通常為40-60），能夠較好與太陽能結(jié)合，構(gòu)成太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)，滿足用戶供暖需求。,2 研究現(xiàn)狀 （1）目前，太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的研究主要從建立地板輻射采暖的二維偏微分方程入手，在一定假設(shè)條件下，建立數(shù)值解的邊界條件，利用有限差分法進(jìn)行離散化，然后編寫程序進(jìn)行仿真求解。 （2）隨著系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展，各種系統(tǒng)仿真的工具和軟件 不斷更新，為系統(tǒng)仿真提供了便利，尤其MATLAB/Simulink 軟件，提供對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真等許多功能。,3 課題研究方法及內(nèi)容 本文利用系統(tǒng)仿真工具matlab/simulink對(duì)太陽能低

3、溫地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）建立太陽能輻射強(qiáng)度逐時(shí)值的simulink仿真模型，模擬太陽輻射量的逐時(shí)變化規(guī)律，并用matlab語言編寫了太陽輻射量的逐時(shí)計(jì)算程序； （2）建立太陽能集熱器在非穩(wěn)態(tài)條件下的微分方程，并以此建立了太陽能集熱器的simulink動(dòng)態(tài)仿真模型，分析集熱器在進(jìn)口工質(zhì)溫度一定時(shí)，出口工質(zhì)溫度的逐時(shí)變化規(guī)律；,（3）建立蓄熱水箱在非穩(wěn)態(tài)條件下的微分方程，并以此建立了蓄熱水箱的simulink動(dòng)態(tài)仿真模型，分析水箱溫度的逐時(shí)變化規(guī)律； （4）根據(jù)地板輻射的平面肋片模型和改進(jìn)平面肋片模型，編寫了穩(wěn)態(tài)條件下地板表面溫度和熱流通量的計(jì)算程序，對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)

4、仿真，研究影響地板表面溫度和熱流通量的因素； （5）在假設(shè)供暖熱負(fù)荷按余弦規(guī)律變化的條件下，建立了太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的simulink動(dòng)態(tài)仿真模型，研究了系統(tǒng)在第一天運(yùn)行時(shí)，進(jìn)出水溫度、熱負(fù)荷及集熱器有效能量輸出的變化規(guī)律。 以上介紹了本課題的基本研究?jī)?nèi)容，下面將針對(duì)研究?jī)?nèi)容中的重要部分作一些具體介紹：,二 研究?jī)?nèi)容,1 太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)圖 典型的太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)如圖21所示，主要組成為： 太陽能集熱系統(tǒng)： 太陽能集熱器、蓄熱水箱等 低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)： 采暖盤管等 輔助熱源系統(tǒng)： 電、燃?xì)狻⒌叵滤?控制系統(tǒng)： 傳感器、執(zhí)行器等,圖21 太陽能低溫?zé)崴匕遢?/p>

5、射系統(tǒng)示意圖,2 太陽輻射強(qiáng)度及冬季室外溫度的仿真模型 （1）太陽輻射強(qiáng)度的仿真模型,圖31 太陽能輻射強(qiáng)度逐時(shí)仿真模型,仿真結(jié)果：,圖32 太陽輻射強(qiáng)度逐時(shí)計(jì)算的子系統(tǒng)模型,表33 太陽輻射強(qiáng)度逐時(shí)值仿真計(jì)算表,圖33 太陽輻射強(qiáng)度逐時(shí)變化曲線,根據(jù)以上圖表分析可知： 在0-5時(shí)和19-24時(shí)，系統(tǒng)輸出的太陽輻射強(qiáng)度為零，這表明saturation模塊將負(fù)值舍去； 在6-18時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度為正值，并且先增大后減小，在12時(shí)取得最大值，其變化曲線具有對(duì)稱性。 為了驗(yàn)證太陽輻射強(qiáng)度逐時(shí)值的仿真模型，根據(jù)3.13.3小節(jié)的理論計(jì)算公式進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果見表34所示,比較分析表33和表34的太陽輻

6、射強(qiáng)度逐時(shí)值，可知最大誤差不超過3，因此可以認(rèn)為該仿真模型能夠反應(yīng)太陽輻射強(qiáng)度的逐時(shí)變化情況。,（2） 冬季室外溫度的仿真模型 下面給出冬季一天中，任意時(shí)刻的外氣溫計(jì)算式 式中， 冬季供暖室外計(jì)算日平均溫度， ； 設(shè)計(jì)日室外氣溫的波動(dòng)波幅值， ； 1天的時(shí)間，h； 太陽時(shí)，h。,圖44 冬季室外逐時(shí)溫度計(jì)算模型,3 系統(tǒng)仿真 （1）基本的仿真思路：分別建立系統(tǒng)各部分的仿真模型，并對(duì)各組成部分的特性進(jìn)行仿真研究，然后通過一定的假設(shè)與簡(jiǎn)化，將各子系統(tǒng)聯(lián)合為一個(gè)整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真；同時(shí)，在各組成部分的仿真時(shí)，先對(duì)系統(tǒng)的規(guī)律進(jìn)行分析，建立其數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立起仿真模型，然后進(jìn)行仿真輸出，分析結(jié)果

7、。 （2）太陽能集熱器的仿真,圖43 太陽能集熱器仿真模型,計(jì)算條件：某一地區(qū)1月23日，集熱器進(jìn)口溫度為15，該地區(qū)冬季標(biāo)準(zhǔn)天平均溫度為-0.09，日室外氣溫波動(dòng)幅度即為-8.5。 集熱器的計(jì)算參數(shù)： 集熱器單位面積有效熱容（kJ/m2）:60.8571 集熱器熱轉(zhuǎn)移因子：0.8752； 集熱器吸收透過率：0.84 集熱器單位面積介質(zhì)的質(zhì)量流（kg/m2s）:0.015 集熱器介質(zhì)水的定壓比容（kJ/kg）：4.1968 仿真結(jié)果：,圖46 集熱器出口溫度的逐時(shí)變化曲線,圖47 單位面積集熱器的逐時(shí)有效能量曲線,表41 集熱器出口溫度的逐時(shí)值及與進(jìn)口溫度差值表,表42 單位面積集熱器的逐時(shí)有

8、效能量表,根據(jù)以上結(jié)果可知： 從圖46中可以看出在集熱器進(jìn)口溫度為15時(shí)，集熱器出口溫度先升高后下降最后穩(wěn)定在進(jìn)口溫度處；同時(shí)，在集熱器進(jìn)出口溫度的差值表中，可以看到溫差的變動(dòng)范圍在010左右，而這部分溫差正是可供蓄熱水箱利用的能量。 另外，集熱器出口溫度最大值出現(xiàn)在12時(shí)，同樣，集熱器的有效輸出（如圖47所示）最大值也出現(xiàn)此時(shí)刻，而這一時(shí)刻恰是一天中太陽輻射強(qiáng)度的最大值時(shí)刻；再?gòu)母鲌D的變化趨勢(shì)來看，都近乎為一開口向下拋物線型；由此表明太陽輻射強(qiáng)度對(duì)集熱器的出口溫度和集熱器的有效能量輸出均有著最直接的影響。,（3）蓄熱水箱的仿真,圖49 水箱逐時(shí)溫度仿真模型,計(jì)算條件：某一地區(qū)1月23日，該地

9、區(qū)冬季標(biāo)準(zhǔn)天平均溫度為-0.09，日室外氣溫波動(dòng)幅度即為-8.5。 水箱參數(shù)： 水箱容量（L/m2集熱器面積）：100 水箱熱損失系數(shù)（W/m2）:0.7 水箱的面積（m2）:取單位面積1 水的定壓比熱容（kJ/kg ）：4.1968 仿真結(jié)果：,圖410 水箱溫度的逐時(shí)變化曲線,圖411 集熱器有效能量的逐時(shí)變化曲線,下面對(duì)以上圖表做一些分析： 圖410從水箱溫度的變化曲線中，可以看到隨著集熱 器有效能量的增加，水箱溫度一直在增加，而且增幅逐漸加大至14時(shí)開始減小，最大逐時(shí)增幅達(dá)到5左右。在考慮的時(shí)間范圍內(nèi)，水箱無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水箱溫度從0上升至31.3。 圖411所示集熱器有效能量的逐時(shí)變化

10、曲線基本上與圖47基本相同，只是在考慮了集熱效率的基礎(chǔ)上，各時(shí)刻的值有所下降。,（4）低溫?zé)崴匕遢椛涞姆抡?1地面層； 2找平層； 3加熱盤管； 4豆石混凝土填充層； 5聚苯乙烯保溫層； 6預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),圖412 平面肋片模型,仿真條件：在管內(nèi)流速為0.1m/s的條件下仿真的，由此可見，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下，在管內(nèi)流速、管徑、以及地板結(jié)構(gòu)層的材料及厚度也確定時(shí)，地板表面的溫度Tmax及單位面積的熱流量qfin2受到供回水平均溫度、加熱盤管的管間距等因素的影響，將表中的數(shù)據(jù)在matlab中處理后圖形化。 仿真結(jié)果：,圖414 地板表面熱流通量隨管間距和供回水溫度的變化圖,圖415 地板表面溫度隨管

11、間距和供回水溫度的變化圖,根據(jù)以上結(jié)果可知： 在供回水平均溫度一定時(shí)，地板表面的熱流通量隨管間距的增大而減??；而地板表面溫度則是先減小在M=300mm以后緩慢增大。 在管間距一定時(shí)，地板表面的熱流通量和地板表面溫度均隨著供回水溫度的升高而增大。 比較供回水平均溫度溫度和管間距對(duì)熱流通量和地板表面溫度的影響效果，可以看到，供回水平均溫度的影響更大。事實(shí)上，供回水平均溫度過低（60）時(shí)，都會(huì)使人感到不舒適。,實(shí)際上，除了以上分析的兩個(gè)主要的影響因素外，地板自身的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)Tmax和qfin2有影響。下面表中的數(shù)據(jù)條件是：供回水平均溫度為40，管距為300mm，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 1）填充層厚度的影

12、響 從表46中可以看出卵石混凝土厚度在40-70mm增大時(shí)，Tmax和qfin2的影響很小，因此在設(shè)計(jì)過程中不可盲目增加填充層的厚度，這樣做可能既浪費(fèi)材料增加結(jié)構(gòu)承重，又不能得到很好的效果。,2）地面層材料的影響。表47列出了三種不同材料對(duì)Tmax和qfin2的影響情況?？梢钥闯鲭S著材料導(dǎo)熱系數(shù)的增大，在同等條件下，Tmax和qfin2也增大。,（5）太陽能低溫?zé)崴匕遢椛湎到y(tǒng)的仿真 仿真條件： 供暖熱負(fù)荷僅隨室外溫度變化逐時(shí)變化； 蓄熱水箱在有負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行； 集熱器控制函數(shù)：F=1，控制器接通，水泵工作； F=0，控制器斷開，水泵停止工作。 仿真模型：,圖416 太陽能集熱器子系統(tǒng)模型,圖

13、417 蓄熱水箱子系統(tǒng)模型,仿真結(jié)果：,圖418 太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)模型,圖419 集熱器進(jìn)出口溫度變化曲線,圖420 集熱器有效輸出Qu和建筑熱負(fù)荷Ql變化曲線,圖421 輔助集熱器的輸出狀態(tài)和集熱器控制函數(shù)F變化曲線,根據(jù)以上圖表，下面做一些分析： 如圖419所示，集熱器進(jìn)出口水溫的變化趨勢(shì)基本一致，均是逐漸增大至最大值后減小。從圖中可以看出集熱器進(jìn)出水溫差（Tfo-Tfi）的變化也是先增大到最大值（10左右），后逐漸減小為零，且取得最大值的時(shí)刻為12時(shí)，這一結(jié)論與上節(jié)中集熱器進(jìn)水溫度Tfi一定（15）時(shí)的變化情況相吻合。 如圖420所示，集熱器的有效輸出Qu的變化趨勢(shì)與前文的

14、相同，當(dāng)Qu逐漸增大時(shí)，建筑熱負(fù)荷Ql逐漸減小，16時(shí)左右Qu值已經(jīng)和Ql值相近了，此時(shí)Ql逐漸增大，需要供給的熱量也增加。,如圖421所示，集熱器控制函數(shù)F的輸出始終為1， 這是由于在考慮時(shí)間內(nèi)，集熱器的出口溫度一直高于 進(jìn)口溫度，而且兩者均處于最工供水溫度的設(shè)定值 60以下，因此，繼電器控制模塊Relay2一直處于o 的狀態(tài)，在Qu始終為正值時(shí)，F(xiàn)的值一直保持為1。 輔助加熱器的輸出在15時(shí)以前始終為100W/m2,而在 16時(shí)和17時(shí)為0，從集熱器進(jìn)出水溫度變化曲線中可以 看到，因?yàn)樵?5時(shí)以前，水箱溫度始終在30以下，而 在16時(shí)和17時(shí)均大于或等于30。因此，加熱器輸出 也是符合系統(tǒng)

15、運(yùn)行情況的。,由于模擬的時(shí)間只是系統(tǒng)第一天運(yùn)行時(shí)間的7點(diǎn)值17點(diǎn)，從集熱器上水到水箱溫度達(dá)到低溫?zé)崴匕宀膳到y(tǒng)的要求需要一定的時(shí)間，因此進(jìn)出水溫度最后達(dá)到的數(shù)值都在40以下，可以推測(cè)，隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的推移，比如運(yùn)行6天，集熱器進(jìn)出水溫度在每天的變化趨勢(shì)也應(yīng)該類似，只是最后穩(wěn)定的溫度數(shù)值比第一天高，關(guān)于這一推測(cè)，可以從余馳等太陽能低溫水源熱泵輔助供暖系統(tǒng)模擬研究一文中得到驗(yàn)證。,三 全文總結(jié),環(huán)境溫度Ta逐時(shí)變化時(shí)，在太陽能集熱器的進(jìn)口工質(zhì)溫度一定，集熱器出口溫度在標(biāo)準(zhǔn)天內(nèi)受太陽輻射強(qiáng)度的影響最大，其變化趨勢(shì)是先升高至最大值（正午太陽輻射最大時(shí)，12時(shí)）后逐漸下降，并穩(wěn)定在出口溫度值；而且進(jìn)

16、出口溫度的溫差在010之間變化。 集熱器的有效輸出受太陽輻射和集熱器效率的影響，而且太陽輻射對(duì)其有著最直接的影響，它的變化規(guī)律與太陽輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。,蓄熱水箱在無負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，從水箱溫度的非穩(wěn)態(tài)特性曲線上可以看到隨著集熱器有效能量的增加，水箱溫度一直在增加，而且增幅逐漸加大，至14時(shí)開始減小，最大逐時(shí)增幅達(dá)到5左右。在考慮的時(shí)間范圍內(nèi)，水箱無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水箱溫度從0上升至31.3。 在對(duì)低溫地板輻射的平面肋片模型的穩(wěn)態(tài)仿真中，筆者研究了供回水平均溫度和盤管管間距對(duì)地板表面溫度與熱流通量的影響。在供回水平均溫度一定時(shí)，地板表面的熱流通量隨管間距的增大而減??；而地板表面溫度則是先減

17、小在M=300mm以后緩慢增大；而在管間距一定時(shí)，地板表面的熱流通量和地板表面溫度均隨著供回水溫度的升高而增大。從仿真結(jié)果曲線的比較中，可以發(fā)現(xiàn)供回水平均溫度的影響更大。,太陽能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)仿真中，室內(nèi)負(fù)荷假定為正弦變化規(guī)律，在這一假設(shè)前提下，集熱器進(jìn)出口水溫的變化趨勢(shì)基本一致，均是逐漸增大至最大值后減小。同時(shí)，集熱器進(jìn)出水溫差（Tfo-Tfi）的變化也是先增大到最大值（10左右），后逐漸減小為零，且取得最大值的時(shí)刻為12時(shí)。 通過整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行仿真，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)從開機(jī)運(yùn)行到穩(wěn)定運(yùn)行需要一段時(shí)間，在研究的時(shí)間范圍內(nèi)，系統(tǒng)依然為非穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，供暖熱負(fù)荷主要依靠輔助熱源供給，太陽能利用效率較低；但通過分析，不難推測(cè)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到第二天以后，水箱溫度將比第一天增加約10，太陽能的利用率逐漸升高，直到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，太陽能已經(jīng)完全可以滿足系統(tǒng)供暖要求,四 進(jìn)一步工作的展望,目前對(duì)于低溫地板輻射模型的研究大多是從有限差分的角度，先建立其穩(wěn)態(tài)的二維模型，然后根據(jù)邊界條件及劃分的網(wǎng)