1、河 北 工 业 大 学毕业论文作 者： 张环 学 号： 110638 学 院： 能源与环境工程学院 系( 专业 )： 热能与动力工程 题 目： 太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的 试验与模拟指导者： 王恩宇 教授 评阅者： 2015 年 6 月 11 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要太阳能跨季节储热系统非供热季运行参数的试验与模拟摘要：本文以河北工业大学某建成的太阳能辅助地源热泵为研究对象，在对太阳能跨季节储热系统实验研究的基础上，基于 TRNSYS16 模拟软件建立了太阳能跨季节储热系统非供热季的仿真模型。本文对系统采集的 3、4 月份实验数据进行了研究分析，并重点对集热
2、、储热过程的温度曲线，系统每天的集热量、储热量、集热效率、储热效率以及总效率进行对比分析。并得出实验条件下的优选运行参数，为仿真模拟提供了指导作用。通过调整系统参数，输入实测典型天的气象数据，将实验结果与模拟结果对比，得出集热量的相对误差为 4.29%，储热量的相对误差为 8.08%，验证了模型的正确性。对系统进行模拟，把储热过程划分不同阶段，选择各阶段的典型天。用单一变量的原则，不断改变各运行参数。观察模拟结果，进而得出非供热季的最佳运行策略。非供热季的最佳控制策略为：初期集热启停运行参数为为 6、3，储热启停运行参数为 48、4，中期集热启停运行参数为为 6、3，储热启停运行参数为 40、
3、4，末期集热启停运行参数为为 12、3，储热启停运行参数为 40、4。关键词：太阳能 ；TRNSYS； 运行参数； 跨季节储热 ；模型验证毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Experimental and simulative research on the operating parameters of solar seasonal heat storage system in on-heating season Abstract：This paper, taking a built in Hebei university of technology of solar
4、 energy auxiliary ground source heat pump as the research object. On the basis of experimental study of Solar energy across the seasonal heat storage system. Based on TRNSYS 16 simulation software to build the solar cross seasonal heat storage system simulation model of the non-heating season.In thi
5、s paper, the system of acquisition in March and April of the experimental data are analyzed. And the temperature curve of heat collection and heat storage, system daily quantity of heat collection and heat storage, collection and store heat efficiency and total efficiency were analyzed. It is conclu
6、ded that under the experimental conditions of optimizing operation parameters, provides guidance for the simulation. By adjusting the system parameters, the input measured meteorological data of typical day, and comparing the result of the experiment and simulation results, draw that the heat collec
7、tion relative error is 4.29%, the relative error of the heat storage for 8.08%.So the simulation model is suitable .For simulating system, divides the heat accumulation process at different stages. And select different stages of the typical day.With the principle of single variable, change the opera
8、tion parameters constantly. By observing the simulation results, concludes that the optimal operation strategy of the Non-heating season. In the early stages of the non- heating season, it is concluded that the optimal operation parameters for heat collection start temperature difference 6, stop tem
9、perature difference 3, heat storage start temperature 48 and heat storage stop temperature difference 4 . In the middle stages of the non- heating season, it is concluded that the optimal operation parameters for heat collection start temperature difference 6, stop temperature difference 3, heat sto
10、rage start temperature 40 and heat storage stop temperature difference 4 . In the end stages of the Non- heating season, it is concluded that the optimal operation parameters for heat collection start temperature difference 12, stop temperature difference 3, heat storage start temperature 40 and hea
11、t storage stop temperature difference 4 .Keywords： solar energy ； TRNSYS ； operation parameters ； seasonal heat storage ； model validation目录1 绪论 .11.1 课题研究背景及意义 .11.1.1 发展背景 .11.1.2 课题研究的目的及意义 .11.2 课题的研究现状 .21.2.1 国外研究现状 .21.2.2 国内研究现状 .31.3 本课题研究内容和方法 .51.3.1 研究内容 .51.3.2 研究方法 .52 太阳能跨季节储热系统非供热季简介
12、 .62.1 节能楼建筑概况 .72.2 太阳能跨季节储热系统的组成 .72.2.1 太阳能集热器 .72.2.2 蓄热水箱 .82.2.3 储热地埋管小井群 .82.3 太阳能跨季节储热非供热季系统的控制过程 .93 太阳能跨季节储热系统的试验分析 .103.1 试验过程 .103.1.1 试验目的 .103.1.2 试验方案 .113.2 集热和储热过程的温度曲线分析 .113.3 太阳能跨季节储热系统数据处理 .144 太阳能跨季节储热系统 TRNSYS16 模型 .194.1 建立 TRNSYS16 模型的目的 .194.2 太阳能跨季节储热系统模型的建立 .204.3 太阳能跨季节储
13、热系统模拟过程中的部件以及部件参数的设置 .214.4 模型验证的有关计算 .234.4.1 典型天的选择 .234.4.2 典型天的数据计算 .244.4.3 典型天气象数据输入及模型验证分析 .265 太阳能跨季节储热系统的运行策略 .285.1 典型天的瞬时模拟 .285.2 不同阶段典型天的运行策略 .305.2.1 初期典型天的运行策略 .305.2.2 中期典型天的运行策略 .335.2.3 末期典型天的运行策略 .355.3 最佳控制策略及下一步预测 .375.3.1 最佳运行策略的确定 .375.3.2 非供热期的预测模拟 .38全文总结 .41参考文献 .42致谢 .44河北
14、工业大学 2015 届本科毕业论文- 1 -1 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 发展背景能源是国民经济的重要基础，社会的进步和科技的发展都与之息息相关。虽然我国的能源储量较为丰富，但是它的分布不均，东多西少，在地域上的利用受到了极大的限制。而且资源利用率较低，人均占有量少，使得传统能源的储量越来越少。如果人们不加节制的开采、滥用，总有一天，化石能源会枯竭，全球经济发展也会受到致命的冲击。解决能源危机显得刻不容缓。大力发展可再生能源是目前解决能源问题的有效方案。而同时，建筑能耗在能源消耗中占得很大比例。龙惟定教授经过分析得出，我国建筑能耗在总能耗中的比例大致应在 20%左右，其中 10
15、13% 是采暖能耗，710% 是其他能耗 1。清华建筑节能研究中心建立的建筑能耗模型数据也显示，2006 年我国建筑总商品能源消耗占当年全社会一次能源消耗的 23.1%2。由这些数据，我们可以知道，要想降低整个社会的能源消耗 ，建筑节能必定占有一个非常重要的地位。而将可再生能源应用到建筑上面，是新时期缓解能源危机的一个重要措施，将会推动全社会健康、持续的发展。从而可再生能源中的地热能和太阳能在建筑上的利用受到越来越多的重视，但它们单独利用中都存在着很多缺点。利用浅层地热能的地源热泵在运行过程中会随着使用年数的增加而导致地温逐渐降低，蒸发温度也会降低，从而使系统整体的性能系数下降。太阳能利用过程
16、中易受气候条件的影响，特别是晴天和阴天的太阳辐射量差别很大，对集热装置和蓄热装置的合理性设计提出了难题。而且太阳能不易储存，造成大量太阳能资源的浪费。因而人们对太阳能地源热泵联合使用技术的研究逐渐增多。1.1.2 课题研究的目的及意义而近年来发展的新技术，太阳能地源热泵系统的跨季节蓄热，更是推动了可再生能源的利用。因为太阳能资源分布均匀， 在冬季的时候太阳辐射不是很强，但河北工业大学 2015 届本科毕业论文- 2 -是在夏季的太阳辐射较强。因此，把除冬季外的太阳能通过蓄热装置储存到土壤中，可以减小太阳能利用所受到的限制，降低系统的投资。太阳能跨季节地源热泵系统的利用是有很多的优点，而一些实验
17、和模拟研究也初步证明了系统运行的优越性，但是进一步探讨太阳能跨季节储热系统的运行策略也是有必要的。本文针对太阳能跨季节系统非供热季进行研究，通过实验和模拟找到合适的运行参数，进一步提高太阳能的储热效率，使地温得到提升，进而使系统的蒸发温度提高，从而提高整体系统的性能系数，对建筑节能、缓解环境污染和推动社会经济发展都有重大意义。1.2 课题的研究现状1.2.1 国外研究现状彭德罗在 20 世纪 50 年代提出组合埋地盘管和太阳能集热器的思想。在 60 年代末，他又给出了包括整体的太阳能-地源热泵体系的设计过程 3。随着环境压力的增大和能源危机，太阳能地源热泵的利用技术受到越来越多人的重视。特别是
18、进入 21世纪以来，应用和研究变得日益增多。V.Badescu4对有储能设备的太阳能热泵供暖系统进行了模拟研究，系统中太阳能向压缩机供给工作能量。加入储热设备使得能量的供给更加稳定。同时初步的结果表明储能装置的尺寸大小对压缩机能量的供给有比较大的影响，并且储能装置对系统的稳定性也有利。Onder Ozgener 5等对用于温室加热的太阳能辅助地源热泵系统进行了实验性能方面的研究，并且对这种系统的热力损失以及成本两者之间的关系做了进一步的调查。Trillat-berdal6 等对建立在 180m2 住宅中的太阳能地源热泵系统进行了TRNSYS 研究模拟，同时对它进行了实验性能分析。系统本身满足当
19、地的供冷热需求和生活用水。当水温达到一定的要求，剩下的太阳热量经过地埋向地下储存。研究的结果表明：系统有利于增长太阳能集热器的运行时间，防止太阳能集热器出现过热现象，有利于土壤保持平衡。另外，结果得到在供暖模式的情况下，系统的热泵平均 COP 值达到 3.75。 R.Yumrutas 等 7对具有季节性地下蓄能装置的太阳能热泵系统进行了分析研究。并用编程分析计算了水箱水温的变化和地下土壤周围的温度场的变化。研究的结果表明：土壤类型会对整个系统的性能和土壤的储热区域的温度场产生影响。河北工业大学 2015 届本科毕业论文- 3 -由这由这些发展历程可以看出，国外的研究较早，研究国外发展现状有助于
20、我们对先进技术的把握。1.2.2 国内研究现状我国开始对地源热泵系统的研究较晚。从上个世纪 80 年代开始，我国的一些科研工作者才开始了大量的研究，通过研究掌握了一定的技术，并有一部分工程在实际中得到应用，取得一定的成功。而对于太阳能地源热泵系统的很多研究是在近些年来。天津商学院最先对太阳能热泵与土壤热源热泵系统进行了研究。他们对太阳能-土壤热源热泵系统交替供暖的性能进行了实验研究，研究表明：太阳能热泵的平均供热率为 2334W ，平均供热系数为 2.73； 土壤热泵的相应参数为 2298W 和 2. 83；太阳能-土壤热泵的相应参数为 2316W 和 2.788。而进入 21 世纪以来，很多
21、学者和大学都开始了对太阳能地源热泵系统的研究。而很多研究都集中在系统试验性能和运行模式的研究上，并对影响系统性能的因素作了分析，例如有无蓄热水箱的影响，蓄热水箱体积大小的影响等。王如竹、旷玉辉等 9，在最冷月的气候条件下，针对太阳能热泵供暖的情况作了实验研究，并且把太阳能热泵的供蓄热作为基本的运行方式。研究得出运行系统在冬天供暖的情况下，其中的蓄热水箱起到热平衡的作用，让系统运行起来更加稳定。而同样在 2002年，哈尔滨工业大学的余延顺等 10对寒冷地区的太阳能地源热泵系统，建立土壤模拟模型，对比分析了运行比和土壤的温度恢复率之间的关系。通过对比热泵不同启停比和地下温度场的恢复情况，得出了周期
22、性最佳的运行时间和太阳能保证率，进一步对集热器面积的确定提供依据。杨卫波、董华等 11对太阳能土壤源热泵系统不同联合供暖模式作了大量的模拟研究。模式一是在地埋管与集热器串联的情形下，流体先通过埋管之后再经过太阳能集热器；模式二的流经顺序与模式一相反；模式三则是在两者并联的情况下。针对在有无蓄热水箱的三种模式，对它们的水箱蓄放热、集热器集热量和效率以及地埋管的吸热量进行了研究。结果表明：相对于单独供暖的情形，联合供暖的运行模式显示出它的优势，在节能方面显示了很好的效果。联合供暖模式二比其它模式效果更佳。有蓄热水箱的情况与没有水箱的情况节能率分别为 14.5%和 10.4 %，有蓄热水箱供暖的情况
23、下比没有蓄热水箱供暖的效果更好。2008 年李朝佳等 12对太阳能河北工业大学 2015 届本科毕业论文- 4 -辅助地源热泵联合供暖运行形式进行了分析。研究得出：增加太阳能的辅助供热，有利于使系统向地下得排热过程与取热过程保持平衡。因此，使得运行机组和地下土壤温度场更加稳定。而近十年内，对太阳能跨季节储热的研究也逐渐增多。2007 年，天津大学的赵军等 13对天津地区某项目建立了计算模型，建立在实验的基础上，用软件模拟了跨季节蓄热的效果，并对不同的运行模式作了对比。又对跨季节蓄热的可行性以及不同运行模式对土壤温度场的影响作了研究。结果表明：不同的运行模式有着不相同的热利用效果，蓄热场在温度恢
24、复的方面也存在较为明显的差异。交叉运行比部分运行模式更具有优势，两种交叉模式中是更具有优势的是从外围先取热的情况。哈尔滨工业大学的韩宗伟等 14对太阳能季节性土壤蓄热热泵供暖系统和系统在冬、夏两季的主要运行模式进行了研究，经过建立模型确定了系统各个不同运行模式下的转换条件。之后张文雍等 15针对严寒地区太阳能地源热泵系统在冬季初期土壤温度过低问题，在原有的系统基础上提出了跨季节储热的方案，把除冬季外收集的热量通过地埋管储存在土壤中，在冬季把储存的热量取出进行供暖。并对哈尔滨市郊区的一幢独立建筑进行了实验研究。结果证明了跨季节储热的情况是可行的，通过蓄热可以提高地埋管周围的土壤温度，从而提高了系
25、统的供暖系数。王恩宇、齐承英等 16对天津某个太阳能跨季节储热系统的供热模式作了研究，并分析了三种供热的模式，其中把跨季节储热的系统作为了试验的模式，另外两种土壤热泵作为对比。并对储热过程和取热过程的土壤温度进行观察分析，研究发现土壤的自动恢复的能力与取热速率的不同都会对系统的地温变化产生影响。 2010年，杨华等 17对太阳能跨季节储热耦合热泵系统的性能进行了分析，并使用 VB 软件建立了仿真模型。对在运行过程中的许多参数，包括系统的启停温度、水箱体积的大小对系统的影响作了分析。并提出在对系统进行性能分析时，需要考虑影响性能因素的优化配置。2012 年，王恩宇等 18利用瞬时系统模拟软件 TRNSYS，对太阳能地源热泵联合系统进行了模拟，并对地温的变化进行了分析。同时，对于太阳能辅助地源热泵系统而言，从土壤中取走的热量比向地下储存的热量少，因此地温会逐渐的提高，有利于提高热泵的性能系数。研究得出，储热过程的启动温度、停止温度或者温差都会对系统和热泵的性能系数产生影响。底冰、马重芳等对太阳能跨季节蓄能热泵系统作了实验方面的研究。研究得出，跨季节土壤蓄热有利于减缓非供暖季节的集热器过热问题，使得系统更加稳定运行。
