太陽能光熱系統設計軟件研究現狀與發展

皇明太陽能股份有限公司 ■ 劉昌盛 李麗霞 李娟 詹源

一 引言

太陽能建筑一體化是太陽能熱利用方面的重要組成部分，太陽能工程化系統得到了越來越廣泛地推廣與應用。為了克服在太陽能系統建筑應用過程中的方案選擇不統一、安裝規范不標準、設備選型不準確等問題和弊端，需要一款專門為太陽能工程系統開發的設計軟件，不但可以迅速快捷地給用戶一整套系統設計的優化方案，而且還能夠對投資回收比和經濟、環境效益分析做出綜合科學的評價，也為太陽能的大面積推廣和實現可再生能源替代起到一定的推動作用。

二 太陽能設計軟件研究現狀

1 國外現狀

太陽能系統設計軟件在歐美一些發達國家發展的較早，致力于太陽能系統設計軟件開發利用的科研機構包括：美國威斯康辛大學、SPF瑞士太陽能技術研究所(國際權威檢測機構)以及加拿大自然資源署等等。自從上個世紀九十年代起，這些科研機構就將太陽能家用和工程系統的設計與計算機輔助功能結合起來，先后研制開發了數款適用于不同條件下的系統設計軟件，促進了太陽能熱利用和太陽能建筑一體化的進程。

2 國內現狀

目前，在我國的太陽能系統設計領域，無論是家用小型的太陽能熱水器還是大型的太陽能光熱工程系統，對于整個系統的優化設計軟件研究基本上還是空白的。國內還沒有一款獨立開發的適合我國條件的太陽能系統設計軟件。

中國建筑科學研究院在2003年承擔了聯合國基金會(UNF)項目——“太陽熱水器一體化住宅的試點項目改型設計、實用設計手冊編寫及相關培訓”，初步形成了太陽能系統軟件開發的設計思路，但是由于國內太陽能系統設計行業的發展限制和一些硬件基礎、軟件人才的欠缺，我國自主開發的太陽能設計軟件遲遲沒能問世，在一定程度上影響了我國太陽能產業規模化發展進程。

三 太陽能設計軟件介紹

1 F-chart

F-chart是美國在2001年研究開發的一款用于太陽能供熱系統設計及性能和經濟分析的軟件，是一種國際通用的穩態太陽能供暖和熱水系統性能分析方法。在輸入氣象數據、建筑物供暖和熱水數據、集熱器性能參數、經濟性參數后，系統設計軟件可以計算出一年中每個月供熱總負荷中太陽能系統所能提供的份額、集熱器表面接受太陽輻射量、建筑物供暖負荷、熱水負荷等。

圖1 F-chart操作界面

此外F-chart所具有的經濟性分析程序還可以計算出系統的初投資、投資回收年限、總節省能源、經濟性分析年限內每年的系統投資、系統節省燃料費用等。工程設計人員可以利用本程序對系統的熱性能及其經濟性進行全面分析。

2 RET-Screen

RET-Screen是由加拿大自然資源部屬下CANMET能源中心向全球提供的一款免費的可再生能源項目分析軟件，用來評估各種能效、可再生能源技術的節能量、節能效益、壽命周期成本、減排量和財務風險。

圖2 RET-Screen操作界面

RET-Screen分析軟件除了本身囊括了世界范圍內的氣象數據庫和典型品牌集熱器性能數據庫以外，還包括以下五個模塊：項目初始化模塊、能源計算模塊、成本分析模塊、經濟效益分析模塊、環境效益分析模塊，從各個方面與角度實現對系統的效益分析。

圖3 Poly-sun操作界面

3 Poly-sun

Poly-sun太陽能系統模擬軟件是由瑞士太陽能研究所SPF下屬Vela Solaris AG公司專為太陽能系統設計、安裝開發的一款軟件，包含太陽能光熱系統、光伏系統、熱泵和太陽能空調4個模塊。

Poly-sun太陽能系統模擬軟件分為普通版、專業版和設計版三個版本。普通版可以使用軟件數據庫中現有部件和系統進行模擬計算，輸出的計算結果較簡單。專業版可以使用數據庫中現有部件，也可對部件參數進行修改，不能創建系統圖，只能使用軟件數據庫中的系統圖。設計版為最高版本，不僅可以修改、輸入部件參數，也可以創建設計者自己設計的系統，輸出結果也十分詳細和多樣化，功能最強大。

4 TRN-sys

TRN-sys是美國威斯康辛大學太陽能實驗室1981年建立的大型太陽能系統瞬態模擬軟件，后在法國建筑技術與科學研究中心、德國太陽能技術研究中心以及美國熱能研究中心的共同努力下逐步完善。

TRN-sys系統的最大特色在于其模塊化的分析方式。一個模塊實現一種特定的功能，如熱水器模塊、單溫度場分析模塊、太陽輻射分析模塊、輸出模塊等。軟件除了對太陽能光熱和光伏系統進行模擬計算外，還可對多種系統的運行狀況進行動態仿真，主要包括建筑物逐時能耗分析、優化空調系統方案、地源熱泵空調系統模擬計算、地板輻射采暖供冷系統模擬計算、蓄能系統模擬計算等等。

軟件模塊的源代碼開放，用戶根據各自的需要修改或編寫新的模塊并添加到程序庫中，計算靈活。模塊化開放式結構，用戶可以根據需要任意建立連接，形成不同系統的計算程序 。

圖4 TRN-sys操作界面

四 新型軟件開發思路與展望

一個產業如果要得到迅猛的發展，高效化、規模化的產業結構和工程產品運轉周期是非常重要的。硬件產業結構和軟件產業功能要從行業政策、發展規模及客戶需求等多方面進行綜合匹配。

隨著太陽能熱利用技術的進步和發展，熱利用方式類別多種多樣，而且建筑形式千差萬別，這就對既有太陽能設計軟件在實用性、科學性以及與建筑完美結合等方面提出了嚴峻挑戰。開發一款適用于不同終端用戶需求的太陽能設計軟件，實現從方案設計、工程計算、圖紙繪制，到材料設備統計報貨、經濟環境效益分析的項目運作的一系列單元功能模塊，是推動太陽能產業化應用進程的必然趨勢。

1 提高設計效率

在太陽能熱利用工程迅猛發展的今天，提高設計軟件的速度和準確度無疑對企業設計方、工程施工方及招標建設單位都有很大益處。所謂計算機輔助工具就是要求工程計算比人工更智能、更準確，對于新開發的太陽能設計軟件，快速簡潔是前提和基礎，同時對于軟件的可操作性和人性化設計也要有提升和改進。

2 精確統計報貨

人工統計表格進行材料設備統計，不可避免會出現遺漏、差錯等情況，對后續工程進展中的采購、運輸及安裝等環節帶來影響，耽誤項目工期。設計軟件需要具有精確的設備材料統計功能，可以對整個太陽能系統中設備部件，包括集熱器、管材、閥件、泵房設備等進行精確的數量和型號匯總，輸出材料統計明細表，高效準確地指導施工。

表1 新型太陽能設計軟件特點

3 演示生動形象

目前太陽能系統工程項目的運作趨于正規化和程序標準化，項目都是以招投標的形式確定廠商。太陽能工程設計軟件要有非常生動形象的界面和顯示，如可以借鑒和嘗試當下流行的三維設計軟件。工程項目建筑主體和太陽能系統，包括集熱部分、設備間、連接管路等，都以生動形象的三維動畫演示和動態觀察，可以吸引項目招標方和受眾人群，更好地展示和提升企業自身技術實力。

隨著國家產業政策扶持和人們對于可再生能源應用的認可和推崇，太陽能熱利用領域得到了空前的發展，預計2020年我國太陽能光熱產業年產量可達2.7億m2，太陽能熱利用行業總保有量超過8億m2，年節約標煤1.22億t，減排二氧化碳2.62億t。中國太陽能熱利用產業將迎來高速發展的新紀元。

開發集設計、計算、制圖、分析、演示、統計等功能于一身的新型太陽能光熱系統設計軟件，通過其自身強大的智能、快速、準確、形象等特點，推動太陽能光熱利用產業工程化、規模化進程，將成為未來太陽能熱利用發展的重要支撐手段之一。