“太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”動(dòng)態(tài)特性分析軟件開發(fā)及教學(xué)應(yīng)用

牛建會(huì) 盧春萍 劉春蕾

摘?要：為推進(jìn)我省教學(xué)案例庫建設(shè)，推動(dòng)高校進(jìn)一步深化對(duì)專業(yè)學(xué)位的認(rèn)識(shí)，轉(zhuǎn)變專業(yè)學(xué)位人才培養(yǎng)理念，省教育廳學(xué)位中心及我校均設(shè)立了專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例庫立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目?；陧?xiàng)目實(shí)施，課程組針對(duì)研究生案例教學(xué)，開發(fā)了“太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”動(dòng)態(tài)特性分析軟件，該軟件可以為熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：太陽能;空氣源熱泵;軟件開發(fā);教學(xué)應(yīng)用

研究生案例教學(xué)是一種新的教學(xué)方法和教學(xué)理念，項(xiàng)目組立項(xiàng)校級(jí)研究生重點(diǎn)教研項(xiàng)目《建筑區(qū)域供能的冷熱源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析教學(xué)案例庫》，基于項(xiàng)目的實(shí)施，項(xiàng)目組開發(fā)研制“太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”動(dòng)態(tài)特性分析軟件，并將其擬應(yīng)用于研究生教學(xué)環(huán)節(jié)。

1 “太陽能空氣源熱泵”供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

太陽能與空氣源熱泵的供熱方式為并聯(lián)式，其特點(diǎn)：空氣源熱泵作為建筑的主要供熱設(shè)備，太陽能儲(chǔ)熱水箱作為建筑的輔助供熱設(shè)備，二者并聯(lián)使用，用太陽能來彌補(bǔ)空氣源熱泵供熱量的不足。

2 太陽輻射的輻射量計(jì)算軟件編制

本軟件可計(jì)算某一地區(qū)在某一時(shí)刻不同集熱器傾角下太陽輻射強(qiáng)度。

2.1 影響太陽輻射的各種角度及其計(jì)算

太陽輻射及太陽能集熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算都要涉及太陽高度角、方位角及日照時(shí)間等問題。

2.1.1 太陽高度角

太陽高度角hc是太陽光線與地平面的夾角，確定如下：

式中：ω為時(shí)角，ω=（st-12）×15°，st為太陽時(shí);太陽時(shí)與北京時(shí)間的關(guān)系：st=北京時(shí)間+E-4×（120-LLOG）60，其中E=9.87sin2B-7.53cosB-1.5sinB，B=360n-81364;n為日期序號(hào);LLOG為當(dāng)?shù)亟?jīng)度;δ—太陽赤緯，δ=23.45sin（360284+n365）;φ為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2.1.2 太陽方位角及日照時(shí)間、集熱器傾角

2.1.3 傾斜面上的太陽光線入射角θ

式中：β為集熱器傾角;δ為太陽赤緯;φ為當(dāng)?shù)鼐暥?α為方位角，北半球α=0°;ω為時(shí)角。

2.2 計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度

2.2.1 地表面的太陽輻射

與太陽光垂直平面上的太陽直接輻射強(qiáng)度：

式中：C為大氣透明度系數(shù)，較好晴天C=0.33。

如果集熱平面的法線與太陽光線的夾角為θ，其直接輻射強(qiáng)度：

2.2.2 太陽在水平面上散射強(qiáng)度、斜面上的散射強(qiáng)度、地表反射對(duì)斜面輻射強(qiáng)度

（1）太陽在水平面上散射強(qiáng)度：

式中：Inh為太陽在水平面上的直射強(qiáng)度，Inh=Insinhc;大氣質(zhì)量m=1sinhc;P為大氣的透明度，0.65～0.85。

（2）太陽在斜面上的散射強(qiáng)度：

（3）（3）地表反射對(duì)斜面輻射強(qiáng)度：

式中：ρ為地面的反射率，ρ=0.2。

2.2.3 太陽輻射在斜面上總強(qiáng)度

3 “太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”軟件編制

3.1 太陽能集熱、儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱力模擬

3.1.1 集熱器能量分析

以集熱器進(jìn)水溫度為基準(zhǔn)，集熱器的熱損失Qu：

式中：Ac為集熱器采光面積;Fr為熱轉(zhuǎn)移因子;Iτα為單位面積集熱器獲得的熱量，Iτα=I·τ·α，I為投射到集熱器上的總輻射強(qiáng)度，τ為透明蓋板上太陽透過率，α為集熱板吸收率;UL為集熱器總熱損失系數(shù);Tfi為逐時(shí)集熱器進(jìn)水溫度;Ta為逐時(shí)環(huán)境溫度。

3.1.2 自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱能量分析

假設(shè)水箱內(nèi)水溫均勻一致，其能量方程：

式中：dTsdt為水箱水溫隨時(shí)間的變化率;m為水箱質(zhì)量;cp為水比熱容;Fr′為集熱器熱交換器熱轉(zhuǎn)移因子;Us為水箱熱損失系數(shù);As水箱表面積;Q1為逐時(shí)太陽能提供的熱量。

對(duì)式（13）的微分項(xiàng)dTsdt，用簡(jiǎn)單歐拉法表示為Ts+-TsΔt，Δt為時(shí)間間隔，Ts為某時(shí)刻儲(chǔ)水箱溫度，Ts+為儲(chǔ)水箱下一時(shí)間間隔的溫度。

3.2 空氣源熱泵供熱系統(tǒng)熱力模擬

3.2.1 建筑熱負(fù)荷

以固定環(huán)境溫度TW為計(jì)算基準(zhǔn)，設(shè)定建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷為Q1′，則在環(huán)境溫度Ta下逐時(shí)熱負(fù)荷：

式中：Q1為建筑物逐時(shí)熱負(fù)荷;Q1′為環(huán)境溫度為TW時(shí)建筑物逐時(shí)熱負(fù)荷;TW為固定的環(huán)境溫度;Tn為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度;Ta為逐時(shí)環(huán)境溫度。

3.2.2 空氣源熱泵逐時(shí)制熱量

空氣源熱泵選用普通型熱泵，對(duì)某空調(diào)設(shè)備公司生產(chǎn)的風(fēng)冷熱泵機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，逐時(shí)制熱量：

式中：Qe為額定容量;Ta為逐時(shí)環(huán)境溫度。

3.3 “太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”供暖運(yùn)行方案

若熱泵制熱量大于建筑熱負(fù)荷時(shí)，熱泵機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行;若熱泵制熱量小于建筑熱負(fù)荷時(shí)，熱泵機(jī)組與太陽能輔助加熱同時(shí)開啟;若室外環(huán)境溫度小于-10℃，熱泵機(jī)組關(guān)閉，太陽能輔助加熱開啟。

4 運(yùn)行模擬軟件說明及流程圖

4.1 軟件程序相關(guān)說明及運(yùn)行界面

4.1.1 軟件程序相關(guān)說明

軟件程序主要用來計(jì)算某地區(qū)在供熱系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度、建筑物熱負(fù)荷、空氣源熱泵供熱量、儲(chǔ)水箱溫度、集熱器熱損失等參數(shù)逐時(shí)模擬量。從輸入供熱系統(tǒng)運(yùn)行第一天起的N天內(nèi)的計(jì)算結(jié)果最終會(huì)輸出到.txt文件。

4.1.2 運(yùn)行界面

見圖1。

4.2 模擬軟件程序計(jì)算流程圖

見圖2。

5 軟件擬應(yīng)用于研究生教學(xué)的情況

“太陽能空氣源熱泵系統(tǒng)”運(yùn)行模擬軟件作為課程案例，擬應(yīng)用于研究生教學(xué)中，可以使學(xué)生掌握系統(tǒng)熱力計(jì)算模塊建立、數(shù)據(jù)擬合、微分項(xiàng)的歐拉法變換等。通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬，可以切換不同環(huán)境溫度下空氣源熱泵額定容量、需要集熱面積、儲(chǔ)熱水量、儲(chǔ)熱水箱溫度、集熱器熱效率等，該軟件可以為實(shí)際工程設(shè)計(jì)及系統(tǒng)性能的進(jìn)一步改善提供一定的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧春萍，等.太陽能輻射計(jì)算與模擬[J].科技風(fēng)，2015.

[2]盧春萍，等.太陽能—空氣源熱泵并聯(lián)系統(tǒng)供熱系統(tǒng)模擬研究[J].流體機(jī)械，2008.

基金項(xiàng)目：2020年校級(jí)研究生教育教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“建筑區(qū)域供能的冷熱源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析教學(xué)案例庫”（項(xiàng)目編號(hào)：2020YJSJG05）;2020年河北省專業(yè)學(xué)位研究生教學(xué)案例建設(shè)項(xiàng)目“智能化清潔能源供熱系統(tǒng)案例庫”（項(xiàng)目編號(hào)：KCJSZ2019086）

作者簡(jiǎn)介：牛建會(huì)（1981—?），女，博士，副教授，河北建筑工程學(xué)院能源工程系，研究方向：制冷空調(diào)熱泵技術(shù)。

通訊作者：盧春萍（1966—?），女，碩士，教授，河北建筑工程學(xué)院能源工程系，研究方向：供熱、節(jié)能技術(shù)。