基于TRNSYS的强制循环太阳能热水系统在低温住宅区使用的优化设计外文翻译资料

基于TRNSYS的强制循环太阳能热水系统在低温住宅区使用的优化设计

摘要

使用平板收集器的间接强制循环太阳能热水系统被模拟用于加拿大蒙特利尔的单户住宅单元的家庭热水需求。研究所有必要的设计参数，并使用TRNSYS模拟程序确定最佳值。整个系统的太阳能指数被用作优化参数，优化了系统和收集器的设计参数，包括收集器面积，流体类型，收集器质量流量，储罐容积和高度，热交换器效率，连接管的尺寸和长度，吸收器板材料和厚度，数量和尺寸的上升管，管间距和收集器的纵横比。结果表明，通过利用太阳能，设计的系统可以分别提供夏季和冬季的热水需求量的83-97％和30-62％。还确定即使是局部制备的非选择性涂覆的收集器也可以通过太阳能提供年需要的水加热能量的约54％。

关键字

太阳能集热器 强制循环 太阳能热水 TRNSYS

1介绍

太阳能热水系统的令人满意的性能和可靠性需要对其组件进行充分的尺寸调整，以及准确预测所输送的有用能量和出口水温。在寒冷地区，来自太阳能热水系统的热损失高，太阳辐照度低，并且收集器内部的流体的冻结是一个问题。因此，系统参数的优化对于实现足够的性能是非常重要的。在过去几十年中，具有平板集热器的太阳能热水系统的性能已经广泛地进行了理论和实验研究。例如，Hoteei和Woertz1942）建立了性能参数之间的基本定量关系，Bliss（1959）推导出了各种太阳能收集器的效率因子的数学模型; Liu和Jordan（1963）报告了一个简单的程序来预测收集器的长期性能; Whillier和Saluja，1965; Gupta和Garge，1968; Yeh et al。 （2003）研究了几个设计细节对系统性能的影响; San Martin和Fjeld（1975）和Siebers和Viskanta（1977）比较了平板收集器的不同配置的性能;和Hahne（1985）调查了各种参数对平板收集器的效率和预热时间的影响。然而，大多数这些研究调查了在短时间内的性能和简化的操作条件。

已经开发了不同的计算工具来数值地评估太阳能系统的长期性能并研究设计参数的效果。 TRNSYS 16（Klein等人，2004）是用于太阳能系统（热或PV），低能太阳能多区域建筑物，可再生能源系统，燃料电池及其相关设备的瞬态模拟的广泛软件。该方案已广泛用于研究和优化太阳系。已经有一些研究使用TRNSYS来评估不同的设计参数和操作条件对Thermosyphon太阳能热水器（TSWH）系统的性能的影响。例如，Morrison和Braun（1985）研究了水平和垂直罐的特性; Shariah和Ecevit（1995）研究了不同负载温度对具有辅助电加热器的TSWH系统的性能的影响; Shariah和Louml;f（1996）研究了水箱高度对性能和年度太阳能分数的影响; Shariah和Louml;f（1997）和Michaelides和Wilson（1997）研究了辅助电加热器及其位置的影响; Shariah et al。 （1999）研究了吸热板的热导率的影响，Shariah et al。 （2002）优化了集电极的倾斜角。 TRNSYS还被用于优化TSWH系统的设计参数（Shariah和Shalabi，1997）。 Kalogirou和Papamaracou（2000）比较了TRNSYS的模拟结果和TSWH系统的实验值，发现很好的一致性。然而，很少研究使用TRNSYS来研究强制循环太阳能热水系统的性能。例如，Buckles和Klein（1980）比较了强制循环系统的不同配置的性能。 Michaelides和Wilson（1996）优化了酒店应用的有源SWH系统的设计标准。 Wongsuwan和Kumar（2005）通过实验和数值研究了强制循环系统的性能。使用TRNSYS和人工神经网络进行数值模拟。两个数值模型的结果与实验值有很好的一致性。

然而，使用TRNSYS进行研究的大多数研究集中在TSWH系统，其适用于冬季温和的温暖地区，因此液体冷冻不是问题，并且来自系统的热损失小。在寒冷地区，室外温度通常低于冰点4-6个月，热虹吸系统不是一个合适的选择。虽然使用具有低凝固点的次级流动回路（例如防冻溶液和相变流体）是TSWH系统的选择;然而，具有使用防冻液的二次流的强制循环系统将是用于寒冷气候中的SWH系统的合适配置。此外，平板集热器具有成本效益，易于制造和安装，更具结构适应性，并且与其他种类的太阳能集热器（即真空管和集中）相比需要较少的操作和维护成本。强迫循环SWH系统已经在过去十年中被研究和使用，但是在关于“优化各种系统设计参数”的文献中报告了较少的研究（与TSWH相比），特别是对于寒冷地区和小应用。例如，Furbo et al。 （2005）推荐将大型SWH设计为具有带有外部热交换器和分层入口管的热水箱的低流量系统; Nayak和Amer（2000）评估了用于评估平板收集器的9个动态测试程序; Tsilingiris（1996）为大型SWH系统开发了一个简单的模拟模型; Kikas（1995）研究了太阳能收集器中逆向和直接回路的层流分布; Prapas et al。 （1995）研究了大中心SWH的热行为; Fanney和Klein（1988）研究了流量的影响以及辅助热交换器对性能的影响; Chiou（1982）开发了一种数值方法来确定由于非均匀流动分布导致的性能变化;和Klein和Beckman（1979）提出了闭环SWH系统的一般设计方法。目前的工作重点是使用TRNSYS来分析加拿大蒙特利尔的单户住宅单元的强制循环太阳能热水系统。已经进行了全面的研究以研究系统的所有设计参数并确定其最佳值。整个系统的月和年太阳能分数用作优化参数。

2加热水的负荷

在太阳能加热系统设计中，需要估计长期（年度和/或月度）平均加热负荷。 水加热负载或将水从入口冷水温热到所需温度所需的能量取决于几个因素，例如热水消耗速率，冷水入口和期望的热水设定温度，位置和方向的 建筑和系统特性。 该负载还包括来自储罐，管道系统的任何热损失，再加热已经加热但未使用的水所需的能量以及来自水槽，淋浴器，洗碗机和洗衣机的浪费的热水， 排水而不使用。 在本研究中，这些参数如下确定。

2.1, 家庭用水使用量

热水消耗取决于人们的生活方式，一年的季节，一天的时间和地理参数。一些研究估计了北美单户住宅的热水消耗。 Babbitt（1960）建议对于一个浴为227-378.5升/天，对于两浴室为378.5-757升/天。 Becker和Stogsdill（1990）指出平均家庭消费量为236升/天; Gilbert et al。 （1985）估计为250.6升/天，最大小时使用量为15.5-33.7升，基于对110户单户住宅的研究;和Perlman和Mills（1985）研究了加拿大的59所家庭，发现平均值为236升/天，从7月的171升/日到1月的249升/日。 Hiller（1998）监测了14所家庭，报告了224 l /天的消费。 Kempton（1987）研究了8个单户住宅单位，发现热水使用量从每人44.3至126升/天不等。基于这些研究和考虑额外的10％的浪费热水，在本研究中考虑了居住单元的平均热水消耗量为246升/天。

2.2 进水时的温度

每月平均进水水温（Tmain）是室外环境空气和主供水入口温度的函数。 NAHB（2002）编制了几个北美城市一年的平均每月进水温度。 对于蒙特利尔，Tmain从冬季4-5°C到夏季11-12°C不等。 Marcoux和Dumas（2004）从1994年到2004年每月测量蒙特利尔几天的实际进水温度。由于这两个研究的值之间存在显着差异，Marcoux和Dumas（2004）的实际测量值 被认为是更现实的，因此，在本研究中使用这两个测量值。 它们的月平均值在表1中给出。

表1

蒙特利尔月平均主要冷水温度（℃） - （Marcoux和Dumas，2004年）。

2.3 热水输出曲线

3 系统模型

在本研究中建模了具有二次流回路（即防冻液）和外部热交换器的间接强制循环系统。吸收和输送太阳能的二次流在热交换器的热侧和收集器之间循环。假定流动是具有不同百分比（体积）的乙二醇在水中的溶液，以避免水冻结。次级流体将收集的热能交换为在热交换器的冷侧和热水储存箱之间循环的饮用水。然后，来自罐的产生的热水通过辅助电加热器，当产出水比期望的设定温度更冷时或在阴天期间加热水。相反，当采出的水比设定温度高时，三通回火阀将添加冷水来调节温度。在原始研究中还考虑了可选的罐内加热器，但是结果没有在本文中给出。本研究集中于间接系统的两组不同的模拟。进行第一组模拟以针对给定收集器特性因子优化整个系统参数。这之后是第二组模拟，其被执行以优化集电极参数以实现集电极效率和特性因子的最佳值。使用TRNSYS仿真程序进行仿真。下面介绍系统的主要部件并且会在图2中示意出来。

。

• 具有不同面积的平板集热器：为了优化系统，已经选择了FR（tau;alpha;）n = 0.84和FRUL = 4.67W / m 2℃的标准测试数据的特征因子（Fanney和Klein，1983）。 为了优化集电极，对理论集电极进行建模，并且在宽范围的设计参数中确定和研究集电极的月和年效率以及集电极的特性因子。 收集器被认为面向南，倾斜（beta;）等于蒙特利尔的纬度（即phi;= 45.5°）
• 热交换器：研究不同的情况，选择恒定功率的逆流热交换器
• 完全分层储罐（6节）：考虑不同的罐高度和罐体积与集流体面积比。 总罐体热损失系数假定在2.5和3 kJ / h m2 K之间
• 强制功能：要应用实际每月平均主要的进入的凉水温度和对应于246 l /天需求的小时负荷曲线，使用来自TRNSYS库的强制功能。 冷水温度被认为是根据表1中给出的实际数据每月变化
• 辅助电加热器：考虑与储罐串联的辅助电加热器。 电加热器位于回火阀混合点之前。 回火阀和辅助加热器都设置为所需的热水温度Tset = 60℃
• 流动循环泵：一个泵被认为是在热交换器和收集器之间循环流动，另一个被认为是在热交换器和存储罐之间循环流动。 产生开/关信号的开/关差动控制器操作这些泵。 对于控制器，较低的输入温度是罐冷侧（从罐到热交换器），监测温度是罐热侧（从罐到负载）出口温度，并且上限是收集器热水出口温度。 上死区和下死区分别设置为10°C和5°C。 热交换器冷侧的流量受每日热水消耗模式的影响。 热侧中的流速可以变化，并且其受到收集器的每平方米收集器面积的“建议的”最佳流速的影响
• 在热交换器的收集器和热侧之间的连接管（供给和返回）：对于第一组模拟考虑不同的管长度和管内径。 对于两组模拟，总热损耗系数被认为是3kJ / h m2 K。 在热交换器和储罐之间的连接管被假定为短的，具有可忽略的损失
• 天气和气象数据：它取自蒙特利尔TRNSYS的典型气象年（TMY）数据库

每月或每年的太阳能指数，它是太阳能系统提供的总热水能量的指数，使用Buckles和Klein（1980）的方程计算。

（1）

其中，Qload是从系统移除以支持水加热要求的总能量，Q辅助是供应到系统以支持不由太阳能提供的总负载的部分的总辅助能量。 与诸如收集器效率或除热因子的其他参数相比，太阳能分数是系统性能的更好指示，因为它显示整个系统的整体性能而不是组件。 使用来自Duffie和Beckman（1991）的方程式计算月或年收集器效率，其是有用能量增益与收集器吸收的太阳能之比，

（2）

如果整个板在入口水流温度下，使用来自Duffie和Beckman（1991）的方程式计算FR或收集器除热系数，则实际的可使用热量与吸收到的热量有

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