太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季運行參數(shù)的試驗與模擬可行性研究報告

太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季運行參數(shù)的試驗與模擬可行性研究報告目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"1.1課題研究背景及意義 11.1.1發(fā)展背景 11.1.2課題研究的目的及意義 1\o"CurrentDocument"1.2課題的研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3\o"CurrentDocument"1.3本課題研究內(nèi)容和方法 51.3.1研究內(nèi)容 51.3.2研究方法 5\o"CurrentDocument"2太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季簡介 6\o"CurrentDocument"2.1節(jié)能樓建筑概況 7\o"CurrentDocument"2.2太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的組成 72.2.1太陽能集熱器 72.2.2蓄熱水箱 82.2.3儲熱地埋管小井群 8\o"CurrentDocument"2.3太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季系統(tǒng)的控制過程 9\o"CurrentDocument"3太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的試驗分析 10\o"CurrentDocument"3.1試驗過程 103.1.1試驗?zāi)康?103.1.2試驗方案 11\o"CurrentDocument"3.2集熱和儲熱過程的溫度曲線分析 11\o"CurrentDocument"3.3太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理 14\o"CurrentDocument"4太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)TRNSYS16型 19\o"CurrentDocument"4.1建立TRNSYS16型的目的 19\o"CurrentDocument"4.2太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)模型的建立 20\o"CurrentDocument"4.3太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)模擬過程中的部件以及部件參數(shù)的設(shè)置 21\o"CurrentDocument"4.4模型驗證的有關(guān)計算 234.4.1典型天的選擇 234.4.2典型天的數(shù)據(jù)計算 244.4.3典型天氣象數(shù)據(jù)輸入及模型驗證分析 265太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的運行策略 285.1典型天的瞬時模擬 28\o"CurrentDocument"5.2不同階段典型天的運行策略 305.2.1初期典型天的運行策略 305.2.2中期典型天的運行策略 335.2.3末期典型天的運行策略 35\o"CurrentDocument"5.3最佳控制策略及下一步預(yù)測 375.3.1最佳運行策略的確定 375.3.2非供熱期的預(yù)測模擬 38\o"CurrentDocument"全文總結(jié) 41\o"CurrentDocument"參考文獻 42致謝 錯誤！未定義書簽。1緒論1.1課題研究背景及意義1.1.1發(fā)展背景能源是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)，社會的進步和科技的發(fā)展都與之息息相關(guān)。雖然我國的能源儲量較為豐富，但是它的分布不均，東多西少，在地域上的利用受到了極大的限制。而且資源利用率較低，人均占有量少，使得傳統(tǒng)能源的儲量越來越少。如果人們不加節(jié)制的開采、濫用，總有一天，化石能源會枯竭，全球經(jīng)濟發(fā)展也會受到致命的沖擊。解決能源危機顯得刻不容緩。大力發(fā)展可再生能源是目前解決能源問題的有效方案。而同時，建筑能耗在能源消耗中占得很大比例。龍惟定教授經(jīng)過分析得出，我國建筑能耗在總能耗中的比例大致應(yīng)在20%左右，其中10?13%是采暖能耗,7?10%是其他能耗［1］?；钊A建筑節(jié)能研究中心建立的建筑能耗模型數(shù)據(jù)也顯示， 2006年我國建筑總商品能源消耗占當(dāng)年全社會一次能源消耗的 23.1%［2］。由這些數(shù)據(jù)，我們可以知道，要想降低整個社會的能源消耗，建筑節(jié)能必定占有一個非常重要的地位。而將可再生能源應(yīng)用到建筑上面，是新時期緩解能源危機的一個重要措施，將會推動全社會健康、持續(xù)的發(fā)展。從而可再生能源中的地?zé)崮芎吞柲茉诮ㄖ系睦檬艿皆絹碓蕉嗟闹匾?，但它們單獨利用中都存在著很多缺點。利用淺層地?zé)崮艿牡卦礋岜迷谶\行過程中會隨著使用年數(shù)的增加而導(dǎo)致地溫逐漸降低，蒸發(fā)溫度也會降低，從而使系統(tǒng)整體的性能系數(shù)下降。太陽能利用過程中易受氣候條件的影響，特別是晴天和陰天的太陽輻射量差別很大，對集熱裝置和蓄熱裝置的合理性設(shè)計提出了難題。而且太陽能不易儲存，造成大量太陽能資源的浪費。因而人們對太陽能地源熱泵聯(lián)合使用技術(shù)的研究逐漸增多。1.1.2課題研究的目的及意義而近年來發(fā)展的新技術(shù)，太陽能地源熱泵系統(tǒng)的跨季節(jié)蓄熱，更是推動了可再生能源的利用。因為太陽能資源分布均勻， 在冬季的時候太陽輻射不是很強，但是在夏季的太陽輻射較強。因此，把除冬季外的太陽能通過蓄熱裝置儲存到土壤中，可以減小太陽能利用所受到的限制，降低系統(tǒng)的投資。太陽能跨季節(jié)地源熱泵系統(tǒng)的利用是有很多的優(yōu)點，而一些實驗和模擬研究也初步證明了系統(tǒng)運行的優(yōu)越性，但是進一步探討太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的運行策略也是有必要的。本文針對太陽能跨季節(jié)系統(tǒng)非供熱季進行研究，通過實驗和模擬找到合適的運行參數(shù)，進一步提高太陽能的儲熱效率，使地溫得到提升，進而使系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度提高，從而提高整體系統(tǒng)的性能系數(shù)，對建筑節(jié)能、緩解環(huán)境污染和推動社會經(jīng)濟發(fā)展都有重大意義。1.2課題的研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀彭德羅在20世紀(jì)50年代提出組合埋地盤管和太陽能集熱器的思想。在60年代末，他乂給出了包括整體的太陽能-地源熱泵體系的設(shè)計過程［3］。隨著環(huán)境壓力的增大和能源危機，太陽能地源熱泵的利用技術(shù)受到越來越多人的重視。特別是進入 21世紀(jì)以來，應(yīng)用和研究變得日益增多。V.BadescJ4］對有儲能設(shè)備的太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進行了模擬研究， 系統(tǒng)中太陽能向壓縮機供給工作能量。加入儲熱設(shè)備使得能量的供給更加穩(wěn)定。 同時初步的結(jié)果表明儲能裝置的尺寸大小對壓縮機能量的供給有比較大的影響， 并且儲能裝置對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有利。OnderOzgener［5］等對用于溫室加熱的太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)進行了實驗性能方面的研究，并且對這種系統(tǒng)的熱力損失以及成本兩者之間的關(guān)系做了進一步的調(diào)查。Trillat-berdal［6］等對建立在180m2住宅中的太陽能地源熱泵系統(tǒng)進行了TRNSYS研究模擬，同時對它進行了實驗性能分析。系統(tǒng)本身滿足當(dāng)?shù)氐墓├錈嵝枨蠛蜕钣盟?。?dāng)水溫達到一定的要求，剩下的太陽熱量經(jīng)過地埋向地下儲存。 研究的結(jié)果表明：系統(tǒng)有利于增長太陽能集熱器的運行時間， 防止太陽能集熱器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，有利于土壤保持平衡。另外，結(jié)果得到在供暖模式的情況下，系統(tǒng)的熱泵平均 COP值達到3.75。R.Yumrutas等［7］對具有季節(jié)性地下蓄能裝置的太陽能熱泵系統(tǒng)進行了分析研究。并用編程分析計算了水箱水溫的變化和地下土壤周圍的溫度場的變化。 研究的結(jié)果表明：土壤類型會對整個系統(tǒng)的性能和土壤的儲熱區(qū)域的溫度場產(chǎn)生影響。由這由這些發(fā)展歷程可以看出，國外的研究較早，研究國外發(fā)展現(xiàn)狀有助于我們對先進技術(shù)的把握。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國開始對地源熱泵系統(tǒng)的研究較晚。從上個世紀(jì)80年代開始，我國的一些科研工作者才開始了大量的研究，通過研究掌握了一定的技術(shù)，并有一部分工程在實際中得到應(yīng)用，取得一定的成功。而對于太陽能地源熱泵系統(tǒng)的很多研究是在近些年來。天津商學(xué)院最先對太陽能熱泵與土壤熱源熱泵系統(tǒng)進行了研究。他們對太陽能 -土壤熱源熱泵系統(tǒng)交替供暖的性能進行了實驗研究，研究表明：太陽能熱泵的平均供熱率為2334W,平均供熱系數(shù)為2.73;土壤熱泵的相應(yīng)參數(shù)為2298W和2.83;太陽能-土壤熱泵的相應(yīng)參數(shù)為2316W和2.78［8］。而進入21世紀(jì)以來，很多學(xué)者和大學(xué)都開始了對太陽能地源熱泵系統(tǒng)的研究。而很多研究都集中在系統(tǒng)試驗性能和運行模式的研究上，并對影響系統(tǒng)性能的因素作了分析，例如有無蓄熱水箱的影響，蓄熱水箱體積大小的影響等。王如竹、曠玉輝等［9］,在最冷月的氣候條件下，針對太陽能熱泵供暖的情況作了實驗研究，并且把太陽能熱泵的供蓄熱作為基本的運行方式。研究得出運行系統(tǒng)在冬天供暖的情況下， 其中的蓄熱水箱起到熱平衡的作用，讓系統(tǒng)運行起來更加穩(wěn)定。而同樣在 2002年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的余延順等［10］對寒冷地區(qū)的太陽能地源熱泵系統(tǒng)，建立土壤模擬模型，對比分析了運行比和土壤的溫度恢復(fù)率之間的關(guān)系。通過對比熱泵不同啟停比和地下溫度場的恢復(fù)情況，得出了周期性最佳的運行時間和太陽能保證率， 進一步對集熱器面積的確定提供依據(jù)。楊衛(wèi)波、董華等［11］對太陽能土壤源熱泵系統(tǒng)不同聯(lián)合供暖模式作了大量的模擬研究。模式一是在地埋管與集熱器申聯(lián)的情形下，流體先通過埋管之后再經(jīng)過太陽能集熱器；模式二的流經(jīng)順序與模式一相反；模式三則是在兩者并聯(lián)的情況下。針對在有無蓄熱水箱的三種模式，對它們的水箱蓄放熱、集熱器集熱量和效率以及地埋管的吸熱量進行了研究。結(jié)果表明：相對于單獨供暖的情形，聯(lián)合供暖的運行模式顯示出它的優(yōu)勢，在節(jié)能方面顯示了很好的效果。聯(lián)合供暖模式二比其它模式效果更佳。有蓄熱水箱的情況與沒有水箱的情況節(jié)能率分別為14.5%和10.4%,有蓄熱水箱供暖的情況下比沒有蓄熱水箱供暖的效果更好。2008年李朝佳等［12］對太陽能輔助地源熱泵聯(lián)合供暖運行形式進行了分析。研究得出：增加太陽能的輔助供熱，有利于使系統(tǒng)向地下得排熱過程與取熱過程保持平衡。因此，使得運行機組和地下土壤溫度場更加穩(wěn)定。而近十年內(nèi)，對太陽能跨季節(jié)儲熱的研究也逐漸增多。 2007年，天津大學(xué)的趙軍等［13］對天津地區(qū)某項目建立了計算模型，建立在實驗的基礎(chǔ)上，用軟件模擬了跨季節(jié)蓄熱的效果，并對不同的運行模式作了對比。乂對跨季節(jié)蓄熱的可行性以及不同運行模式對土壤溫度場的影響作了研究。結(jié)果表明：不同的運行模式有著不相同的熱利用效果，蓄熱場在溫度恢復(fù)的方面也存在較為明顯的差異。 交義運行比部分運行模式更具有優(yōu)勢，兩種交義模式中是更具有優(yōu)勢的是從外圍先取熱的情況。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的韓宗偉等［14］對太陽能季節(jié)性土壤蓄熱熱泵供暖系統(tǒng)和系統(tǒng)在冬、夏兩季的主要運行模式進行了研究，經(jīng)過建立模型確定了系統(tǒng)各個不同運行模式下的轉(zhuǎn)換條件。之后張文雍等［15］針對嚴(yán)寒地區(qū)太陽能一地源熱泵系統(tǒng)在冬季初期土壤溫度過低問題，在原有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了跨季節(jié)儲熱的方案， 把除冬季外收集的熱量通過地埋管儲存在土壤中，在冬季把儲存的熱量取出進行供暖。并對哈爾濱市郊區(qū)的一幢獨立建筑進行了實驗研究。結(jié)果證明了跨季節(jié)儲熱的情況是可行的，通過蓄熱可以提高地埋管周圍的土壤溫度，從而提高了系統(tǒng)的供暖系數(shù)。王恩寧、齊承英等［16］對天津某個太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的供熱模式作了研究， 并分析了三種供熱的模式，其中把跨季節(jié)儲熱的系統(tǒng)作為了試驗的模式， 另外兩種土壤熱泵作為對比。并對儲熱過程和取熱過程的土壤溫度進行觀察分析， 研究發(fā)現(xiàn)土壤的自動恢復(fù)的能力與取熱速率的不同都會對系統(tǒng)的地溫變化產(chǎn)生影響。 2010年，楊華等［17］對太陽能跨季節(jié)儲熱耦合熱泵系統(tǒng)的性能進行了分析， 并使用VB軟件建立了仿真模型。對在運行過程中的許多參數(shù)，包括系統(tǒng)的啟停溫度、水箱體積的大小對系統(tǒng)的影響作了分析。并提出在對系統(tǒng)進行性能分析時，需要考慮影響性能因素的優(yōu)化配置。2012年，王恩寧等［18］利用瞬時系統(tǒng)模擬軟件TRNSYS,對太陽能地源熱泵聯(lián)合系統(tǒng)進行了模擬，并對地溫的變化進行了分析。同時，對于太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)而言，從土壤中取走的熱量比向地下儲存的熱量少， 因此地溫會逐漸的提高，有利于提高熱泵的性能系數(shù)。研究得出，儲熱過程的啟動溫度、停止溫度或者溫差都會對系統(tǒng)和熱泵的性能系數(shù)產(chǎn)生影響。底冰、馬重芳等對太陽能跨季節(jié)蓄能熱泵系統(tǒng)作了實驗方面的研究。研究得出，跨季節(jié)土壤蓄熱有利于減緩非供暖季節(jié)的集熱器過熱問題，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定運行。采用以黏土與粉土為主要介質(zhì)的地下蓄熱體蓄熱,使用熱泵機組提取跨季節(jié)儲熱時,取熱率可達23%［19］。1.3本課題研究內(nèi)容和方法1.3.1研究內(nèi)容本課題以河北工業(yè)大學(xué)節(jié)能實驗中心的太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，對SAGSHP非供熱季(即儲熱季)進行監(jiān)測，具體研究內(nèi)容如下：學(xué)習(xí)掌握節(jié)能樓SAGSHPS的運行原理，了解太陽能跨季節(jié)儲熱過程。對節(jié)能樓的數(shù)據(jù)進行采集，包括天氣數(shù)據(jù)、集熱數(shù)據(jù)、儲熱數(shù)據(jù)、集熱泵和儲熱泵電量消耗數(shù)據(jù)以及小井群地溫數(shù)據(jù)。之后，分析集熱過程和儲熱過程的溫度變化曲線，了解集熱過程和儲熱過程在不同的不停運行參數(shù)控制策略下溫度變化的趨勢以及運行時間的長短。從而，分析出從實驗結(jié)果得出的運行策略。了解太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季節(jié)系統(tǒng)的集熱過程、儲熱過程、控制策略以及運行特點，從而利用TRNSYS16仿真模擬軟件建立太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季節(jié)系統(tǒng)的模型。通過驗證使建立的模型盡可能接近實際運行的狀況。在驗證的過程中，利用典型天的數(shù)據(jù)計算及初始參數(shù)的輸入，得到典型天的模擬曲線，并與實際的數(shù)據(jù)進行對比分析，從而不斷調(diào)整參數(shù)，得到與實際比較符合模型。利用已經(jīng)建立好的太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季節(jié) TRNSYS16仿真模型，輸入實際的氣象參數(shù)、初始地溫以及集熱循環(huán)啟動溫差、集熱循環(huán)停止溫差、儲熱循環(huán)啟動溫度和儲熱循環(huán)停止溫差初始運行參數(shù)等邊界條件。運行模型，觀察分析模擬曲線。改變運行參數(shù)，模擬分析不同運行策略下的集熱量、儲熱量以及地溫的變化趨勢，通過不同運行策略下地溫對比分析，得出太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的運行控制策略。同時，將模擬的結(jié)果與實驗的分析結(jié)果進行對比，從而給出整個非供熱季的最佳給定參數(shù)控制策略。將氣象數(shù)據(jù)、初始地溫以及最佳的運行參數(shù)輸入到 TRNSYS16模型中，進而進行下一步預(yù)測。1.3.2研究方法因為本課題的主要內(nèi)容是對太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)控制策略的研究，而這個過程以實驗為輔，數(shù)值模擬為主。那么主要的研究方法可按照數(shù)值模擬的技術(shù)路線來安排。具體的研究方法如下：建立TRNSYS模型，而在建立模型的過程中首先要分析系統(tǒng)包括哪幾部分，建立每一部分模塊，如建立太陽能集熱器、蓄熱水箱和地埋管熱交換器等模型，然后按照太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的運行特點連接各部分。把初步建立好的模型進行驗證，輸入典型天數(shù)據(jù)，可以通過觀察集熱過程和儲熱過程的溫度變化曲線等來驗證模型是否合理。使建立的TRNSYS模型盡可能接近實際情況。因為主要是對非供熱季進行儲熱，可以把儲熱過程劃分不同階段，分為初期、中期和末期階段，在每個階段選出兩個或兩個以上的典型天氣，并把天氣數(shù)據(jù)輸入到模型中，也包括一些其它的邊界條件。在給定狀況下，輸入一些初始運行參數(shù)，比如集熱循環(huán)啟動溫差 10C,集熱循環(huán)停止溫差3C,儲熱循環(huán)啟動溫度50C，儲熱循環(huán)停止溫差5C。之后就可以進行試驗參數(shù)的調(diào)節(jié)了。由于運行參數(shù)的變量有四個，要想分析影響因素，需要進行單一變量模擬。第一步：使儲熱參數(shù)不變，調(diào)節(jié)集熱循環(huán)中的集熱參數(shù)，即集熱啟動溫差和集熱停止溫差，啟動溫差的變化數(shù)值為6C、8C、10C、12C和15C；停止溫差變化的數(shù)值為1C、2C、3C、4C、5C、6C和7C,并把集熱量和儲熱量模擬出來。第二步：使集熱參數(shù)不變，調(diào)節(jié)儲熱循環(huán)中的儲熱參數(shù)，即儲熱循環(huán)啟動時的水箱溫度和儲熱停止溫差。使儲熱啟動溫度的參數(shù)調(diào)節(jié)分別是35C、38C、40C、43C、45C、48C、50C、52C、和55C；使儲熱停止溫差變化數(shù)值分別為1C、2C、3C、4C、5C、6C和7C,最后把集熱量和儲熱量模擬出來。將得到的數(shù)據(jù)分析，從相同條件下不同給定參數(shù)的運行對地溫的影響程度來確定最大限度利用太陽能的優(yōu)選參數(shù)。將模擬和實驗的結(jié)果進行分析驗證，從而得出太陽能輔助地源熱泵非供熱季的參數(shù)控制策略。再將控制策略輸入到建立的模型中，進一步預(yù)測地溫的變化。2太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季簡介2.1節(jié)能樓建筑概況節(jié)能實驗中心(如圖1)位丁天津市北辰區(qū)河北工業(yè)大學(xué)新校區(qū)內(nèi)，地處北緯39.238°,東經(jīng)117.066°,太陽能資源相對來說較為豐富。節(jié)能樓的建筑面積為4953.4m2，高度為22m，分為上下四層，方向為南北偏東20°。實驗中心可用科研實驗研究和教師辦公，特別是可作為建筑節(jié)能、可再生能源等研究的實驗平■臺。節(jié)能樓丁2011年10月投入使用。圖1節(jié)能樓建筑外觀圖2.2太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的組成節(jié)能樓的太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)(Solar-assistedgroundsourceheatpump,簡稱SAGSHP),系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、地埋管換熱器、蓄熱水箱、地源熱泵機組以及集熱水泵、儲熱水泵等組成。而太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)是 SAGSHP的重要組成部分，在非供熱季，地源熱泵機組沒有運行。2.2.1太陽能集熱器如圖2所示，太陽能集熱器陣列位丁屋頂南向斜面，它的傾角為25,方向為南偏東21°。太陽能集熱器的陣列是由54組型號為LPC47-1550的真空管集熱器并聯(lián)而成，結(jié)構(gòu)均為橫雙排，它的采光總面積為280m2。

圖2太陽能集熱器實物照片2.2.2蓄熱水箱如圖3所示，蓄熱水箱位丁太陽能集熱器和地埋管儲熱小井群之間，它不但在冬季的時候會起到供熱緩沖的作用，在夏季的時候還會有調(diào)峰的作用。蓄熱水箱由兩個水箱并聯(lián)組成，每個水箱的尺寸為2mx2.5mx2m,其材質(zhì)為不銹鋼內(nèi)膽，外包有0.5mm加強鋼板，它的壁厚為2mm，底厚為3mm。圖3蓄熱水箱實物照片2.2.3儲熱地埋管小井群如圖4所示，儲熱地埋管小井群配置25口井，回填材料為原漿。鉆孔的深度為50米，間距為2.5米，整體形成一個正方形結(jié)構(gòu)。25個鉆孔分為三組，中心9個為一組，外圍16個分為兩組，每組內(nèi)并聯(lián)，各組問申聯(lián)，使內(nèi)部溫度高而外部溫度低形成不同的溫度梯度，有利丁熱量的蓄積。鉆孔內(nèi)的垂直埋管的管徑為32mm,承壓1.6MPa,其水平支管位丁地下1.6m處。其中儲熱井群的土壤溫度是m-1#、m-2#、m-3#以及m-4#四口井的平均溫度。v-6^i一小v-7ttAv-8#z-L#Z_2n1L甲十m—4亡十十x-6#x-5#己―3尊」一—令寺++m-3*-O7y-4^x-8±±K一4#x-3#T——十令十令■m-2#5v-3#x-9tx-lft°x-2#z-5S」一—h+十今+■-%y-2#y-1#z-8#z_7#z-6#-V—-一一今—*—2511 .瀏j. ―圖4儲熱地埋管小井群水平管示意圖2.3太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季系統(tǒng)的控制過程太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱季系統(tǒng)為太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)的一部分， 在非供熱季通過蓄熱裝置將太陽能儲存到土壤中。太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)分為兩個運行過程，即集熱循環(huán)過程和儲熱循環(huán)過程（如圖3）。集熱過程是達到集熱啟動條件后，向蓄熱水箱蓄熱，經(jīng)過換熱過程后經(jīng)蓄熱水箱集熱出口流回到太陽能集熱器。 當(dāng)小丁設(shè)定的集熱停止溫差時，集熱過程停止。儲熱過程是達到儲熱啟動條件后，從蓄熱水箱向地埋管儲熱，當(dāng)小丁設(shè)定的儲熱停止溫差后，儲熱過程停止。地埋管換焦器［Pl??吁5水泉 擔(dān)?口2由動閥圖3太陽能一地源熱泵系統(tǒng)示意圖3太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的試驗分析根據(jù)畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容的要求，對節(jié)能樓太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)進行了試驗分析，并針對太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)確立了試驗方案，之后對采集到的數(shù)據(jù)進行了分析，最后得出從目前結(jié)果來看的優(yōu)選參數(shù)。3.1試驗過程3.1.1試驗?zāi)康墓?jié)能樓太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)分為供熱季和非供熱季， 本課題主要研究非供熱季的運行情況。在非供熱階段，經(jīng)過供熱季的取熱，小井群的地溫達到最低，而后經(jīng)過太陽能跨季節(jié)儲熱階段，小井群地溫逐漸升高。如圖 4所示，這些數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過儲熱過程，小井群地溫是緩緩上升的。所以研究太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)不同階段的運行策略，有利丁提高太陽能的利用率，同時盡可能的提高地溫，進而提高系統(tǒng)的性能系數(shù)，保證系統(tǒng)的長期運行。32r202013/3/17 2013/5/06 2013/6/2S 2013/8/142013/10/032013/11/22時間圖42013年非供熱季小井群井ml溫度變換曲線3.1.2試驗方案在非供熱季不同階段調(diào)節(jié)運行參數(shù)，分別計算出不同階段的結(jié)果，具體的實施步驟如下。保證儲熱參數(shù)不變，調(diào)節(jié)集熱循環(huán)啟停溫差，得出對應(yīng)工況下每天的集熱量、集熱效率、儲熱量、儲熱效率、泵耗電量以及井群地溫的變化幅度。保證集熱參數(shù)不變，調(diào)節(jié)儲熱循環(huán)啟動溫度、停止溫差，得出對應(yīng)工況下每天的集熱量、集熱效率、儲熱量、儲熱效率、泵耗電量以及井群地溫的變化幅度。根據(jù)1、2得出的結(jié)論針對性的試著同時進行集熱、儲熱參數(shù)的調(diào)節(jié)，得出對應(yīng)工況下每天的集熱量、集熱效率、儲熱量、儲熱效率、泵耗電量以及井群地溫的變化幅度。3.2集熱和儲熱過程的溫度曲線分析在機組運行時，不同運行參數(shù)下的集熱過程和儲熱過程溫度變化曲線是不同的。從實驗中找出有代表性的幾天進行分析。圖 5、6、7分別是3月23日、3月25日、3月27日的集儲熱進出口溫度以及水箱溫度的變化曲線，三天設(shè)置的儲熱啟動溫度分別為50C、55C、40C。對比圖6和圖7,在55C的儲熱啟動溫度下，儲熱沒有啟動，說明設(shè)置的儲熱溫度太高。而在 40C儲熱啟動溫度下，儲熱時間較長，導(dǎo)致泵耗量增加，儲熱溫度設(shè)置過高和過低都是不可取的。 因此，應(yīng)該選擇合適的儲熱啟動溫度。3.2S3.2S集熱、儲熱供回水及水箱溫度隨時間變化曲線3.3.23集熱、儲熱供回水及水箱溫度隨時間變化曲線60集熱供水溫度60集熱供水溫度…集癱回水溫度-水籍混度J—儲熱供水溫度—借熱回水溫度圖5集熱、儲熱供回水及水箱溫度隨時間的變化曲線（ 3月23日）在23日這一天，設(shè)置的運行參數(shù)是集熱啟動溫差10C、集熱停止溫差3C、儲熱啟動溫度50C和儲熱停止溫差5C。由圖5分析得，在9:20集熱循環(huán)過程啟動。在集熱開始后，集熱出口溫度下降，水箱溫度一直上升，這是由丁集熱出口水與水箱進行換熱的作用。在經(jīng)過一段時間后，集熱出口和水箱的換熱基本達到動態(tài)平衡狀態(tài)，集熱出口溫度不再下降。而后，由丁太陽能集熱器集熱的原因，集熱出口的溫度緩慢上升。在11:40左右儲熱循環(huán)開始后，太陽輻射和儲熱的共同作用，集熱出口溫度下降。對丁水箱溫度變化較為簡單，集熱開始，水箱溫度上升；儲熱開始，水箱溫度下降。因此，水箱溫度的設(shè)置對集熱和儲熱過程都有影響。對丁集熱回水溫度，集熱開始后，水箱溫度的上升使得出口水溫上升；儲熱開始后，由丁水箱溫度的下降，集熱回水溫度也會下降。之后，由丁地埋管換熱器與土壤換熱作用的減弱，儲熱回水溫度上升，集熱回水溫度隨之上升。而對丁儲熱出口溫度和儲熱回水溫度，隨著儲熱過程的進行，一個下降一個上升。但是隨著儲熱過程的進行，儲熱出水溫度和回水溫度變化較為緩慢，是因為換熱過程溫度差減小的原因。70T70T一集熱供水溫度"■-集熱回水溫度■水箱溫度◎◎◎◎◎谷點◎◎金◎◎ A就5?&&就00妒"&就冷＜?&%gS心&吏/'&心&心S&3'圖6集熱、儲熱供回水及水箱溫度隨時間的變化曲線（ 3月25日）在25日這一天，設(shè)置的運行參數(shù)是集熱啟動溫差10C、集熱停止溫差3C、儲熱啟動溫度55C和儲熱停止溫差5C。由圖6分析可得，系統(tǒng)只有集熱過程而沒有儲熱過程，等到集熱過程結(jié)束時，水箱溫度仍然沒有達到儲熱啟動溫度，說明儲熱啟動溫度設(shè)置的太高。因此，雖然水箱溫度高有利丁儲熱過程進行，但設(shè)置太高的話，集熱效果較差，達不到儲熱溫度，就有可能不能啟動儲熱。同時，若是只有集熱而沒有儲熱過程的話，水箱的溫度較高，水箱的散熱量增大，造成了不必要的能量浪費表表1不同天集熱量、儲熱量以及儲熱效率的數(shù)據(jù)分析表3?273?27集熬、儲熱供回水溫度隨時間變化曲線60+集熱供水溫度60+集熱供水溫度-■一集熱回水溫度T-水箱溫度r—儲熱供水溫.度T—儲熱回水溫度圖7集熱、儲熱供回水及水箱溫度隨時間的變化曲線（ 3月27日）在27日這一天，設(shè)置的運行參數(shù)是集熱啟動溫差10C、集熱停止溫差3C、儲熱啟動溫度40C和儲熱停止溫差3C。由圖7分析可得，集熱開始后的短時間內(nèi)，儲熱過程就已經(jīng)啟動。說明儲熱啟動溫度設(shè)置較低的話，儲熱過程啟動較早，儲熱過程運行的時間較長，但是泵耗量隨之增加。因此，要仔細權(quán)衡泵耗量和儲熱量之間的關(guān)系，才能得出最佳的儲熱溫度。3.3太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理由丁實際系統(tǒng)在運行時，運行參數(shù)在不斷地調(diào)整，而參數(shù)可能單變量的調(diào)整，也可能多變量的調(diào)整，而分析數(shù)據(jù)時，應(yīng)該對單一變量對結(jié)果的不同進行分析，得出最佳的運行策略。如果觀察地溫的變化，結(jié)果可能不是那么的明顯，因此，可以對集熱效率和儲熱效率進行分析，選出儲熱總效率=集熱效率x儲熱效率最大的參數(shù)作為優(yōu)選參數(shù)。效率的計算公式如下所示：集熱效率=錯誤！未找到引用源。；儲熱效率=錯誤!未找到引用源。按照此方案數(shù)據(jù)處理后，整理的數(shù)據(jù)分析如下表所示：

日期集熱量(kWh)儲熱量(kWh)儲熱效率2015/3/2313089050.65202015/3/2411175930.53092015/3/257472015/3/2611549730.84322015/3/2710336230.60312015/3/289325130.55042015/3/299325830.62552015/3/308805010.56932015/3/312015/4/12015/4/22015/4/314618830.6044表1是針對不同天中，某些天儲熱效率明顯較高的分析。由表分析可得，分析天的儲熱效率在50%-60%之間。在3月23日，3月26日和4月3日時，儲熱效率比較高。特別是在3月26日這一天，儲熱效率達到0.8432,這是因為在這前一天，只有集熱而沒有儲熱，將剩余的熱量保留到第二天，導(dǎo)致蓄熱水箱開始時的溫度較高。因此，較高的初始水箱溫度容易達到儲熱啟動溫度，提早了儲熱啟動的時間，有利丁儲熱過程的進行，進而提高了儲熱效率。表2在相同的集熱啟停參數(shù)為6C、3C以及儲熱停止參數(shù)3C下，不同水箱溫度的集熱量、儲熱量以及儲熱效率的分析如下所示。表表16典型天(10月2日)不同集熱停止溫差下的模擬值控制參數(shù)集熱停止溫差(C)輻射量(kWh)集熱量(kWh)儲熱量(kWh)集熱效率儲熱效率儲熱總效率31749.84833.55468.080.47640.56150.267541749.84813.23467.250.46470.57460.267051749.84813.23427.750.46470.52600.2445分析表中數(shù)據(jù)，當(dāng)集熱溫差為3C時，儲熱總效率最高。表17典型天(10月2日)不同儲熱啟動溫度的模擬值控制參數(shù)儲熱啟動溫度(C)輻射量(kWh)集熱量(kWh)儲熱量(kWh)集熱效率儲熱效率儲熱總效率12/5/5551749.84752.55250.120.43010.33240.1429521749.84765.39360.820.43740.47140.2062501749.84777.81348.800.44450.44840.1993481749.84813.24427.890.46480.52620.2445451749.84813.23427.750.46470.52600.2445431749.84809.79359.050.46280.44340.2052401749.84819.07467.460.46810.57070.2671381749.84819.08467.450.46810.57070.2671351749.84833.42423.880.47630.50860.2422由表分析，隨著水箱溫度的降低，對集熱過程更有利，集熱量逐漸升高，從752.55kWh升高到833.42kWhi在水箱溫度為40C,儲熱總效率為0.2671,儲熱量在水箱溫度35C-55C變化范圍內(nèi)最大。表表18典型天（10月2日）不同儲熱停止溫差的模擬值控制參數(shù)儲熱停止溫差（C）輻射量（kWh）集熱量（kWh）儲熱量（kWh）集熱效率儲熱效率儲熱總效率11749.84812.00480.810.46400.59210.274821749.84812.12477.350.46410.58780.272831749.84812.12479.340.46410.59020.273912/5/4541749.84813.11481.990.46470.59280.275451749.84813.23427.750.46470.52600.244561749.84810.65432.600.46330.53360.247271749.84806.43330.540.46090.40990.1889由表分析，在儲熱停止溫差分別在1C、2C、3C、4C、5C、6C、7C變化時,集熱效率僅在0.4609到0.4647變化，而儲熱效率在溫差為7C時下降較快，其它都能達到50%以上。在溫差為4時儲熱量較高。綜上所述，比較各個參數(shù)，得出末期階段的最優(yōu)控制策略為集熱啟?？刂茀?shù)為12C、3C,儲熱啟停參數(shù)為40C、4C。5.3最佳控制策略及下一步預(yù)測5.3.1最佳運行策略的確定把太陽能跨季節(jié)儲熱非供熱期（從3月25日到10月31日）分為不同的階段，分別得出了不同階段的控制策略。為了分析比較非供熱季的最佳控制策略， 將控制策略分為四種情況。第一種是將初期的控制策略輸入到模型中，模擬整個非供熱季，得出集熱量、儲熱量以及和地溫的變化。第二、三種情況。分別輸入中末期的控制策略并進行分析。第四種情況是將2014年的控制策略（集熱啟動溫差10C、集熱停止溫差3C、儲熱啟動溫度50C、儲熱停止溫差5C）輸入模型進行比較。最后，分階段把控制策略輸入到模型中。最終，將五種情況對比分析，進而得出太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季的運行策略。并將不同情況下模擬的整個儲熱季的集熱量、儲熱量以及最終地溫（儲熱季結(jié)束時的地溫）記錄如下表所示。表19不同情況下模擬的整個儲熱季的總集熱量、總儲熱量以及地溫數(shù)據(jù)分析表不同情況總集熱量（kWh）總儲熱量（kWh））儲熱效率最終地溫（C）情況一1591511218530.765629.79情況二1596011223140.766429.74情況三1598721224340.765829.82情況四1594951221600.765929.75情況五1620631215180.749831.11由表中分析，各情況下的儲熱效率較高。原因有：實際系統(tǒng)在運行水箱會產(chǎn)生熱量損失而導(dǎo)致模擬值較大。另外此表中得到的模擬儲熱量是由水箱儲熱部分輸出的，模擬系統(tǒng)在計算儲熱量時是根據(jù)Q=cmAt累計得到的，其中的溫度差是水箱儲熱出口溫度與地埋管回水之差，水箱儲熱出口溫度與水箱的第一層溫度是相等的。 而在模擬系統(tǒng)中，埋管進口溫度是與第二層水箱相連，所以實際模擬值比軟件輸出值小。由表中可以看出，分階段設(shè)置運行參數(shù)得出最高的溫度是 31.05C,比任何一種使用單一控制策略得到的地溫高。因此分階段的控制策略是最佳的控制策略，綜上所述整個儲熱期的控制策略為：初期集熱啟停運行參數(shù)為為6C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為48C、4C,中期集熱啟停運行參數(shù)為為6C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為40C、4C,末期集熱啟停運行參數(shù)為為12C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為40C、4C。5.3.2非供熱期的預(yù)測模擬由上一節(jié)得到的分階段的最佳運行策略，作為初始的運行參數(shù)輸入到模型中，并對整個非供熱季的地溫、集熱量以及儲熱量進行預(yù)測。非供熱季的預(yù)測土壤溫度隨時間變化曲線T一土壤溫度非供熱季的預(yù)測土壤溫度隨時間變化曲線T一土壤溫度圖172014非供熱季的預(yù)測土壤溫度隨時間變化曲線e制叫饕-H圖20是在初始地溫19C、輸入最佳控制策略的條件下，對整個非供熱季的模擬土壤溫度進行預(yù)測。由圖分析在整個非供熱季中，模擬的土壤溫度是隨著時間的增加而逐漸上升的，從初始地溫19C升高到供熱季結(jié)束時的31.11C,升高了12.11C,計算地溫的升高白分比為（最終地溫-初始地溫）/初始地溫，貝U得到的值為63.74%。在非供熱季初期（從3月25日到4月30日）地溫升高4.43C;中期（從5月1日至U8月31日）地溫升高4.94C，末期（從9月1日到10月31日）地溫升高2.74C,由此可知，非供熱季初期的儲熱效果最好。圖21、圖22是在輸入最佳運行控制策略后模型對整個非供熱季集熱量以及儲熱量的模擬預(yù)測。由圖可知集熱量和儲熱量每月累積量的變化趨勢是基本一致的。 圖中皆顯示在5月份的累計量較其它時間的值較高。在6-10月份的集熱量與儲熱量基本不再變化，這與實際結(jié)果是有偏差的。原因可能是模型中輸入的氣象數(shù)據(jù)不是實測數(shù)據(jù)下的氣象數(shù)據(jù)，還有可能是軟件本身存在一定的誤差導(dǎo)致的。模擬集熱量隨時間變化曲線模擬集熱量隨時間變化曲線■■-集熱量■■-集熱量圖18模擬預(yù)測集熱量隨時間變化曲線模擬儲熱量隨時間變化曲線30000.00T一儲熱量30000.00T一儲熱量圖19預(yù)測模擬儲熱量隨時間變化曲線2/VP0郵芝挈綜上所述，預(yù)測模擬地溫、集熱量和儲熱量的變化，可以為下一步對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，有利丁系統(tǒng)的長期運行。全文總結(jié)結(jié)論針對太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)，通過分析非供熱季階段的采集數(shù)據(jù)，確立了非供熱季試驗研究的方案。對系統(tǒng)集熱循環(huán)和儲熱循環(huán)的溫度變化曲線進行了研究和分析，并對不同控制策略下的集熱量、儲熱量、集熱效率和儲熱效率進行分析比較，實驗結(jié)果給仿真模擬在一定程度上提供了驗證和參考對比作用。建立了太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)非供熱季的TRNSYS16仿真模型，用實測氣象條件下的典型天進行模擬驗證，并與實驗條件下的溫度曲線、集熱量、儲熱量進行比較。得出集熱量的相對誤差為4.29%,儲熱量的相對誤差8.08%,相對誤差在10%之內(nèi)，溫度曲線符合也較好，因此模型驗證較為成功。分階段討論典型天的運行策略，經(jīng)過分析比較得出非供熱季分階段的控制策略比單獨使用一種控制策略更優(yōu)。所以系統(tǒng)的最佳運行參數(shù)為：初期集熱啟停運行參數(shù)為為6C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為48C、4C,中期集熱啟停運行參數(shù)為為6C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為40C、4C,末期集熱啟停運行參數(shù)為為12C、3C,儲熱啟停運行參數(shù)為40C、4C。工作展望在進行模擬與實驗誤差分析時，文中只是給出了模擬的集熱量、儲熱量與實驗值的誤差原因，但是并沒有具體分析誤差的組成成分。在模型驗證時，集熱的啟動控制策略與實際有一定的差別，今后可對其進行進一步的優(yōu)化，使得集熱過程的啟停與實際系統(tǒng)的運行更加接近。本文的目的是尋找太陽能跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的非供熱季的最佳控制策略，文中的階段劃分不夠精細，可進一步細化非供熱季，選擇更多的典型天進行模擬，從而得出整個非供熱季的最優(yōu)參數(shù)，從而提高跨季