《ENERGY AND BUILDINGS》：Numerical and experimental validation of an indirect solar water-heating system with TRNSYS-based parametric analysis under Moroccan Mediterranean climate
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Fadoua Ghatoui | Said Kardellass | Najma Laaroussi | Lahoucine Ouhsaine | Abdellah Bah摩洛哥拉巴特穆罕默德五世大学，热能与能源研究团队，国家高等艺术与工艺学院，邮编6207，拉巴特摘要本文提出了
Fadoua Ghatoui | Said Kardellass | Najma Laaroussi | Lahoucine Ouhsaine | Abdellah Bah
摩洛哥拉巴特穆罕默德五世大学，热能与能源研究团队，国家高等艺术与工艺学院，邮编6207，拉巴特
摘要
本文提出了一种经过验证的间接太阳能热水系统模型，该系统采用平板集热器，在地中海气候条件下运行，并使用TRNSYS（瞬态系统模拟）软件进行仿真。该系统仅利用太阳能进行热水加热，无需辅助电力输入。系统包括一个2.25平方米的平板集热器和一个200升的储水罐。通过对比实测数据和模型预测数据，发现误差系数较低，分别为：集热器出口温度7.58%，负载温度5.53%，供热量7.15%。进一步分析显示，集热器和储水罐出口温度分别略有低估（-2.65%和3.43%），而供热量略微高估（2.90%）。集热器出口温度和负载温度的均方根误差（RMSE）分别为3.56°C和3.70°C，这证实了所开发模型在预测实际系统性能方面的可靠性。通过对关键运行参数（如质量流速、取水剖面和集热器倾角）进行参数分析，发现增加质量流速可以提高热性能；在研究的离散运行场景中，变化质量流速策略表现最佳，这归因于其更好的动态响应。虽然太阳照射时的取水性能更优，但日均用水模式是更优选的配置，因为它既能满足需求又能保持热分层并确保稳定的能源供应。在研究条件下，集热器倾角的影响较小。
引言
家庭热水（DHW）的脱碳是全球应对气候变化战略的关键支柱，因为建筑相关能源消耗中很大一部分用于热水加热。太阳能热水（SWH）系统提供了一种技术成熟且可扩展的解决方案，可以有效满足住宅和工业领域的热水需求[1][2][3][4]。这一趋势体现在该行业的强劲增长上：全球安装容量从2010年初的160吉瓦（GW）增长到2024年底的544吉瓦[5][6]。对于像摩洛哥这样光照条件极佳的国家来说，大规模部署SWH系统具有双重意义：既能减少家庭能源开支，又能为国家可持续性目标做出重大贡献，有望减少高达75%的温室气体排放[7]。
尽管平板集热器（FPC）仍是住宅太阳能热应用的基石，但其广泛应用仍需克服气候适应性、性能优化和成本效益三大挑战。传统基线FPC的热效率通常在45-60%之间[8]。然而，最新研究表明，通过先进的光学和几何设计，性能上限正在被重新定义：黑色铬涂层结合集成反射器的应用将峰值效率提升至89%[9]；螺旋管设计和间歇性多孔金属泡沫则提高了热效率和能量利用效率，同时减少了材料用量并优化了压力损失[10][11][12]。此外，混合纳米流体和优化热交换器配置的应用进一步提升了传热率和整体集热器效率[13][14][15]。
尽管在设计和材料方面取得了进展，但将这些实验室成果转化为实际应用时常受到高昂的资本支出和制造复杂性的阻碍。因此，高保真计算建模成为在真实动态运行条件下快速评估和优化SWH系统的 indispensable 工具。TRNSYS已成为该领域的标准平台，其有效性已得到充分验证——例如Ayompe等人的研究表明，TRNSYS在预测FPC系统的出口温度和供热量方面与实测数据高度一致[16]。最近的长期分析进一步证实了TRNSYS捕捉季节性性能变化的能力，使其成为参数敏感性分析的强大工具[17]。这些发现凸显了TRNSYS在参数敏感性分析中的优势，有助于精确调整关键变量（如质量流速、集热器方向和需求侧取水模式），从而最大化系统性能。
尽管有大量基于TRNSYS的研究，但仍存在一个显著不足：缺乏针对摩洛哥地中海独特气候条件下间接平板SWH系统的实验验证模型。现有研究也很少综合考虑质量流控制、取水剖面和集热器倾角等关键参数之间的耦合影响。本研究直接填补了这一空白。其主要创新在于在真实摩洛哥地中海气候条件下对间接平板太阳能热水系统进行了实验验证，并结合TRNSYS进行了多参数分析（不仅关注系统热效率最大化，还考虑了系统的整体热行为及其对不同热水需求的响应）。本研究的目标是建立基于TRNSYS的强制循环太阳能热水系统仿真模型，并通过详细实验数据验证其性能。一旦得到验证，该模型将成为在不同气候和运行条件下滑性能评估的可靠工具，同时为系统分析和不同设计配置的评估提供有力支持，从而提升整体热性能。
章节片段
系统数学建模
平板太阳能集热器中的传热过程数学建模重点关注集热器各部件的详细热行为。系统通常由多个相互连接的组件构成，包括玻璃盖、吸热板、热传导管道网络、工作流体和绝缘层。整体热性能还受集热器翅片效率因子和吸热效率因子等关键参数的影响。
实验装置
在地中海气候条件下，太阳能热水（SWH）系统通常使用平板集热器与储水罐结合。在本研究中，实验用集热器安装在萨拉技术学院（摩洛哥）附近的平坦开阔场地（纬度：34°2′0″N；经度：6°50′0″W；海拔：62米）。集热器朝南倾斜34.05°，并通过两个可调旋钮进行调节以适应当地纬度。
所用组件
为了评估不同运行条件、配置和材料的太阳能热水器性能，研究人员传统上依赖大量实验测试。然而，这些测试往往成本高昂且耗时，尤其是对于长期性能评估。在这种情况下，TRNSYS和ANSYS Fluent等仿真工具提供了经济高效且可靠的替代方案。TRNSYS的预测误差通常在2%以内[...
使用Ayompe模型的验证
为确保TRNSYS 18模型在本研究特定运行条件下的准确性，采用了Ayompe等人的基准系统进行验证[16]。他们的研究详细分析了爱尔兰都柏林安装的间接平板太阳能热水系统的实验和TRNSYS仿真结果。本研究中采用了Ayompe报告的相同系统配置和输入参数。
结论
利用13天的实验数据，开发并验证了一个基于TRNSYS的间接太阳能热水器模型。该模型具有较高的预测精度：集热器出口温度的平均绝对误差为7.58%，储水罐出口温度为5.53%，供热量为7.15%；集热器出口温度和储水罐出口温度的均方根误差分别为3.56°C和3.70°C。这些结果证实了...
CRediT作者贡献声明
Fadoua Ghatoui：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、督导、软件选择、方法论制定、数据分析、概念构思。Said Kardellass：撰写——审稿与编辑、督导。Najma Laaroussi：撰写——审稿与编辑、督导。Lahoucine Ouhsaine：撰写——审稿与编辑、督导。Abdellah Bah：撰写——审稿与编辑、督导。
作者声明本人不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。
