戶用太陽能熱水系統集熱器最優安裝傾角的TRNSYS模擬分析

珠海興業新能源科技有限公司 ■ 姚莉 余國保 張玲

華南理工大學 ■ 黃光漢

0 引言

太陽能熱水系統中集熱器的安裝角度對集熱效果有著至關重要的影響，理論上當集熱器集熱面始終與太陽光入射角垂直時，集熱系統的集熱效果最佳，集熱量最大。但在實際工程中，集熱器的安裝傾角一定，并且系統的儲熱能力一定，因此需考慮整年太陽能輻照分布，選取最佳安裝傾角。早在上世紀80年代，唐潤生等[1]對全國集熱器的最佳安裝角度進行了計算歸納，近期關于最佳安裝傾角的研究仍在繼續；馬江燕[2]對我國典型氣象年下的10個城市正南方位斜面上的太陽日輻射總量進行分析，并分析了最佳傾角的變化特點及最佳傾角的影響因素；李華山[3]對烏魯木齊地區的集熱器最佳傾角進行了計算分析；何世鈞等[4]以上海臨港地區為例進行太陽能最大利用傾角的計算機仿真與實驗；楊慶[5]在考慮熱水負荷情況下用計算機以蘭州地區為例進行了模擬計算，得出最佳傾角。本文在華南地區(以廣州典型氣象年的氣象數據為基礎)的氣候條件下，采用TRNSYS模擬軟件，以常用戶用太陽能熱水系統配置為基準，模擬不同方位和不同安裝傾角的系統全年集熱效率、集熱量，以此給出華南地區的安裝角度推薦值。

1 模擬系統介紹

1.1 熱水系統配置

本文模擬針對常用家用系統的配置，即強制循環的2 m2集熱器+150 L水箱組合，其中集熱器采用珠海某太陽能公司生產的平板集熱器，瞬時效率截距為0.7214，總熱損系數為5.25 W/(m2·K)，水箱采用150 L保溫水箱，安裝傾角為集熱器與水平面的夾角。

1.2 建立系統TRNSYS模型

根據以上熱水系統配置，利用TRNSYS模擬軟件建立系統模型，如圖1所示。

圖1 戶用熱水系統的TRNSYS 模型

模擬系統的控制邏輯與實際系統相同，即集熱器進出口溫差達到10 ℃時，集熱循環啟動，低于2 ℃停止。另外假定每天18∶00～22∶00用戶用盡當天所得熱水，向水箱補充冷水，第二天系統以自來水溫度開始集熱。

1.3 模型驗證

用實驗室實驗平臺實際測試的數據，包括集熱面輻照度、環境溫度、集熱器入口溫度、集熱循環流量等，驗證模擬集熱器的出口溫度與實測值誤差，結果見表1。

由表1可知，TRNSYS模擬的進出口溫差與實測進出口溫差誤差百分比均在10%以內，認為該模型的模擬值可信度較高。

表1 軟件模型驗證

2 模擬結果

采用上述建立的系統模型對該系統進行全年運行效果的模擬，系統每日集熱量計算式為：

式中：c為水比熱容，kJ/(kg·℃)；m為水箱內水的質量，kg；Δt為每日水箱內水的溫升，℃。

不同方向的模擬結果見表2～5，需要注意的是，表中加粗部分分別為該方位年輻照量、年集熱量及年集熱效率最佳傾角。

2.1 東向分析

由表2可知，當集熱器朝向為東向時，集熱面上的輻照量隨著集熱器傾角的增大而減少，而集熱效率的變化趨勢與此不同，當集熱器傾角為20°時，集熱系統集熱效率最高。

表2 集熱器方位朝正東時不同傾角下的全年集熱效果

2.2 西向分析

由表3可知，當集熱器安裝方位為西向時，集熱器集熱面上的輻照量及集熱效率的變化趨勢與東向相似，都是傾角越大輻照量越少，但是集熱效率先升后降，在25°時最高。

表3 集熱器方位朝正西時不同傾角下的全年集熱效果

2.3 南向分析

由表4可知，當集熱器的安裝方位為南向時，輻照量、集熱量、集熱效率都隨著傾角的變化呈先增后減趨勢。當傾角為20°時，輻照量達到最大；當傾角為25°時，集熱量達到最大。但集熱效率在35°時最高，這說明在傾角小于35°的情況下，南向輻照量大于熱水系統的集熱能力，使其效率未能達到最大。

表4 集熱器方位朝正南時不同傾角下的全年集熱效果

2.4 北向分析

由表5可知，當集熱器的安裝方位為北向時，集熱面的輻照量隨傾角的增加而減少，集熱效率也隨著下降，說明對于北向，廣州地區的輻照量小于系統的集熱能力。

表5 集熱器方位朝正北時不同傾角下的全年集熱效果

3 結論

1)由模擬結果可知，在廣州地區輻照量最優傾角為南向20°，集熱量最優傾角為南向25°，集熱效率最優傾角為南向35°。

2)在東、西及北向，各傾角斜面上的輻照量隨著傾角的增加而減少，總集熱量也隨著傾角的增加而減少。

3)在南向，各傾角斜面上的輻照量最大為20°，集熱量最大為25°，集熱效率最大為35°。

4)集熱系統的集熱效率并不完全隨輻照量的增加而增加，這與系統水箱的熱容量、環境溫度、輻照量的年分布及日分布情況有關。

5)對于用戶而言，太陽能熱水系統最重要的是回收期(不大于7年)，對系統而言，最重要的因素是集熱量而不是集熱效率，經計算，當用戶的回收期約為7年時，系統的年集熱量約為2000 MJ/m2，因此戶用太陽能熱水系統在廣州地區安裝的推薦傾角值見表6。

表6 戶用太陽能熱水系統屋頂安裝傾角推薦值

[1] 唐潤山, 呂恩萊. 集熱器最佳傾角的選擇[J]. 太陽能學報,1988, 9(4): 369－375.

[2] 馬江燕. 典型氣象年下我國正南安裝的太陽能集熱器最佳傾角的計算與分析[J]. 鐵道建筑技術, 2012, (4): 110－113, 123.

[3] 李華山. 烏魯木齊地區太陽能集熱器最佳傾角計算[J]. 太陽能, 2008, (10): 51－53.

[4] 何世鈞, 張雨, 周文君. 太陽能熱水系統集熱器最佳傾角的確定[J]. 太陽能學報, 2012, 33(6): 922－927.

[5] 楊慶. 考慮熱負荷的太陽能熱水系統集熱器最佳傾角確定[J]. 太陽能學報, 2007, 28(3): 309－313.