新型鋁排管太陽能熱水系統仿真研究

魏毅立，郭靜軒

（內蒙古科技大學內蒙古自治區光熱與風能發電重點實驗室，內蒙古包頭014010）

0 引 言

近年來，隨著經濟的高速發展，大中小企業的運行排放及城鎮鄉村的生活排放越來越多對于環境的污染也越來越嚴重，盡管采取了很多措施，但產生的影響是很難消除的。提高清潔能源的利用，降低污染排放，這對改善環境質量至關重要［1-2］。

相比于傳統能源來講，太陽能可以說是取之不盡用之不竭的清潔能源。現在太陽能的利用也比較普遍，比如太陽能發電、太陽能供暖、太陽能熱水器等。太陽能等清潔能源的利用，不僅可以改善環境污染問題，還可以實現節能減排［3］。

在可行范圍內對于需要的能源進行能源代替或能源互補利用，可以在一定程度上減少對環境的影響［4］。太陽能熱水的使用就是一種能源代替的方式。不僅可以摒棄傳統生活中對于供暖以及生活熱水的單一能源依靠，還可以降低生活成本，提高生活質量。

目前政策也在大力引導新能源的使用，如煤改電的大力推行，山東對太陽能工業熱利用系統（Solar Heat Industrial Processes，SHIP）的資助，甘肅3 億元對采暖問題的重視等多省市政策的指導，都在加強對新能源的重視。

本文以太陽能熱水系統為例，利用Trnsys 軟件對太陽能在現代應用中的優勢進行分析，并以包頭市的氣象條件為例，對鋁排管平板集熱器在太陽能熱水系統中的應用進行研究，以提升對太陽能的開發利用，提高能源利用率，在降低運行成本的前提下提升居民的生活質量。

1 太陽能熱水系統

1.1 太陽能熱水系統理論基礎

甘肅、寧夏、內蒙古、西藏地區為太陽能輻射量級一區，年總輻射量高達5 900 ～8 000 MJ/m2，按國家標準來計算，這些輻射量相當于201.6 ～273.41 kg 的標準煤發熱量，此輻照量是完全滿足熱水供應需求的［5］。此外，高海拔地區的輻照度往往處于高量級地區，但供暖以及熱水供應大多數依靠鍋爐集中供應，或者單用戶依靠傳統能源或電能來獲取，這種方式不僅造成能源浪費，還會對生活環境造成影響［6］。

1.2 太陽能熱水系統構成

太陽能熱水系統主要由集熱器、水箱、水泵、控制器組成［7］。具體結構如圖1 所示。

圖1 太陽能熱水系統

集熱器［8-9］主要作為蒸發器，吸收環境中的輻射能，包括直射輻射、散射輻射、地面輻射與空氣能等來給工質加熱，利用水泵進行強制循環，經蓄熱水箱換熱，將水加熱到設定溫度以上，利用水泵將熱水供給末端設備。蓄熱水箱具有輔助加熱功能，以解決因輻照度不充足時集熱器出水溫度過低造成的供水溫度無法滿足要求的問題。

2 太陽能熱水系統設計

2.1 太陽能集熱器

本文分析中采用的鋁排管平板集熱器，是一種新型的蒸發器，集熱效率相比普通的平板集熱器可提高43%。主要組成材料為鋁，其吸熱量可達到900 kJ/（h·m·K），并具有良好的延展性。在所涉及的實際供暖項目中均使用該類型集熱器，圖2 所示為該集熱器單管結構圖。

圖2 集熱器單管結構

鋁排管平板集熱器由圖2 所示的單管組合而成。管道內徑為21 mm，外徑為25 mm，壁厚2 mm，翅片厚1 mm，管道與翅片連接為一體組成單管，單管總寬度為150 mm。單管與單管之間由相同材料的彎管連接而成，也就是U型管。鋁排管集熱器剖面圖與俯視圖分別如圖3、4 所示。

圖3 集熱器剖面圖

圖4 集熱器俯視圖

圖3、4 給出了鋁排管集熱器的結構組成，其實物如圖5 所示。

2.2 參數設計

（1）設計要求。本系統以滿足包頭地區農戶熱水用量為要求，在符合國家標準的前提下，依據家庭用水量為前提，按分時段熱水供應量為設計目標，其分時段用熱水量見表1。由表1 可知全天總用水量為2. 6 m3，為保證用水量充足取為3 m3。

圖5 鋁排管平板集熱器

表1 分時段用熱水量

（2）集熱器設計。集熱器日產熱水量即為3 m3，集熱器的介質是水，根據下式可計算出直接系統的集熱面積［10］：

式中：AC為直接系統集熱器集熱面積，m2；Qw為日產熱水量，此為3 m3；Cw為水的比熱，4. 187 kJ/（kg·℃）；tto為蓄熱水箱出水設定溫度，此為60 ℃；ti為入水口的初始水溫，此為15 ℃；f為太陽能保證率，此為0.6；JT為集熱器表面全年日均輻照值，此為20 kJ/m2；ηcd為集熱器集熱效率，此為0.85；ηL為管路及蓄熱水箱熱損率，為保證與trnsys系統計算規律一致，此為0.2。

將數據代入式（1）計算可得，直接系統的集熱面積為25.2 m2，該系統采用的是間接系統，間接系統面積計算如下［11］。

式中：Ain為間接系統集熱面積，m2；Ac為直接系統集熱面積，m2；UL為集熱器總熱損系數，此為5 W/（m2/℃）；Uhx為蓄熱水箱換熱傳熱系數，此為2 kW/（m2·℃-1）；Ahx為間接系統換熱面積，此為0.5 m2。可以得到間接系統集熱面積為28. 3 m2，實際取值29 m2。

（3）蓄熱水箱設計。蓄熱水箱［12］采用帶有電輔助加熱的容積式水箱，在滿足熱水供應的同時，還可以保證在水箱內部的水量有一定余量。設計日熱水供應量為3m3，還應將水箱內部換熱面積，電輔助加熱面積計算在內，還有在太陽輻射不充足的情況下，要保證第2 天的熱水供應滿足要求，在此基礎上，將水箱容積設定為6 m3。

3 Trnsys建模

3.1 集熱器建模

根據鋁排管平板集熱器各項參數與集熱面積設計參數，在trnsys軟件中選擇type565 作為該集熱器的模型進行參數設置。

集熱器設計面積29 m2，長度6.5 m，寬4.5 m，而支撐架與集熱器U型管需要留有大約5 ～10 cm 的余量距離，考慮到占地面積與承重因素，在此取為5 cm。在集熱器參數設置中，第1 項集熱器長度為介質流向的長度，與集熱器實際運行狀態保持一致，設定值為6.6 m。集熱器寬度在保證余量距離的情況下設定為4.6 m。集熱器傾角通過包頭經緯度計算取值為58°，集熱器鋁排管長度、鋁排管內外徑，翅片厚度，材料吸熱量等參數如圖6 所示。

圖6 集熱器參數設置

3.2 蓄熱水箱建模

蓄熱水箱采用的是帶有電輔助加熱的容積式水箱，在trnsys中選用type4 模塊，可以將水箱進行分層分析，其示意如圖7 所示。

圖7 水箱分層圖

自上而下分別是第1 ～ 6 層［13］。第1 層是極熱層，是集熱器出口介質的入口處，也是負荷側熱水出口。第6 層是熱源側回水出口，也是冷水的入口處［14］。

水箱體積參數值如圖8 中序號2，設定為6 m3。每層高度0.3 m。水箱內輔助加熱裝置工質比熱容、水箱熱損失系數、水箱內液體密度等參數設置如圖8所示。

圖8 水箱參數設置

3.3 系統建模

利用Trnsys強大的瞬態分析功能，對太陽能熱水系統進行整體建模分析，集熱器和水箱的部件建模以及參數設置見圖6 ～8，其余部件的選型見表2。

表2 部件類型圖

根據表1 進行全天用水量建模，利用type14b 進行建模，10 倍用水量建模結果如圖9 所示。

圖9 用水量建模

為了更清晰的對用水量進行建模展示，圖9 是根據表1 用水量，放大10 倍后的結果。在以上部件建模基礎上，對太陽能熱水系統進行整體建模分析，其整體建模仿真圖如圖10 所示。

圖10 系統建模

圖10 中：type23 是PID 控制器，type110 為變速泵，控制方式選用PI 控制，水泵的額定功率為0. 1 kW。當集熱器出口溫度比蓄熱水箱熱源側回水溫度高10 ℃以上的時間內，type110 水泵處于開啟狀態。當集熱器出口溫度與蓄熱水箱熱源側回水溫度差值在2 ℃以內，type110 處于關閉狀態。該運行狀態的判斷是在equation 內進行的，由equation 對type23 輸出0或1 信號來進行type110 的啟停控制。

Type110 的流量控制是由type23 控制器進行控制的。集熱器出口溫度在控制系統中是控制變量，參考變量是蓄熱水箱熱源側回水溫度值的基礎上高出10 ℃。兩者誤差經過PI 控制器后輸出作用于type110的控制量。在不同控制量的作用下實現變速泵的變流量［15-16］運行。

3.4 結果分析

太陽能熱水系統的主要目的是為用戶提供全年的熱水用量，滿足每天的熱水供應需求。實現滿足熱水供應需求的最直接表現為在氣溫較高的季節內，可以最低的輔助加熱功耗，甚至無加熱功耗的工況運行。在寒冷季節時間段內，盡可能地減少輔助加熱功耗，將運行成本降到最低。以包頭市天氣條件為例，進行太陽能熱水系統的運行仿真。

包頭市全年的環境溫度如圖11 所示。

圖11 包市全年環境溫度

圖11 中，底部時間段為全年時間，以小時為單位。其中trnsys軟件中的時間設置為1 月份共31 天，時間為0 ～744 h。2 月份共28 天，時間段為744 ～1 416 h。后續月份時間段的設定也是相同的設定模式。由圖11 可見，環境溫度相對較高的時間段出現在5 月底到9 月初的時間，也就是3 260 ～5 995 h的時間段內。在這段時間的太陽能熱水系統運行工況如圖12 所示。

圖12 水箱頂部出水溫度

將水箱出口溫度值設定為60 ℃。在5 月底到9月初的時間段內，水箱頂部出水溫度總體在70 ℃左右，在該時間段內，只有4 天時間水箱出水溫度沒達到60 ℃，需要進行輔助加熱。另外，在該時間段前后的過渡季，由于氣溫以及輻射量的改變，有幾天的出水溫度也沒有達到要求。經過在圖中時間段的測算，前過渡季在3 260 ～3 300 h 時間內，大約為1.6 天的時間沒有達到出水要求。后過渡季在5 892 ～5 960 h時間內，大約有2.8 天沒有達到要求。該時間段內的耗電量如圖13 所示。

圖13 耗電量

在包頭市氣象條件下，總體4 個月的較高溫度時間內，有8 天時間需要進行輔助加熱，在此期間水泵和水箱的運行耗電量如圖13 所示。水泵運行其耗電量僅為43.52 kW·h。水箱運行耗電量為124.6 kW·h。用戶側出水溫度如圖14 所示。

圖14 用戶側出水溫度

冷水補水溫度設定為15 ℃，用戶側出水溫度均在45 ℃以上，并且出水溫度平均值在60 ℃以上，滿足國家標準與用戶需求。

較冷季節時間段的運行仿真，在trnsys 軟件中的時間設置變為5 995 ～12 020 h。該段時間的運行結果如圖15 ～17 所示。

圖15 水箱出水溫度

在9 月到次年5 月的水箱運行結果來看，在過渡季的時間段內，出水溫度受太陽輻射和氣溫影響，出水溫度較高，相比12 月和1 月時間段內，出水溫度達到60 ℃以上的時間相對較多，通過輔助加熱來維持出水溫度的時間也相對較少。在12 月和1 月時間段內，水箱出水溫度基本需要輔助加熱來維持。

圖16 冷季耗電量

圖17 冷季用戶側出水溫度

冷季耗電量相對于熱季有明顯增大，水箱運行耗電量為3 299 kW·h，水泵運行耗電量為47.62 kW·h。其中一個原因是供應熱水的周期增長，另一個重要原因就是相比于熱季的太陽輻射量和氣溫下降導致系統強制循環下的自然吸熱量減少與換熱量的不足，輔助加熱量的明顯增多而增加的耗電量。

從圖17 可以看出，冷季用戶側的出水溫度受換熱量的影響，出口平均溫度大幅降低，但依靠輔助加熱的效果，用戶側出水溫度仍然在45 ℃以上，滿足國家要求。

從經濟型分析，設備全年耗電量見表3。

表3 全年耗電量

由表3 可以計算出，水泵與蓄熱水箱的全年耗電量總計3 514.74 kW·h。

由太陽能熱水系統供給用戶側的全年熱量分布如圖18 所示。

圖18 用戶得熱量

供給用戶側全年熱量總計67 238 MJ，按標準煤供熱量計算，1 kg標準煤可以提供7 000 大卡的熱量，相當于29.26 MJ。可以認為，供給用戶側的全年熱量相當于2 298 kg 標準煤的發熱量。按煤炭時令價1 500元/t計算，全年需要3 450 元的投入。

設備全年耗電量3 514.74 kW·h。按照包頭市居民用電梯層電價收費標準，170 度以下為0.43 元/（kW·h），大于第1 梯層用電量且低于260 kW·h 的為0.48 元/（kW·h），用電量大于第二梯層的為0.73元/（kW·h）。全年用電所需費用為2 492.26 元。在供給相同熱量的前提下，太陽能熱水系統比傳統能源的使用費用減少了957.74 元，相比傳統能源使用費用降低了38.4%。同時在便利性與生活覆蓋面方面來說，比使用傳統能源可以提高很多，并且大大降低對環境的污染。

4 結 語

本文給出了太陽能熱水系統的構成，并結合實際項目中應用的鋁排管平板集熱器對太陽能熱水系統進行了新的設計。對于鋁排管平板集熱器給出了詳細的組成結構與設計參數，利用trnsys 軟件進行太陽能熱水系統的仿真。以包頭市氣象條件為例，家庭熱水供應為主要目的進行了分時段用水量、集熱器面積、蓄熱水箱體積的具體參數設計，在trnsys 軟件中進行整體仿真，對水箱頂部出口水溫、用戶側出口水溫與耗電量進行了詳細分析，該系統可以滿足國家要求與用戶需求，并向用戶提供全年熱水，提高用戶生活質量。對于全年耗電量與用戶得熱量方向來看，相比于傳統能源的使用成本低、便利，可大大減少環境污染。