典型氣候地區太陽能熱水系統動態性能模擬

邱嘉玲，曹 飛，朱雨健

(河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022)

太陽能熱水系統是使用集熱器吸收來自太陽的熱量并熱傳遞到工質(水)上，使得吸收的熱量用于加熱水的一種裝置[1]。該系統由太陽能收集器、熱水儲罐、連接管、水泵、輔助熱源和其他設備(例如溫差控制器，電磁閥等)組成，如圖1所示。因該系統結構簡易，運行控制方便，建設成本低，得到較廣泛的推廣研究和使用。趙文君采用模擬和實驗的方法，研究了并聯太陽能熱泵熱水系統的運行性能[2]。陳紅兵通過軟件模擬和實驗測試，研究了人均用水量對集中式太陽能熱水系統性能的影響[3]。曹飛等設計了一種西安地區的太陽能熱水系統，并模擬研究了系統的成本效率[4]。Kutlu等提出通過控制相變材料的放熱時間來提高能量效率[5]。Abdelghani-Idrissi等[6]分析了帶有太陽能跟蹤器的太陽能熱水系統的熱效率。周偉和張小松[7-8]設計了一種采用新型微細通道技術的集熱器/蒸發器，分析了不同工況條件下集熱器的性能，驗證了建立的數學模型的正確性和計算方法的可行性。姜楠以武漢為例對太陽能熱水系統評估方法進行研究，建立了一種全新的太陽能利用潛力評估體系以及方法[9]。現有研究大多針對單一規模的太陽能熱水系統進行研究，沒有針對不同典型氣象地區不同規模的太陽能熱水系統進行分析。鑒于此，本文研究不同氣候地區三種規模太陽能熱水系統性能。首先，以90人、300人、900人為單位分別設計三種太陽能熱水系統；而后，利用TRNSYS軟件進行模擬；最后，對比分析幾個典型地區氣候下三種系統的適用性。

圖1 太陽能熱水系統結構圖

1 太陽能熱水系統的設計

1.1 設計工程概況

本文研究的地區位于上海地區，冬季最低氣溫一般高于0 ℃，系統方案采用太陽能輔助電加熱器，太陽能優先供熱；太陽能熱水系統采用直流恒溫放熱熱水系統，可以滿足全天候對于熱水的需求，避免了傳統家用熱水器在雨天熱水溫度達不到使用標準，日照不足的缺點；管道防凍液采用冬季恒溫防凍液，具有循環功能的溫控系統，可防止管道在冬季極寒天氣結冰；熱水回水末端裝有根據管道自動控制的電磁閥。電磁閥將在管道整體溫度低于60 ℃時自動開啟，當熱水的循環使得管道水溫和水箱水溫達到相同溫度時，電磁閥將會自動關閉。

1.2 系統選型

本文研究的上海地區水硬度不高于150 mg/L可以采用直接加熱系統。此外因研究的低層建筑需要全天供水，所以選取強制循環系統。即本文的加熱系統選擇強制循環直接加熱系統。目前國內的太陽能集熱器類型主要有平板太陽集熱器、全玻璃真空管集熱器和熱管式真空管集熱器。其中平板太陽集熱器相較于另外兩者，其抗機械沖擊的性能比較好，熱效率較高，造價低，在市場上被普遍使用，在本研究中可以滿足上海地區的使用需求。因此本文的集熱器選用平板集熱器。

1.3 系統設計

太陽能熱水系統每小時加熱熱水所需的熱量為

(1)

式中：Qh為每小時加熱熱水所需的熱量,W；m為用水人數；qr為每日人均熱水消耗量,L；c為設計溫度下水的比熱容,J/(kg·℃)；tr為熱水溫度,℃；tl為冷水溫度,℃；r為系統中熱水的密度,g/cm3；kh為小時變化系數。

太陽能熱水系統每小時加熱熱水的流量為

(2)

式中：qrh為每小時加熱熱水的流量,L/h；Qh為每小時加熱熱水所需的熱量,W；tr為熱水溫度,℃；tl為冷水溫度,℃；r為系統中熱水的密度,g/cm3。

由于熱量損失系統每小時需要補充的熱水體積為

(3)

式中：qx為全日供應熱水的循環流量,L/h；Qs為配水管道的熱量損失，取每小時耗熱量的5%；Δt為配水管道的溫差,℃。

當住宅內衛生器具給水當量在系統中的用水量達到最大時，平均出流概率為

(4)

式中：U0為衛生器具給水當量在系統中的用水量達到最大時的平均出流概率；qr為最高熱水用水定額,L；m為用水人數；kh為小時變化系數；Ng為住宅內衛生器具給水當量的總數；T為用水時數,h。

為保證滿足用水量需求，設計水箱容量應取4個最大小時用水量，即水箱的有效容積為

Vk=4qrh

(5)

式中：Vk為水箱的有效容積,L；qrh為每小時加熱熱水的體積,L。

系統集熱器的總面積為

(6)

式中:Ac為直接加熱系統太陽能集熱板所需的集熱面積,m2；Qr為日均用水量；tr為熱水溫度，℃；tl為冷水溫度，℃；f為太陽保證率；JT為太陽能集熱器傾斜采光面的全年平均太陽輻照量；ηcd為太陽能集熱器的全年平均集熱效率；ηL為儲熱水箱和配水管道中的熱損失率。

在不滿足建筑設計條件，規劃不被允許時，或者現有安裝太陽能集熱器的建筑圍護結構的朝向角和傾斜角不在一定的方位角和傾斜角合理范圍內時，可以通過增大集熱器的面積的方法來補償這部分面積。采光面積的補償值為

AB=AS/RB

(7)

式中：AB為實際需要的集熱器面積,m2；AS為理論計算的集熱器面積,m2；RB為補償前后面積的比值。

根據以上計算公式和附表2的參量，可以獲得分布式太陽能熱水系統、小型集中式太陽能熱水系統和集中式太陽能熱水系統的設計參數。如附錄所示。

2 仿真模型的建立

圖2為太陽能熱水系統的TRNSYS模型。根據本系統所需要的部件，選取Type1b(平板式集熱器)、Type3b(水泵)、Type4a(蓄熱水箱)、Type6(輔助加熱器)、Type2b(溫度控制器)、Type15-6(氣象數據讀取和處理)、Type14(時間表控制函數)、Type65d(在線繪圖儀)、Equation(方程式)、Type11(分流器)。

圖2 TRNSYS模擬系統模型

3 結果與分析

3.1 評價指標

太陽能熱水系統的主要評價指標為太陽能保證率，其計算公式為

式中：Qload為系統運行時所需要的全部熱量，W；Qaux為輔助熱源提供的熱量，W。

3.2 上海地區的不同太陽能熱水系統模擬分析

圖3為不同熱水系統的全年水溫分布圖。

圖3 不同熱水系統的全年水溫分布圖

由圖3可見，小型集中式系統的水溫最高，集中式系統的水溫最低。原因是集中式系統的水箱體積較大，管道的長度較長，整個過程中，能量損失較大。分布式系統結構緊湊，但是由于傳熱面積較小，集熱器有傳熱熱阻，所以相比于小型集中式系統而言，分布式系統的水溫會略低一些。

圖4為上海地區的不同系統的全年太陽能保證率。由圖4可見，在三種系統中，分布式系統的太陽能保證率最高，總體而言，小型集中式和集中式系統的太陽能保證率相近。因為系統的規模越小，各個部分的熱損失也會比較小，從而在整體運行過程中，使用輔助熱源的頻率相對較低。

圖4 上海地區不同系統的全年太陽能保證率

3.3 不同氣候地區的熱水系統性能模擬

圖5～圖7分別為我國不同氣候地區的全年環境溫度分布圖。由圖5～圖7可知，我國的城市的溫度都是冬低夏高。在高海拔地區和淮河以北的城市，例如拉薩，北京，西安，延吉等都存在低于0 ℃的情況，而在南方地區例如成都，桂林全年氣溫都是高于0 ℃的。不同的環境溫度直接影響了太陽能熱水系統的運行和防凍，所以在評估不同地區的太陽能熱水系統的性能之前，需要考察一下各地的溫度情況。

圖5 北京、成都、西安全年的環境溫度

圖6 上海、桂林、敦煌全年的環境溫度

圖7 拉薩、酒泉、喀什、延吉全年的環境溫度

圖8為我國不同城市的全年太陽能保證率。由圖8可知，不同地區的分布式系統中，敦煌和酒泉地區的太陽能保證率較高，而桂林和成都的太陽能保證率較低。這個與中國太陽能的保證率是基本吻合的。在太陽能輻照比較強的地區保證率會較高，而地形復雜多云雨，太陽能輻照量不強的地區的保證率就會低一些。其中延吉的年平均氣溫最低，雖然相較成都、桂林這些年輻照量偏低的城市，延吉雖然年輻照量略高，但是因為處于極寒地區，因為水溫偏低，需要使用輔助熱源進行加熱，反映了環境溫度的差異，會對太陽能保證率產生一定的影響。

圖8 不同城市的全年太陽能保證率

圖9為北京、成都、敦煌、上海四個城市的太陽能熱水溫度。由圖9可知，敦煌地區的水溫相對較高，成都地區的水溫相對較低。這說明，太陽能系統的水溫與太陽能輻照量相關，而與當地的溫度關系不是很大。敦煌地區全年的水溫都是高于其他地區的，成都地區的水溫全年都是較其他三個城市偏低的，所以不單是夏季的輻照量有差異，全年的輻照量都是敦煌高于成都。

圖9 不同城市的太陽能熱水溫度

4 結 論

本文設計并建立三種規模的太陽能熱水系統模型，對太陽能熱水系統的運行策略，選型和性能等問題進行了模擬對比和分析，并且對比了同樣規模的不同地區的性能差別，得出了以下結論：

(1)集中式熱水系統的水溫低于分布式系統和小型集中式系統的水溫，而分布式的太陽保證率是最高的，可見系統的規模越小，性能更好，但規模大的系統，初期建設成本相對也會大一些。

(2)不同的地區，氣溫都不相同，但是對系統的太陽能保證率影響不大，而不同的太陽輻照量則很大程度上影響著系統的太陽能保證率，在輻照充足的情況下，例如拉薩，酒泉這類城市，系統的運行效率較高。

(3)在我國的太陽能熱水系統一般是在冬季需要輔助熱源使用，在資源貧乏區，例如川渝地區，夏季遇到連續陰雨的天氣也需要使用輔助熱源。

(4)在年輻照量較大的區域，裝設太陽能熱水系統會更加劃算，在我國的日照資源豐富和較豐富地區太陽能熱水系統更加適宜，投資成本會更小，更有經濟性。

(5)在輻照量較小的地區由于太陽能保證率較低，可以考慮使用別的熱源來加熱生活熱水，從某種角度上說，應該更具經濟性，裝設太陽能熱水系統需要與別的進行對比，擇優使用。

附錄

附表1 分布式太陽能熱水系統的設計參數

附表2 小型集中式太陽能熱水系統的設計參數

附表3 集中式太陽能熱水系統的設計參數