微通道平板集熱器太陽能熱水系統模擬分析

史宏崗，羅會龍，李云濤，關志中，張國健，劉禹琳

（昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500）

0 引 言

太陽能是一種清潔的可再生能源，我國太陽能資源比較豐富，并且太陽能利用技術已趨于成熟。 其中，太陽能光熱利用技術應用最為廣泛，而太陽能熱水系統則是該技術應用最成熟的一種方式[1]，其性能優劣直接與太陽能集熱器有關，因此研究太陽能集熱器對提高太陽能熱利用效率具有重大意義。

國內學者沈向陽等[2]以廣州地區為研究對象，使用TRNSYS 對CPC集熱器太陽能熱水系統進行了模擬分析，結果表明集熱器最高出口溫度在春分、夏至、秋分、冬至時期，分別達67.5 ℃、83.3 ℃、85.7 ℃、68.2 ℃，性能優于平板集熱器。魏毅立等[3]針對傳統平板集熱器能源利用率低、用戶生活質量差等問題，使用TRNSYS 軟件對鋁排管太陽能熱水系統性能進行了模擬分析，結果表明該系統全年平均出口溫度可達55 ℃以上，能源效率得到極大提高。 王忠海等[4]對使用熱管式真空管集熱器和平板集熱器太陽能熱水系統性能進行了TRNSYS 模擬分析，結果表明熱管式真空管性能更優。 常曉琪[5]通過設計一種微通道平板集熱器結構，并對該結構進行冬季供暖實驗研究，結果發現該平板集熱器集熱效率高，日平均集熱效率為63.6%，最高能達80.4%，集熱效率遠高于其他集熱器。 周偉等[6]設計了一種微通道集熱器，并應用在太陽能熱泵熱水系統進行性能研究，結果發現該系統集熱效率及熱泵COP都較高，系統性能顯著提高。

國外學者Tiwari Arunendra K等[7]利用印度氣候特點，使用TRNSYS 仿真軟件評估了平板集熱器太陽能熱水系統的性能。 ARWN等[8]將真空平板太陽能集熱器與傳統熱平板集熱、PV/T集熱器的性能和運行效率進行比較分析，結果表明真空板太陽能集熱器更適合工程熱應用，并且在低太陽輻射照度下，使用效果更加顯著。 Shafieian A等[9]在西澳大利亞珀斯的寒冷氣候條件下，對熱管太陽能熱水系統的熱性能進行了理論和實驗分析，結果表明熱水消耗模式顯著影響太陽能集熱器和儲水箱的溫度分布，并且指出降低太陽能工作流體的質量流率對熱管太陽能集熱器的出口溫度有積極影響。 Oyinlola等[10]首先建立了一個分析模型來預測微通道平板集熱器流體溫度及板溫度分布，然后進行實驗測試驗證，結果發現模型預測的板溫度曲線與測量的曲線一致，并且得出入口長度對吸熱板溫度分布有顯著影響。 Jalal M Jalil等[11]將微通道應用在太陽能空氣集熱器中，采用CFD數值分析了該結構性能，結果表明使用微通道技術提高了集熱器的集熱效率。Allouhi A等[12]針對傳統平板集熱器吸收太陽能較低的問題，將熱管應用到平板集熱器中，對采用熱管平板集熱器的強制循環太陽能熱水系統進行了瞬態性能分析，結果表明該系統在全年最冷的月份保持高達33%的合理熱效率和4%的能源利用效率，并且太陽能保證率超過58%。 Agrawal等[13]采用了光伏/熱并聯和串聯微通道中的空氣通道來冷卻太陽能電池。 結果表明，微通道光伏熱的熱效率和電效率分別為14.7%和10.8%，高于單通道光伏熱。

綜上所述，學者對熱管集熱器太陽能熱水系統研究較多，對微通道平板集熱器太陽能熱水系統研究較少，并且國內研究主要集中于Fluent模擬，并未對整個太陽能熱水系統進行研究分析。針對微通道平板集熱器在太陽能熱水系統應用較少，以及傳統平板集熱器集熱效率低等問題，本文以溫和地區麗江市某農村居住建筑為研究對象，使用TRNSYS 仿真軟件對微通道平板集熱器太陽能熱水系統進行模擬分析，對提高新能源熱利用效率具有重要的指導意義。

1 微通道平板集熱器數學模型

微通道平板集熱器結構由集管、外殼、保溫層、微通道吸熱板和玻璃蓋板五部分組成（見圖1）。

圖1 微通道平板集熱器結構

微通道平板集熱器的傳熱過程可以描述為：當太陽輻射透過玻璃蓋板，投射在微通道吸熱板上時，這部分能量稱為投射在集熱器上的總輻射能QA，此時吸熱板吸收太陽輻射，將太陽能轉換為熱能，這部分熱能一些被換熱流體吸收，轉換為高溫熱水，稱為集熱器吸收的有效能QU。 同時轉換的熱能一部分以輻射和對流換熱的方式向吸熱板頂部、底部及側面散失，稱為集熱器的熱損失能QL。 此外，集熱器吸收的熱能還有一部分能量儲存在自身裝置里，稱為集熱器的自身儲熱能QS。 集熱器整個能量傳遞過程[14]如圖2所示。

圖2 集熱器能量傳遞過程

根據上述集熱器能量傳遞過程得到能量守恒表達式[15]為：

式中：QA為投射在集熱器上的總輻射能，W；QU為集熱器吸收的有效能，W；QL為集熱器的熱損失能，W；QS為集熱器的自身儲熱能，W。

其中，

式中：A為集熱器面積，m2；I為傾斜面上的太陽能輻照量，kJ/（h·m2）；m為集熱器中流體的流量，kg/h；Cp為 流 體 的 比 定 壓 熱 容，k J/（kg·K）；To為集熱器出口溫度，K；Ti為集熱器入口溫度，K；AS為集熱器表面積，m2；UL為集熱器總損失系數，W/（m2·K）；TP為吸熱板溫度，K；Ta為環境溫度，K；Md為集熱器熱容量，J/K；T為溫度，K；t為時間，s。

在計算集熱器集熱效率時，需要在穩態工況下進行，因此集熱器自身儲熱能QS=0。 根據以上方程，可以得到集熱器集熱效率表達式：

式中：FR為集熱器熱轉移因子；（τa）n為標準狀態下透射比與吸收比的乘積；a 為效率曲線斜率。

2 TRNSYS太陽能熱水系統模擬過程

2.1 模塊選擇

TRNSYS 主要是通過模塊連接進行模擬計算，因此在仿真計算之前需要選擇模塊類型，該TRNSYS太陽能熱水系統仿真模型主要將用到以下模塊：氣象數據Type15-2、平板集熱器Type1b、儲熱水箱Type4c、循環水泵Type3b、溫度控制器Type2b、數據顯示器Type65c。 由于TRNSYS 模塊數據庫并沒有微通道平板集熱器，但是可以通過修改集熱器效率曲線參數，從而代替微通道平板集熱器，主要修改參數，如圖3 所示6 和7，其修改數值參閱文獻[5]。

圖3 微通道平板集熱器效率曲線參數修改

2.2 參數選擇

氣象數據使用氣象數據軟件Meteonor-m導出麗江市TMY2 格式，如圖4 所示，然后在TRNSYS氣象數據模塊中導入氣象數據，如圖5 所示。

圖4 氣象軟件Meteonorm數據導出

圖5 Type15-2 氣象數據導入

每日用水量參考《GB50364 -2018 民用建筑太陽能熱水系統應用計術標準》，設定每人消耗50 L，因此水箱體積選擇200 L，循環水泵選擇200 kg/h，集熱器面積設置2 m2、3 m2、4 m2，進水溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃、進水流量為20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h，安裝傾角為30°、45°、60°，分別研究不同參數下，集熱器出口溫度和集熱效率。

2.3 模塊連接

微通道平板集熱器太陽能熱水系統工作原理：微通道平板集熱器吸收太陽輻射，將吸收的太陽輻射能轉換為熱能，并把熱能轉換為熱水的形式儲存在儲熱水箱中，供熱用戶使用；溫度控制器通過控制集熱器出口溫度與水箱進口溫度溫差，從而控制循環水泵是否向集熱器輸入冷水，完成整個系統用水循環。 因此TRNSYS 微通道平板集熱器太陽能熱水系統仿真模型如圖6 所示。

圖6 TRNSYS 微通道平板集熱器太陽能熱水系統仿真模型

2.4 模擬時間設定

本文主要研究集熱器進口溫度、進口流量，集熱器面積及集熱器傾角對太陽能熱水系統性能的影響，是一個瞬態過程模擬。 因此為了提高模擬精度，本模擬只針對典型代表日，進行太陽能熱水系統性能研究。 由于1 月是最冷月，因此選取1 月溫度最低的一天進行24 h 模擬。 圖7 為麗江市1 月逐時室外溫度曲線，圖8 為最冷日太陽輻射照度曲線。

圖7 最冷月1 月逐時室外溫度曲線

由圖7 可知，麗江市最冷月室外溫度最低在-3.3 ℃左右，在1 月13 日達到最低氣溫，因此選擇最冷日為1 月13 日。 從圖8 可知，日最大太陽輻射照度為766 W/m2，平均太陽輻射照度為385 W/m2左右，太陽輻射照度比較強烈，太陽能熱水系統能完全運行。 此外，從圖中還可以獲得集熱器從早上9 點開始吸收太陽輻射，然后隨著時間增加，太陽輻射繼續增大，在下午14 點時，達到最大值，最后開始下降為0，符合一天中太陽位置變化規律。綜上所述，本文TRNSYS 太陽能熱水系統仿真模型運行時間設定為288 ～312 h，時間步長為1 h。

圖8 最冷日太陽輻射照度曲線

3 模擬結果分析

3.1 不同集熱器面積對太陽能熱水系統性能的影響

從圖9 可知，集熱器出口溫度與集熱效率隨時間呈對稱分布。 具體情況為：在早上9 點，集熱器開始吸收太陽輻射，因此出口溫度和集熱效率開始上升，直到14 點達到最大值，因為此時太陽輻射達到最大值，然后開始下降，最后降為初始時刻溫度，原因是太陽輻射降為零，集熱器無法吸收太陽能。集熱器出口溫度隨集熱器面積增大而升高，集熱效率隨集熱器面積增大而減小。 原因是投射在集熱器上的太陽輻射能增大，集熱器單位面積吸收的太陽輻射能減小。 此外，集熱器面積對出口溫度影響較大，對集熱效率影響較小。 集熱器面積分別為2 m2、3 m2、4 m2時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、77.6 ℃、95.7 ℃，最大集熱效率分別為67.6%、63.5%、59.4%。 傳統平板集熱器集熱器效率約在40% ～50%，可見微通道平板集熱器集熱效率比普通平板集熱器高10%左右。

圖9 不同集熱器面積對太陽能熱水系統性能的影響

3.2 不同集熱器進口溫度對太陽能熱水系統性能的影響

從圖10 可知，集熱器出口溫度和集熱效率變化趨勢沒有發生明顯變化，只是大小發生改變。 集熱器出口溫度隨集熱器進口溫度的升高而升高，集熱效率隨進口溫度升高而減小。 原因是集熱器吸收太陽輻射，將光能轉換為熱能，并把熱量傳遞給內部介質水，因此集熱器進口溫度升高出口溫度必定也會升高，但是進口溫度升高，微通道平板集熱器內部換熱流體水與吸熱板對流換熱減弱，集熱器吸收的有效能減少，集熱器向環境散失的熱量增加，因此集熱效率反而降低。 當進口溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、62.4 ℃、66.5 ℃，最大集熱效率分別為65.6%、64.4%、63.1%，差距較小。

圖10 不同集熱器進口溫度對太陽能熱水系統性能的影響

3.3 不同集熱器進口流量對太陽能熱水系統性能的影響

由圖11 可知，集熱器出口溫度隨進口流量增大而降低，集熱效率隨進口流量增加而增大。 原因是單位時間內與吸熱板換熱的流體增加，湍流強度增大，水與管壁對流換熱增強，吸收的熱量更多，因此出口溫度降低，集熱效率增大。 當集熱器進口流量分別為20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、50 ℃、44.5 ℃，最大集熱效率分別為65.6%、66.6%、67.2%。

圖11 不同集熱器進口流量對太陽能熱水系統性能的影響

3.4 不同集熱器安裝傾角對太陽能熱水系統性能的影響

從圖12 可知，不同集熱器安裝傾角對集熱器出口溫度有不同的影響，這是因為不同安裝角度，投射在集熱器上的太陽輻射量不同，因此吸收的太陽輻射能也就不同。 當集熱器傾角分別為30°、45°、60°時，集熱器最高出口溫度分別58.8 ℃、61.4 ℃、54.0 ℃，最大集熱效率分別為66.9%、70.7%、59.6%。

圖12 不同集熱器傾角對太陽能熱水系統性能的影響

4 結 論

（1）微通道平板集熱器出口溫度隨集熱器面積增大、進口溫度升高而升高，隨進口流量增大而降低；集熱效率隨集熱器面積增大、進口溫度升高而減小，隨進口流量增加而增加；不同的集熱器傾角，集熱器出口溫度和集熱效率不同。

（2）集熱器面積分別為2 m2、3 m2、4 m2時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、77.6 ℃、95.7 ℃，最大集熱效率分別為67.6%、63.5%、59.4%；集熱器進口溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、62.4 ℃、66.5 ℃，最大集熱效率分別為65.6%、64.4%、63.1%；集熱器進口流量分別為20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 時，集熱器最大出口溫度分別為58.2 ℃、50 ℃、44.5 ℃，最大集熱效率分別為65.6%、66.6%、67.2%；集熱器傾角分別為30°、45°、60°時，集熱器最高出口溫度分別58.8 ℃、61.4 ℃、54.0 ℃，最大集熱效率分別為66.9%、70.7%、59.6%。

（3）與傳統平板集熱器相比，微通道平板集熱器出口溫度和集熱效率更高。