重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用適宜性分析

劉垚，丁勇，葉強(qiáng),2

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 400014）

重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用適宜性分析

劉垚1，丁勇1，葉強(qiáng)1,2

（1重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，重慶 400014）

通過(guò)典型年太陽(yáng)輻照量、太陽(yáng)能實(shí)測(cè)對(duì)重慶地區(qū)太陽(yáng)能資源進(jìn)行分析評(píng)價(jià)；根據(jù)典型年太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)對(duì)重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用效果進(jìn)行理論分析，并采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方式，從集熱效率、得熱量、太陽(yáng)能保證率等方面對(duì)重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水適宜性進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。研究表明，重慶地區(qū)太陽(yáng)能資源全年太陽(yáng)能資源分布極不均勻，具有明顯的階段性分布特征，水平面上太陽(yáng)輻照量最大；重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱效率、得熱量、太陽(yáng)能保證率等均具有階段性特征，重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水宜階段性使用。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；太陽(yáng)能資源；太陽(yáng)能保證率；集熱效率

0 引言

中國(guó)每年社會(huì)能源消耗巨大，其中建筑能耗約占我國(guó)能源總消耗量的30%左右，建筑能耗成為國(guó)家的主要能源負(fù)擔(dān)，而建筑熱水能耗又是建筑能耗中的一個(gè)重要組成部分。有研究表明，城市中商業(yè)建筑衛(wèi)生熱水能耗占建筑總能耗的10～40%，住宅生活熱水能耗約占到建筑能耗的10%～20%。傳統(tǒng)的建筑生活熱水的能耗占建筑能耗的比例將越來(lái)越大，所以對(duì)于建筑生活熱水的節(jié)能呼聲也將越來(lái)越高[1-2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的電加熱或者燃?xì)饧訜岖@得熱水的方式，利用太陽(yáng)能加熱獲取熱水的方式具有能耗低、清潔環(huán)保、低碳排放等特點(diǎn)，對(duì)于減少建筑熱水能耗和保護(hù)環(huán)境都具有重要意義。

重慶地區(qū)全年平均太陽(yáng)能資源屬于一般地區(qū)，但其在夏季甚至春秋季節(jié)具有較高的可利用性，特別是夏季利用太陽(yáng)能熱水方面具有很大的潛力[3]。因此，對(duì)于重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用的適宜性進(jìn)行研究，得出重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用的潛力和應(yīng)用特點(diǎn)，將有效推動(dòng)重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水的應(yīng)用。

1 研究方法

1.1 理論研究

理論研究采用重慶地區(qū)典型年太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)，通過(guò)理論計(jì)算公式和假定條件進(jìn)行太陽(yáng)能資源的分布分析和太陽(yáng)能熱水應(yīng)用的適宜性理論分析。

1.2 實(shí)測(cè)研究

為了與理論研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，理論與實(shí)測(cè)相結(jié)合進(jìn)行研究分析，課題組搭建了太陽(yáng)能熱水應(yīng)用適宜性研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)主要由太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)組成，其具體組成和功能如下。

1.2.1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)共四個(gè)，每個(gè)系統(tǒng)主要由集熱器、熱水箱等組成。區(qū)別在于集熱器傾角不同，限于場(chǎng)地、經(jīng)濟(jì)等因素條件限制，該試驗(yàn)臺(tái)選用四種典型傾角表面進(jìn)行測(cè)試，分別為大于重慶緯度10°即39.5°，等于重慶緯度即29.5°，小于重慶緯度10°即19.5°，水平面即0°，四種表面朝向均為正南。同時(shí)由于是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，太陽(yáng)能系統(tǒng)未設(shè)置熱水供應(yīng)和輔助熱源系統(tǒng)，采用每天換水的方式代表實(shí)際的太陽(yáng)能熱水使用情況。

1.2.2 監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要為水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱管內(nèi)和水箱內(nèi)的水進(jìn)行全天實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，太陽(yáng)熱水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用與四個(gè)集熱器平行安裝的太陽(yáng)總輻射表對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行全天實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均通過(guò)信號(hào)傳輸線匯總至電腦主機(jī)進(jìn)行導(dǎo)出查看，見(jiàn)圖1。

圖1 太陽(yáng)能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 重慶太陽(yáng)能資源分析

2.1.1 理論分析

課題組對(duì)重慶市太陽(yáng)能資源的理論分析主要依據(jù)典型年氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行。構(gòu)成典型氣象年的基本方法是根據(jù)一定的基準(zhǔn)挑選出的“平均月”（標(biāo)準(zhǔn)月）以組成典型氣象年[4]。

（1）太陽(yáng)輻照量逐月分布特征。重慶地區(qū)全年逐月太陽(yáng)能輻照量呈拋物線分布，夏季太陽(yáng)輻照量最大，春秋次之，冬季最小。全年平均月太陽(yáng)輻照量為254.9MJ/m2。

（2）太陽(yáng)輻照量季節(jié)性分布特征。夏季太陽(yáng)輻照量占全年的41.5%，達(dá)到1270.9MJ/m2，接近全年的一半，為太陽(yáng)輻射量最多的季節(jié)；其次是春秋兩季，分別占28.6%和19.9%；最少的是冬季，僅為10%。

（3）全年日太陽(yáng)輻照量分布。全年日太陽(yáng)輻照量高低震蕩厲害，年平均日太陽(yáng)輻照量為8.38MJ/m2，最大為25.59MJ/m2，最小為0MJ/m2。

2.1.2 實(shí)測(cè)分析

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，重慶地區(qū)太陽(yáng)能資源以水平角度的太陽(yáng)輻照量最大，同時(shí)全年的太陽(yáng)輻照量實(shí)測(cè)分布也同理論值的變化趨勢(shì)相近，由1月份逐漸增加，到4月份達(dá)到高峰，5～6月份逐漸降低，然后自6月份逐漸增加至8月份到達(dá)全年最大值，自8月份又開(kāi)始逐漸降低至12月份達(dá)到全年最低值。

2.2 重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用理論分析

根據(jù)重慶地區(qū)太陽(yáng)能資源典型年數(shù)據(jù)，系統(tǒng)假定為重慶地區(qū)一個(gè)供一百人使用熱水的直接式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，輔助熱源為空氣源熱泵形式，氣象數(shù)據(jù)以重慶地區(qū)典型年數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，其他參數(shù)按規(guī)范或手冊(cè)進(jìn)行確定。

2.2.1 集熱效率

以市場(chǎng)常見(jiàn)品牌的真空管太陽(yáng)能集熱器為例進(jìn)行研究，根據(jù)集熱器效率一次擬合方程，進(jìn)行集熱效率的全年逐月計(jì)算。計(jì)算公式[5]為：

T*—?dú)w一化溫差，按設(shè)計(jì)參數(shù)和當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)計(jì)算，（m2·K）/W。

2.2.2 逐月熱水負(fù)荷與得熱量

（1）逐月熱水負(fù)荷。熱水負(fù)荷計(jì)算公式[5]如下：

式中：Ql—逐月熱水負(fù)荷，MJ；

N—每月的天數(shù)；

V—每天熱水用量，L；

ρ—水的密度，kg/L；

Cw—水的比熱，J/kg℃；

tL—當(dāng)?shù)刂鹪吕渌骄鶞囟龋妫?/p>

te—熱水設(shè)計(jì)溫度，℃，取60℃。

（2）集熱面積。太陽(yáng)能集熱器面積Ac計(jì)算公式[5]以及參數(shù)取值如下：

式中：AC—直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/kg·℃；te—貯水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，℃；ti—水的初始溫度，℃；

JT—當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻射量，kJ/m2；

f—太陽(yáng)能保證率，%，重慶地區(qū)取30%；

ηcd—集熱器的年平均集熱效率；

ηL—貯水箱和管路的熱損失率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值取0.2。

（3）集熱器逐月得熱量計(jì)算。根據(jù)上述（1）和（2）理論計(jì)算的集熱器面積以及集熱效率，太陽(yáng)輻射量取重慶典型年逐月太陽(yáng)輻射量，計(jì)算太陽(yáng)能集熱器逐月得熱量，計(jì)算公式[5]為：

式中：Qd—逐月太陽(yáng)能集熱器得熱量，MJ；

ηcd—集熱器逐月平均集熱效率；

ηL—集熱器系統(tǒng)年平均熱損系數(shù)，為0.2。

2.2.3 逐月保證率

逐月保證率計(jì)算公式[5]：

式中：f——太陽(yáng)能保證率（%）；

Qd——逐月太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)得熱量（MJ）；

Qi——逐月熱水負(fù)荷（MJ）。

通過(guò)理論計(jì)算得知，全年集熱器平均效率為51.1%，全年集熱效率較為穩(wěn)定；逐月熱水負(fù)荷和逐月得熱量匹配性差，二者全年變化成相反的趨勢(shì)；通過(guò)逐月得熱量和熱水負(fù)荷數(shù)據(jù)計(jì)算可知，全年4～9月6個(gè)月的實(shí)際太陽(yáng)能保證率均高于設(shè)計(jì)值，計(jì)算得到這6個(gè)月的平均太陽(yáng)能保證率為51.78%，比設(shè)計(jì)值高出21.78%，而11月至次年2月平均太陽(yáng)能保證率僅為13.87%?？v觀全年，保證率成拋物線分布，全年平均太陽(yáng)能保證率為32.85%。

2.3 重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水實(shí)測(cè)分析

課題組利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每日的太陽(yáng)輻照量、太陽(yáng)能熱水溫度、環(huán)境溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算方法，根據(jù)測(cè)試期間內(nèi)各季節(jié)不同天氣的天數(shù)的分布比例，采用加權(quán)平均的方法對(duì)得出太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)各指標(biāo)參數(shù)的分布，對(duì)太陽(yáng)能熱水的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

2.3.1 集熱效率

圖2 實(shí)測(cè)全年集熱效率分布

從圖2中可以看出，系統(tǒng)全年總平均值為53.5%，全年集熱系統(tǒng)的集熱效率比較穩(wěn)定。其中集熱效率最大的是0°傾角系統(tǒng)的集熱器，其次是19.5°、29.5°、39.5°。

2.3.2 得熱量

根據(jù)實(shí)測(cè)得到的不同季節(jié)溫升和計(jì)算公式得出各季節(jié)不同傾角的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器日得熱量如圖3所示。

圖3 不同季節(jié)不同傾角日得熱量

從圖3中可以看出，四個(gè)系統(tǒng)全年總平均日得熱量為3.2MJ，同一季節(jié)下不同傾角得熱量由小到大依次為：39.5°＜29.5°＜19.5°＜0°，水平面布置的集熱系統(tǒng)得熱量最大。 四季得熱量由大至小依次為夏季、春季、秋季、冬季，夏季和春季的得熱量在4MJ左右，而且每個(gè)系統(tǒng)下二者差別均在1MJ以內(nèi)；秋冬季得熱量較小，冬季平均僅為1.7MJ，秋季平均為2.5MJ左右。從得熱量來(lái)看，重慶地區(qū)夏春太陽(yáng)能應(yīng)用效果較好，秋冬次之。

2.3.3 保證率

圖4 不同季節(jié)不同傾角太陽(yáng)能保證率

從圖4中可以看出，全年四個(gè)系統(tǒng)太陽(yáng)能保證率總平均值為49%，夏季太陽(yáng)能保證率四個(gè)系統(tǒng)分別為70.6%、78.4%、87.2%、87.7%。其次春季太陽(yáng)能保證率也較高將近60%，也具有較好的太陽(yáng)能熱水應(yīng)用效果；秋季太陽(yáng)能保證率在30%以上，冬季在20%左右。

2.4 理論研究和實(shí)測(cè)研究對(duì)比分析

前文對(duì)重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水應(yīng)用進(jìn)行了理論研究和實(shí)際測(cè)試研究，二者得出的太陽(yáng)能集熱效率和集熱器得熱量全年分布趨勢(shì)基本相同。但理論研究得出重慶地區(qū)全年平均太陽(yáng)能保證率為32.85%，實(shí)測(cè)得出的全年平均太陽(yáng)能保證率為49%，實(shí)測(cè)值高于理論研究值，主要是因?yàn)槔碚撗芯繒r(shí)冷水設(shè)計(jì)溫度為7℃，但實(shí)際全年平均冷水溫度大于7℃，從而造成熱水負(fù)荷相應(yīng)減小，使得實(shí)測(cè)保證率升高。但理論研究和實(shí)測(cè)得出的全年保證率分布大概相同，全年保證率均為夏季最大，春季次之，秋季較小，冬季最低。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)重慶地區(qū)典型年太陽(yáng)輻照量分析，重慶地區(qū)全年太陽(yáng)能資源分布極不均勻，具有明顯的階段性分布特征，4～9月份的太陽(yáng)輻照量占全年的72.3%，具有較好的太陽(yáng)能應(yīng)用潛力；0°傾角表面全年太陽(yáng)輻照量最大，19.5°、29.5°次之，39.5°傾角表面最小。

重慶地區(qū)太陽(yáng)能集熱效率全年分布均較為穩(wěn)定，太陽(yáng)能集熱器得熱量分布為夏季最大，春季次之，秋季較差，冬季最差；太陽(yáng)能得熱量與熱水負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，匹配性較差；太陽(yáng)能保證率夏季最大，基本滿足熱水需求，其次春季太陽(yáng)能保證率也較高，具有較好的太陽(yáng)能熱水應(yīng)用效果，秋季太陽(yáng)能保證率實(shí)測(cè)在30%以上，冬季在20%左右。集熱器傾角為0°時(shí)，集熱效率、得熱量、太陽(yáng)能保證率等量值最大，故重慶地區(qū)集熱器宜水平布置。

綜上所述，從全年來(lái)看，重慶地區(qū)太陽(yáng)能資源、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱效率、得熱量、太陽(yáng)能保證率等方面均具有階段性特征，重慶地區(qū)太陽(yáng)能熱水宜階段性使用。

[1]王永峰，馬芳，劉曉丹.節(jié)能住宅的熱水供應(yīng)[J].建筑節(jié)能，2008，36（3）：57-59.

[2]羅青海，湯廣發(fā)，龔光彩，等.建筑熱水節(jié)能中的熱泵技術(shù)[J].給水排水.2007，33（Z2）：98-101.

[3]丁勇，連大旗，李百戰(zhàn)，等.重慶地區(qū)太陽(yáng)能建筑一體化應(yīng)用的實(shí)測(cè)與分析[J]，重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，34（5）：76-81.

[4]中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室．中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．

[5]鄭瑞澄.民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)：第二版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

Suitability Analysisof Solar Water Heating in Chongqing

The solar energy resourceof Chongqing is analyzed through the actualmeasurementon yearly sunshine exposure dose and solar energy.The application effectofsolarwaterheating in Chongqing is investigated based on the typicalyearly dataof solar energy,meanwhile；someexperimentshave been done tomeasure the actual application effectof the solarwater heating efficiency from heat collection,solar fraction and so on.The study shows that the solar irradiation in Chongqing doesn'tkeep a stable value throughout the year and the horizontal plane gets themaximum solar irradiation；the heatcollecting efficiency,heatgaining and solar fraction of solarwater heating system have different values in differentmonths；the solarwater heating system hasabetter performance in summerand transition seasons.

solarwaterheating system；solarenergy resource；solar fraction；heatcollecting efficiency

劉垚(1991-)，男，貴州納雍人，研究生，主要從事太陽(yáng)能建筑應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

中圖文類號(hào)：TU 111

A

1671-9107（2014）06-0060-03

基金論文：該論文為國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題（項(xiàng)目編號(hào)：2013BAL01B03-6）和重慶市可再生能源建筑應(yīng)用城市示范配套能力建設(shè)項(xiàng)目論文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.060

2014-05-09

孫蘇，李紅