老撾萬象與中國昆明太陽能熱水系統(tǒng)性能對比分析*

多拉，丁祥，張昱翀，高文峰，劉滔

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

1 引 言

老撾地處中南半島，太陽能資源豐富[1]，近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民生活水平不斷提高，對熱水的需求也越來越大.太陽能熱水系統(tǒng)由于經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保，近年來開始在老撾逐漸得到推廣.為推動(dòng)可再生能源技術(shù)的研發(fā)和推廣，在中國科技部的支持下，云南師范大學(xué)與老撾科技部可再生能源與新材料研究院共同承建了“中國-老撾可再生能源聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，為老撾的可再生能源人才培養(yǎng)和可再生能源利用提供技術(shù)保障;在這一項(xiàng)目的推動(dòng)下，近兩年老撾開始在醫(yī)院、學(xué)校以及部分居民家中逐步推廣太陽能熱水系統(tǒng)的使用，但在推廣應(yīng)用過程中，由于缺乏針對當(dāng)?shù)貧夂驐l件的設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)，很難保證系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行.為此，本文根據(jù)與老撾接壤且經(jīng)貿(mào)關(guān)系密切的云南省常見的太陽能熱水系統(tǒng)配置，利用POLYSUN軟件，模擬和分析了一套太陽能熱水系統(tǒng)在老撾首都萬象和云南省省會昆明的運(yùn)行，為老撾太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.

POLYSUN 提供了全球8 000多個(gè)氣象觀測點(diǎn)的多年平均氣象數(shù)據(jù)和1 000多個(gè)集太陽能光熱、光伏、熱泵模塊的具有熱水、發(fā)電、采暖、制冷等應(yīng)用的設(shè)計(jì)模版，可方便地進(jìn)行不同系統(tǒng)不同地點(diǎn)的運(yùn)行特性分析、比較與優(yōu)化[2-6].

2 氣象數(shù)據(jù)與太陽能熱水系統(tǒng)配置

2.1 氣象數(shù)據(jù)對比

通過POLYSUN軟件提供的昆明、萬象兩地氣象數(shù)據(jù)，挑選出太陽輻照、環(huán)境溫度、冷水溫度等3個(gè)對太陽能熱水系統(tǒng)性能影響顯著的參數(shù)，按月平均進(jìn)行比較分析(表1).從表1中可看出：昆明的多年平均年地面輻照總值為1 505 kWh/m2，而老撾萬象為1 810 kWh/m2，萬象的太陽能輻照值比昆明高出約五分之一，太陽能資源更為豐富.從月份分布看，除2-4月份萬象的地面輻照總值與昆明相近外，其他月份萬象的太陽輻照值均明顯高于昆明但變化趨勢較為相似.萬象的地面輻照總值較高值出現(xiàn)在4-7月份，而昆明則是出現(xiàn)在3-5月份，雨季到來后，都出現(xiàn)明顯下降，但昆明隨著雨季的到來，地面輻照總值下降更為明顯.在環(huán)境氣溫上，萬象的年平均值為27 ℃且月平均氣溫變化較小，而昆明的年平均值為15.8 ℃且月平均氣溫變化相對較大.環(huán)境氣溫越高，太陽能的熱損失越小，效率越高.從兩地的冷水溫度上看，萬象也明顯高于昆明.

表1 昆明和萬象氣象數(shù)據(jù)

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)云南昆明最常見的太陽能熱水系統(tǒng)配置方案[7]，設(shè)計(jì)了一套真空管太陽能+空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)，將該系統(tǒng)分別在兩地模擬進(jìn)行.所設(shè)計(jì)的太陽能熱水系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)主要由真空管集熱器、儲熱水箱、空氣源熱泵、控制系統(tǒng)和管路系統(tǒng)構(gòu)成,各部件參數(shù)見表2.在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為方便對系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行分析比較.假定太陽能熱水系統(tǒng)提供的熱水溫度均為50 ℃，熱水使用量均為5 000 L/d.

1.集熱器 2.空氣源熱泵 3.水箱 4.控制器 5.水泵 6.三通混水閥

表2 系統(tǒng)各部件參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 太陽能保證率

太陽能保證率是衡量太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行特性的重要指標(biāo)，其定義為太陽能的供給能量占所需總能量的比值[8],即：

(1)

其中：SF為太陽能保證率；QC為太陽能集熱器得熱量；Qaux為輔助能源加熱量；QS為泵和控制系統(tǒng)等的運(yùn)行耗能.

太陽能熱水系統(tǒng)在兩地的月平均太陽能保證率如圖2所示，萬象年平均太陽能保證率高達(dá)97.1%，昆明年平均太陽能保證率為71.7%，萬象比昆明高出約25%.該太陽能熱水系統(tǒng)在萬象運(yùn)行時(shí)，太陽能保證率全年都保持在高位且波動(dòng)較小，最低的2月份為92%，都要比昆明一年中最高的太陽能保證率83%還要高.萬象在每年的3、5、6、10、11月和12月這6個(gè)月中，太陽能保證率幾乎可以達(dá)到100%，這一方面說明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配置能夠滿足熱水供應(yīng)需求，另一方面也說明系統(tǒng)水溫會過高，集熱器面積配置偏大.

圖2 昆明與萬象的月平均太陽能保證率

3.2 儲熱水箱內(nèi)的平均溫度

圖3為兩地一年中水箱內(nèi)的月平均溫度變化圖，太陽能熱水系統(tǒng)在萬象運(yùn)行時(shí)，水箱內(nèi)年平均水溫為72.9 ℃，在昆明運(yùn)行時(shí)的全年平均水溫為49.2 ℃，萬象的太陽能熱水系統(tǒng)水溫明顯偏高，而對太陽能熱水系統(tǒng)而言，水溫偏高會帶來系統(tǒng)易結(jié)垢，集熱器和管路系統(tǒng)高溫老化等問題，所以在萬象設(shè)計(jì)安裝太陽能熱水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)減小集熱面積或增大儲熱水箱容量.

圖3 昆明與萬象兩地水箱平均溫度變化圖

3.3 系統(tǒng)熱泵消耗的電量

圖4是太陽能熱水系統(tǒng)中輔助熱源空氣源熱泵的耗電量模擬運(yùn)行結(jié)果.從圖4可以看出，昆明使用該系統(tǒng)時(shí)，熱泵的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于萬象，在萬象有幾個(gè)月的耗電量幾乎為0 kWh.4月份是兩地區(qū)熱泵能耗差最小的月份，為331 kWh，此時(shí)兩地的太陽輻照值保持在較高水平，隨后昆明系統(tǒng)中的熱泵能耗迅速增加，而萬象系統(tǒng)則保持相對平緩，在6月份兩地區(qū)熱泵能耗達(dá)到全年中最大差值，為805 kWh.因此，在昆明所設(shè)計(jì)的空氣源熱泵輔助加熱的太陽能熱水系統(tǒng)配置直接用于萬象是不合理的，萬象空氣源熱泵工作時(shí)間很短，即使不配置熱泵，單獨(dú)太陽能熱水系統(tǒng)也基本能滿足用水溫度和用熱水量需求.

圖4 熱泵全年能耗圖

4 結(jié) 語

以昆明地區(qū)典型的空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)配置為研究對象，使用POLYSUN可再生能源設(shè)計(jì)軟件，基于昆明和萬象不同的氣候條件，對系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行對比分析，結(jié)論如下：

(1)萬象的太陽能輻照值比昆明高出約五分之一，太陽能資源更為豐富.除2～4月份萬象的地面輻照總值與昆明相近外，其他月份萬象的太陽輻照值均明顯高于昆明，但變化趨勢較為相似.相比昆明而言，萬象的環(huán)境溫度值較高且月平均變化較小，冷水溫度也明顯高于昆明.

(2)萬象年平均太陽能保證率高達(dá)97.1%，全年都保持在高位且波動(dòng)較小，昆明年平均太陽能保證率為71.7%，萬象比昆明高出約25%.太陽能保證率的變化與全年太陽輻照值的變化趨勢相似.

(3)萬象太陽能儲熱水箱內(nèi)年平均水溫72.9 ℃，而昆明為49.2 ℃.萬象的儲熱水箱水溫明顯偏高，會帶來系統(tǒng)易結(jié)垢，集熱器和管路系統(tǒng)高溫老化等問題，所以在萬象設(shè)計(jì)安裝太陽能熱水系統(tǒng)時(shí)，建議減小集熱面積或增大儲熱水箱容量.

(4)昆明空氣源熱泵的年耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于萬象，萬象空氣源熱泵工作時(shí)間很短，即使不配置熱泵，單獨(dú)太陽能熱水系統(tǒng)也基本能滿足熱水用量需求.