典型氣候地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能模擬

邱嘉玲，曹 飛，朱雨健

(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是使用集熱器吸收來(lái)自太陽(yáng)的熱量并熱傳遞到工質(zhì)(水)上，使得吸收的熱量用于加熱水的一種裝置[1]。該系統(tǒng)由太陽(yáng)能收集器、熱水儲(chǔ)罐、連接管、水泵、輔助熱源和其他設(shè)備(例如溫差控制器，電磁閥等)組成，如圖1所示。因該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，運(yùn)行控制方便，建設(shè)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(shí)驗(yàn)的方法，研究了并聯(lián)太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行性能[2]。陳紅兵通過(guò)軟件模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了人均用水量對(duì)集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響[3]。曹飛等設(shè)計(jì)了一種西安地區(qū)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，并模擬研究了系統(tǒng)的成本效率[4]。Kutlu等提出通過(guò)控制相變材料的放熱時(shí)間來(lái)提高能量效率[5]。Abdelghani-Idrissi等[6]分析了帶有太陽(yáng)能跟蹤器的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱效率。周偉和張小松[7-8]設(shè)計(jì)了一種采用新型微細(xì)通道技術(shù)的集熱器/蒸發(fā)器，分析了不同工況條件下集熱器的性能，驗(yàn)證了建立的數(shù)學(xué)模型的正確性和計(jì)算方法的可行性。姜楠以武漢為例對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)評(píng)估方法進(jìn)行研究，建立了一種全新的太陽(yáng)能利用潛力評(píng)估體系以及方法[9]?，F(xiàn)有研究大多針對(duì)單一規(guī)模的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究，沒(méi)有針對(duì)不同典型氣象地區(qū)不同規(guī)模的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行分析。鑒于此，本文研究不同氣候地區(qū)三種規(guī)模太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能。首先，以90人、300人、900人為單位分別設(shè)計(jì)三種太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；而后，利用TRNSYS軟件進(jìn)行模擬；最后，對(duì)比分析幾個(gè)典型地區(qū)氣候下三種系統(tǒng)的適用性。

圖1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)工程概況

本文研究的地區(qū)位于上海地區(qū)，冬季最低氣溫一般高于0 ℃，系統(tǒng)方案采用太陽(yáng)能輔助電加熱器，太陽(yáng)能優(yōu)先供熱；太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用直流恒溫放熱熱水系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足全天候?qū)τ跓崴男枨?，避免了傳統(tǒng)家用熱水器在雨天熱水溫度達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn)，日照不足的缺點(diǎn)；管道防凍液采用冬季恒溫防凍液，具有循環(huán)功能的溫控系統(tǒng)，可防止管道在冬季極寒天氣結(jié)冰；熱水回水末端裝有根據(jù)管道自動(dòng)控制的電磁閥。電磁閥將在管道整體溫度低于60 ℃時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)熱水的循環(huán)使得管道水溫和水箱水溫達(dá)到相同溫度時(shí)，電磁閥將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

1.2 系統(tǒng)選型

本文研究的上海地區(qū)水硬度不高于150 mg/L可以采用直接加熱系統(tǒng)。此外因研究的低層建筑需要全天供水，所以選取強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。即本文的加熱系統(tǒng)選擇強(qiáng)制循環(huán)直接加熱系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能集熱器類(lèi)型主要有平板太陽(yáng)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(yáng)集熱器相較于另外兩者，其抗機(jī)械沖擊的性能比較好，熱效率較高，造價(jià)低，在市場(chǎng)上被普遍使用，在本研究中可以滿(mǎn)足上海地區(qū)的使用需求。因此本文的集熱器選用平板集熱器。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每小時(shí)加熱熱水所需的熱量為

(1)

式中：Qh為每小時(shí)加熱熱水所需的熱量,W；m為用水人數(shù)；qr為每日人均熱水消耗量,L；c為設(shè)計(jì)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(tǒng)中熱水的密度,g/cm3；kh為小時(shí)變化系數(shù)。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每小時(shí)加熱熱水的流量為

(2)

式中：qrh為每小時(shí)加熱熱水的流量,L/h；Qh為每小時(shí)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(tǒng)中熱水的密度,g/cm3。

由于熱量損失系統(tǒng)每小時(shí)需要補(bǔ)充的熱水體積為

(3)

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

當(dāng)住宅內(nèi)衛(wèi)生器具給水當(dāng)量在系統(tǒng)中的用水量達(dá)到最大時(shí)，平均出流概率為

(4)

式中：U0為衛(wèi)生器具給水當(dāng)量在系統(tǒng)中的用水量達(dá)到最大時(shí)的平均出流概率；qr為最高熱水用水定額,L；m為用水人數(shù)；kh為小時(shí)變化系數(shù)；Ng為住宅內(nèi)衛(wèi)生器具給水當(dāng)量的總數(shù)；T為用水時(shí)數(shù),h。

為保證滿(mǎn)足用水量需求，設(shè)計(jì)水箱容量應(yīng)取4個(gè)最大小時(shí)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(shí)加熱熱水的體積,L。

系統(tǒng)集熱器的總面積為

(6)

式中:Ac為直接加熱系統(tǒng)太陽(yáng)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(yáng)保證率；JT為太陽(yáng)能集熱器傾斜采光面的全年平均太陽(yáng)輻照量；ηcd為太陽(yáng)能集熱器的全年平均集熱效率；ηL為儲(chǔ)熱水箱和配水管道中的熱損失率。

在不滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)條件，規(guī)劃不被允許時(shí)，或者現(xiàn)有安裝太陽(yáng)能集熱器的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)時(shí)，可以通過(guò)增大集熱器的面積的方法來(lái)補(bǔ)償這部分面積。采光面積的補(bǔ)償值為

AB=AS/RB

(7)

式中：AB為實(shí)際需要的集熱器面積,m2；AS為理論計(jì)算的集熱器面積,m2；RB為補(bǔ)償前后面積的比值。

根據(jù)以上計(jì)算公式和附表2的參量，可以獲得分布式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)、小型集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。如附錄所示。

2 仿真模型的建立

圖2為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的TRNSYS模型。根據(jù)本系統(tǒng)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(shù)據(jù)讀取和處理)、Type14(時(shí)間表控制函數(shù))、Type65d(在線(xiàn)繪圖儀)、Equation(方程式)、Type11(分流器)。

圖2 TRNSYS模擬系統(tǒng)模型

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為太陽(yáng)能保證率，其計(jì)算公式為

式中：Qload為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(qū)的不同太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模擬分析

圖3為不同熱水系統(tǒng)的全年水溫分布圖。

圖3 不同熱水系統(tǒng)的全年水溫分布圖

由圖3可見(jiàn)，小型集中式系統(tǒng)的水溫最高，集中式系統(tǒng)的水溫最低。原因是集中式系統(tǒng)的水箱體積較大，管道的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程中，能量損失較大。分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)而言，分布式系統(tǒng)的水溫會(huì)略低一些。

圖4為上海地區(qū)的不同系統(tǒng)的全年太陽(yáng)能保證率。由圖4可見(jiàn)，在三種系統(tǒng)中，分布式系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率最高，總體而言，小型集中式和集中式系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率相近。因?yàn)橄到y(tǒng)的規(guī)模越小，各個(gè)部分的熱損失也會(huì)比較小，從而在整體運(yùn)行過(guò)程中，使用輔助熱源的頻率相對(duì)較低。

圖4 上海地區(qū)不同系統(tǒng)的全年太陽(yáng)能保證率

3.3 不同氣候地區(qū)的熱水系統(tǒng)性能模擬

圖5～圖7分別為我國(guó)不同氣候地區(qū)的全年環(huán)境溫度分布圖。由圖5～圖7可知，我國(guó)的城市的溫度都是冬低夏高。在高海拔地區(qū)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(qū)例如成都，桂林全年氣溫都是高于0 ℃的。不同的環(huán)境溫度直接影響了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行和防凍，所以在評(píng)估不同地區(qū)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(huán)境溫度

圖6 上海、桂林、敦煌全年的環(huán)境溫度

圖7 拉薩、酒泉、喀什、延吉全年的環(huán)境溫度

圖8為我國(guó)不同城市的全年太陽(yáng)能保證率。由圖8可知，不同地區(qū)的分布式系統(tǒng)中，敦煌和酒泉地區(qū)的太陽(yáng)能保證率較高，而桂林和成都的太陽(yáng)能保證率較低。這個(gè)與中國(guó)太陽(yáng)能的保證率是基本吻合的。在太陽(yáng)能輻照比較強(qiáng)的地區(qū)保證率會(huì)較高，而地形復(fù)雜多云雨，太陽(yáng)能輻照量不強(qiáng)的地區(qū)的保證率就會(huì)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?yàn)樘幱跇O寒地區(qū)，因?yàn)樗疁仄?，需要使用輔助熱源進(jìn)行加熱，反映了環(huán)境溫度的差異，會(huì)對(duì)太陽(yáng)能保證率產(chǎn)生一定的影響。

圖8 不同城市的全年太陽(yáng)能保證率

圖9為北京、成都、敦煌、上海四個(gè)城市的太陽(yáng)能熱水溫度。由圖9可知，敦煌地區(qū)的水溫相對(duì)較高，成都地區(qū)的水溫相對(duì)較低。這說(shuō)明，太陽(yáng)能系統(tǒng)的水溫與太陽(yáng)能輻照量相關(guān)，而與當(dāng)?shù)氐臏囟汝P(guān)系不是很大。敦煌地區(qū)全年的水溫都是高于其他地區(qū)的，成都地區(qū)的水溫全年都是較其他三個(gè)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(yáng)能熱水溫度

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并建立三種規(guī)模的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型，對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行策略，選型和性能等問(wèn)題進(jìn)行了模擬對(duì)比和分析，并且對(duì)比了同樣規(guī)模的不同地區(qū)的性能差別，得出了以下結(jié)論：

(1)集中式熱水系統(tǒng)的水溫低于分布式系統(tǒng)和小型集中式系統(tǒng)的水溫，而分布式的太陽(yáng)保證率是最高的，可見(jiàn)系統(tǒng)的規(guī)模越小，性能更好，但規(guī)模大的系統(tǒng)，初期建設(shè)成本相對(duì)也會(huì)大一些。

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

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

(4)在年輻照量較大的區(qū)域，裝設(shè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)會(huì)更加劃算，在我國(guó)的日照資源豐富和較豐富地區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)更加適宜，投資成本會(huì)更小，更有經(jīng)濟(jì)性。

(5)在輻照量較小的地區(qū)由于太陽(yáng)能保證率較低，可以考慮使用別的熱源來(lái)加熱生活熱水，從某種角度上說(shuō)，應(yīng)該更具經(jīng)濟(jì)性，裝設(shè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)需要與別的進(jìn)行對(duì)比，擇優(yōu)使用。

附錄

附表1 分布式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

附表2 小型集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)

附表3 集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)