微通道平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模擬分析

史宏崗，羅會(huì)龍，李云濤，關(guān)志中，張國(guó)健，劉禹琳

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

0 引 言

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

國(guó)內(nèi)學(xué)者沈向陽(yáng)等[2]以廣州地區(qū)為研究對(duì)象，使用TRNSYS 對(duì)CPC集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明集熱器最高出口溫度在春分、夏至、秋分、冬至?xí)r期，分別達(dá)67.5 ℃、83.3 ℃、85.7 ℃、68.2 ℃，性能優(yōu)于平板集熱器。魏毅立等[3]針對(duì)傳統(tǒng)平板集熱器能源利用率低、用戶生活質(zhì)量差等問(wèn)題，使用TRNSYS 軟件對(duì)鋁排管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)全年平均出口溫度可達(dá)55 ℃以上，能源效率得到極大提高。 王忠海等[4]對(duì)使用熱管式真空管集熱器和平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能進(jìn)行了TRNSYS 模擬分析，結(jié)果表明熱管式真空管性能更優(yōu)。 常曉琪[5]通過(guò)設(shè)計(jì)一種微通道平板集熱器結(jié)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行冬季供暖實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)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(dá)80.4%，集熱效率遠(yuǎn)高于其他集熱器。 周偉等[6]設(shè)計(jì)了一種微通道集熱器，并應(yīng)用在太陽(yáng)能熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行性能研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)集熱效率及熱泵COP都較高，系統(tǒng)性能顯著提高。

國(guó)外學(xué)者Tiwari Arunendra K等[7]利用印度氣候特點(diǎn)，使用TRNSYS 仿真軟件評(píng)估了平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的性能。 ARWN等[8]將真空平板太陽(yáng)能集熱器與傳統(tǒng)熱平板集熱、PV/T集熱器的性能和運(yùn)行效率進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明真空板太陽(yáng)能集熱器更適合工程熱應(yīng)用，并且在低太陽(yáng)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(duì)熱管太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明熱水消耗模式顯著影響太陽(yáng)能集熱器和儲(chǔ)水箱的溫度分布，并且指出降低太陽(yáng)能工作流體的質(zhì)量流率對(duì)熱管太陽(yáng)能集熱器的出口溫度有積極影響。 Oyinlola等[10]首先建立了一個(gè)分析模型來(lái)預(yù)測(cè)微通道平板集熱器流體溫度及板溫度分布，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)的板溫度曲線與測(cè)量的曲線一致，并且得出入口長(zhǎng)度對(duì)吸熱板溫度分布有顯著影響。 Jalal M Jalil等[11]將微通道應(yīng)用在太陽(yáng)能空氣集熱器中，采用CFD數(shù)值分析了該結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果表明使用微通道技術(shù)提高了集熱器的集熱效率。Allouhi A等[12]針對(duì)傳統(tǒng)平板集熱器吸收太陽(yáng)能較低的問(wèn)題，將熱管應(yīng)用到平板集熱器中，對(duì)采用熱管平板集熱器的強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了瞬態(tài)性能分析，結(jié)果表明該系統(tǒng)在全年最冷的月份保持高達(dá)33%的合理熱效率和4%的能源利用效率，并且太陽(yáng)能保證率超過(guò)58%。 Agrawal等[13]采用了光伏/熱并聯(lián)和串聯(lián)微通道中的空氣通道來(lái)冷卻太陽(yáng)能電池。 結(jié)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(xué)者對(duì)熱管集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)研究較多，對(duì)微通道平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)研究較少，并且國(guó)內(nèi)研究主要集中于Fluent模擬，并未對(duì)整個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行研究分析。針對(duì)微通道平板集熱器在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用較少，以及傳統(tǒng)平板集熱器集熱效率低等問(wèn)題，本文以溫和地區(qū)麗江市某農(nóng)村居住建筑為研究對(duì)象，使用TRNSYS 仿真軟件對(duì)微通道平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析，對(duì)提高新能源熱利用效率具有重要的指導(dǎo)意義。

1 微通道平板集熱器數(shù)學(xué)模型

微通道平板集熱器結(jié)構(gòu)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(jiàn)圖1）。

圖1 微通道平板集熱器結(jié)構(gòu)

微通道平板集熱器的傳熱過(guò)程可以描述為：當(dāng)太陽(yáng)輻射透過(guò)玻璃蓋板，投射在微通道吸熱板上時(shí)，這部分能量稱為投射在集熱器上的總輻射能QA，此時(shí)吸熱板吸收太陽(yáng)輻射，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，這部分熱能一些被換熱流體吸收，轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崴?，稱為集熱器吸收的有效能QU。 同時(shí)轉(zhuǎn)換的熱能一部分以輻射和對(duì)流換熱的方式向吸熱板頂部、底部及側(cè)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?jī)?chǔ)存在自身裝置里，稱為集熱器的自身儲(chǔ)熱能QS。 集熱器整個(gè)能量傳遞過(guò)程[14]如圖2所示。

圖2 集熱器能量傳遞過(guò)程

根據(jù)上述集熱器能量傳遞過(guò)程得到能量守恒表達(dá)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(chǔ)熱能，W。

其中，

式中：A為集熱器面積，m2；I為傾斜面上的太陽(yáng)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(shù)，W/（m2·K）；TP為吸熱板溫度，K；Ta為環(huán)境溫度，K；Md為集熱器熱容量，J/K；T為溫度，K；t為時(shí)間，s。

在計(jì)算集熱器集熱效率時(shí)，需要在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行，因此集熱器自身儲(chǔ)熱能QS=0。 根據(jù)以上方程，可以得到集熱器集熱效率表達(dá)式：

式中：FR為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子；（τa）n為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下透射比與吸收比的乘積；a 為效率曲線斜率。

2 TRNSYS太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模擬過(guò)程

2.1 模塊選擇

TRNSYS 主要是通過(guò)模塊連接進(jìn)行模擬計(jì)算，因此在仿真計(jì)算之前需要選擇模塊類型，該TRNSYS太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)仿真模型主要將用到以下模塊：氣象數(shù)據(jù)Type15-2、平板集熱器Type1b、儲(chǔ)熱水箱Type4c、循環(huán)水泵Type3b、溫度控制器Type2b、數(shù)據(jù)顯示器Type65c。 由于TRNSYS 模塊數(shù)據(jù)庫(kù)并沒(méi)有微通道平板集熱器，但是可以通過(guò)修改集熱器效率曲線參數(shù)，從而代替微通道平板集熱器，主要修改參數(shù)，如圖3 所示6 和7，其修改數(shù)值參閱文獻(xiàn)[5]。

圖3 微通道平板集熱器效率曲線參數(shù)修改

2.2 參數(shù)選擇

氣象數(shù)據(jù)使用氣象數(shù)據(jù)軟件Meteonor-m導(dǎo)出麗江市TMY2 格式，如圖4 所示，然后在TRNSYS氣象數(shù)據(jù)模塊中導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖4 氣象軟件Meteonorm數(shù)據(jù)導(dǎo)出

圖5 Type15-2 氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入

每日用水量參考《GB50364 -2018 民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)定每人消耗50 L，因此水箱體積選擇200 L，循環(huán)水泵選擇200 kg/h，集熱器面積設(shè)置2 m2、3 m2、4 m2，進(jìn)水溫度為15 ℃、20 ℃、25 ℃、進(jìn)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(shù)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(yáng)能熱水系統(tǒng)工作原理：微通道平板集熱器吸收太陽(yáng)輻射，將吸收的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，并把熱能轉(zhuǎn)換為熱水的形式儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱水箱中，供熱用戶使用；溫度控制器通過(guò)控制集熱器出口溫度與水箱進(jìn)口溫度溫差，從而控制循環(huán)水泵是否向集熱器輸入冷水，完成整個(gè)系統(tǒng)用水循環(huán)。 因此TRNSYS 微通道平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)仿真模型如圖6 所示。

圖6 TRNSYS 微通道平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)仿真模型

2.4 模擬時(shí)間設(shè)定

本文主要研究集熱器進(jìn)口溫度、進(jìn)口流量，集熱器面積及集熱器傾角對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響，是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程模擬。 因此為了提高模擬精度，本模擬只針對(duì)典型代表日，進(jìn)行太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(jìn)行24 h 模擬。 圖7 為麗江市1 月逐時(shí)室外溫度曲線，圖8 為最冷日太陽(yáng)輻射照度曲線。

圖7 最冷月1 月逐時(shí)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(dá)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(yáng)輻射照度為766 W/m2，平均太陽(yáng)輻射照度為385 W/m2左右，太陽(yáng)輻射照度比較強(qiáng)烈，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)能完全運(yùn)行。 此外，從圖中還可以獲得集熱器從早上9 點(diǎn)開(kāi)始吸收太陽(yáng)輻射，然后隨著時(shí)間增加，太陽(yáng)輻射繼續(xù)增大，在下午14 點(diǎn)時(shí)，達(dá)到最大值，最后開(kāi)始下降為0，符合一天中太陽(yáng)位置變化規(guī)律。綜上所述，本文TRNSYS 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)仿真模型運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為288 ～312 h，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h。

圖8 最冷日太陽(yáng)輻射照度曲線

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同集熱器面積對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

從圖9 可知，集熱器出口溫度與集熱效率隨時(shí)間呈對(duì)稱分布。 具體情況為：在早上9 點(diǎn)，集熱器開(kāi)始吸收太陽(yáng)輻射，因此出口溫度和集熱效率開(kāi)始上升，直到14 點(diǎn)達(dá)到最大值，因?yàn)榇藭r(shí)太陽(yáng)輻射達(dá)到最大值，然后開(kāi)始下降，最后降為初始時(shí)刻溫度，原因是太陽(yáng)輻射降為零，集熱器無(wú)法吸收太陽(yáng)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(yáng)輻射能增大，集熱器單位面積吸收的太陽(yáng)輻射能減小。 此外，集熱器面積對(duì)出口溫度影響較大，對(duì)集熱效率影響較小。 集熱器面積分別為2 m2、3 m2、4 m2時(shí)，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(tǒng)平板集熱器集熱器效率約在40% ～50%，可見(jiàn)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(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

3.2 不同集熱器進(jìn)口溫度對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(shì)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，只是大小發(fā)生改變。 集熱器出口溫度隨集熱器進(jìn)口溫度的升高而升高，集熱效率隨進(jìn)口溫度升高而減小。 原因是集熱器吸收太陽(yáng)輻射，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，并把熱量傳遞給內(nèi)部介質(zhì)水，因此集熱器進(jìn)口溫度升高出口溫度必定也會(huì)升高，但是進(jìn)口溫度升高，微通道平板集熱器內(nèi)部換熱流體水與吸熱板對(duì)流換熱減弱，集熱器吸收的有效能減少，集熱器向環(huán)境散失的熱量增加，因此集熱效率反而降低。 當(dāng)進(jìn)口溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃時(shí)，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(jìn)口溫度對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

3.3 不同集熱器進(jìn)口流量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

由圖11 可知，集熱器出口溫度隨進(jìn)口流量增大而降低，集熱效率隨進(jìn)口流量增加而增大。 原因是單位時(shí)間內(nèi)與吸熱板換熱的流體增加，湍流強(qiáng)度增大，水與管壁對(duì)流換熱增強(qiáng)，吸收的熱量更多，因此出口溫度降低，集熱效率增大。 當(dāng)集熱器進(jìn)口流量分別為20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 時(shí)，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(jìn)口流量對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

3.4 不同集熱器安裝傾角對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

從圖12 可知，不同集熱器安裝傾角對(duì)集熱器出口溫度有不同的影響，這是因?yàn)椴煌惭b角度，投射在集熱器上的太陽(yáng)輻射量不同，因此吸收的太陽(yáng)輻射能也就不同。 當(dāng)集熱器傾角分別為30°、45°、60°時(shí)，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(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié) 論

（1）微通道平板集熱器出口溫度隨集熱器面積增大、進(jìn)口溫度升高而升高，隨進(jìn)口流量增大而降低；集熱效率隨集熱器面積增大、進(jìn)口溫度升高而減小，隨進(jìn)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(shí)，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(jìn)口溫度分別為15 ℃、20 ℃、25 ℃時(shí)，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(jìn)口流量分別為20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 時(shí)，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(shí)，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(tǒng)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。