重庆地区太阳能热水应用适宜性分析

刘垚，丁勇，叶强,2

（1重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2重庆市城乡建设委员会，重庆 400014）

重庆地区太阳能热水应用适宜性分析

刘垚1，丁勇1，叶强1,2

（1重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400045；2重庆市城乡建设委员会，重庆 400014）

通过典型年太阳辐照量、太阳能实测对重庆地区太阳能资源进行分析评价；根据典型年太阳能资源数据对重庆地区太阳能热水应用效果进行理论分析，并采用实验测试的方式，从集热效率、得热量、太阳能保证率等方面对重庆地区太阳能热水适宜性进行实测研究。研究表明，重庆地区太阳能资源全年太阳能资源分布极不均匀，具有明显的阶段性分布特征，水平面上太阳辐照量最大；重庆地区太阳能热水系统集热效率、得热量、太阳能保证率等均具有阶段性特征，重庆地区太阳能热水宜阶段性使用。

太阳能热水系统；太阳能资源；太阳能保证率；集热效率

0 引言

中国每年社会能源消耗巨大，其中建筑能耗约占我国能源总消耗量的30%左右，建筑能耗成为国家的主要能源负担，而建筑热水能耗又是建筑能耗中的一个重要组成部分。有研究表明，城市中商业建筑卫生热水能耗占建筑总能耗的10～40%，住宅生活热水能耗约占到建筑能耗的10%～20%。传统的建筑生活热水的能耗占建筑能耗的比例将越来越大，所以对于建筑生活热水的节能呼声也将越来越高[1-2]。相对于传统的电加热或者燃气加热获得热水的方式，利用太阳能加热获取热水的方式具有能耗低、清洁环保、低碳排放等特点，对于减少建筑热水能耗和保护环境都具有重要意义。

重庆地区全年平均太阳能资源属于一般地区，但其在夏季甚至春秋季节具有较高的可利用性，特别是夏季利用太阳能热水方面具有很大的潜力[3]。因此，对于重庆地区太阳能热水应用的适宜性进行研究，得出重庆地区太阳能热水应用的潜力和应用特点，将有效推动重庆地区太阳能热水的应用。

1 研究方法

1.1 理论研究

理论研究采用重庆地区典型年太阳能资源数据，通过理论计算公式和假定条件进行太阳能资源的分布分析和太阳能热水应用的适宜性理论分析。

1.2 实测研究

为了与理论研究结果进行对比，理论与实测相结合进行研究分析，课题组搭建了太阳能热水应用适宜性研究实验平台，该试验台主要由太阳能热水系统和监测控制系统组成，其具体组成和功能如下。

1.2.1 太阳能热水系统

太阳能热水系统共四个，每个系统主要由集热器、热水箱等组成。区别在于集热器倾角不同，限于场地、经济等因素条件限制，该试验台选用四种典型倾角表面进行测试，分别为大于重庆纬度10°即39.5°，等于重庆纬度即29.5°，小于重庆纬度10°即19.5°，水平面即0°，四种表面朝向均为正南。同时由于是进行实验研究，太阳能系统未设置热水供应和辅助热源系统，采用每天换水的方式代表实际的太阳能热水使用情况。

1.2.2 监测控制系统

监测控制系统主要为水温监测系统和太阳辐射监测系统。水温监测系统对太阳能热水系统集热管内和水箱内的水进行全天实时监测，太阳热水监测系统利用与四个集热器平行安装的太阳总辐射表对太阳辐射进行全天实时监测。监测数据均通过信号传输线汇总至电脑主机进行导出查看，见图1。

图1 太阳能测试实验台

2 研究内容

2.1 重庆太阳能资源分析

2.1.1 理论分析

课题组对重庆市太阳能资源的理论分析主要依据典型年气象数据进行。构成典型气象年的基本方法是根据一定的基准挑选出的“平均月”（标准月）以组成典型气象年[4]。

（1）太阳辐照量逐月分布特征。重庆地区全年逐月太阳能辐照量呈抛物线分布，夏季太阳辐照量最大，春秋次之，冬季最小。全年平均月太阳辐照量为254.9MJ/m2。

（2）太阳辐照量季节性分布特征。夏季太阳辐照量占全年的41.5%，达到1270.9MJ/m2，接近全年的一半，为太阳辐射量最多的季节；其次是春秋两季，分别占28.6%和19.9%；最少的是冬季，仅为10%。

（3）全年日太阳辐照量分布。全年日太阳辐照量高低震荡厉害，年平均日太阳辐照量为8.38MJ/m2，最大为25.59MJ/m2，最小为0MJ/m2。

2.1.2 实测分析

通过测试数据分析可知，重庆地区太阳能资源以水平角度的太阳辐照量最大，同时全年的太阳辐照量实测分布也同理论值的变化趋势相近，由1月份逐渐增加，到4月份达到高峰，5～6月份逐渐降低，然后自6月份逐渐增加至8月份到达全年最大值，自8月份又开始逐渐降低至12月份达到全年最低值。

2.2 重庆地区太阳能热水应用理论分析

根据重庆地区太阳能资源典型年数据，系统假定为重庆地区一个供一百人使用热水的直接式太阳能热水系统，辅助热源为空气源热泵形式，气象数据以重庆地区典型年数据为准，其他参数按规范或手册进行确定。

2.2.1 集热效率

以市场常见品牌的真空管太阳能集热器为例进行研究，根据集热器效率一次拟合方程，进行集热效率的全年逐月计算。计算公式[5]为：

T*—归一化温差，按设计参数和当地气象参数计算，（m2·K）/W。

2.2.2 逐月热水负荷与得热量

（1）逐月热水负荷。热水负荷计算公式[5]如下：

式中：Ql—逐月热水负荷，MJ；

N—每月的天数；

V—每天热水用量，L；

ρ—水的密度，kg/L；

Cw—水的比热，J/kg℃；

tL—当地逐月冷水平均温度，℃；

te—热水设计温度，℃，取60℃。

（2）集热面积。太阳能集热器面积Ac计算公式[5]以及参数取值如下：

式中：AC—直接系统集热器总面积，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定压比热容，kJ/kg·℃；te—贮水箱内水的设计温度，℃；ti—水的初始温度，℃；

JT—当地集热器采光面上的年平均日太阳辐射量，kJ/m2；

f—太阳能保证率，%，重庆地区取30%；

ηcd—集热器的年平均集热效率；

ηL—贮水箱和管路的热损失率；根据经验取值取0.2。

（3）集热器逐月得热量计算。根据上述（1）和（2）理论计算的集热器面积以及集热效率，太阳辐射量取重庆典型年逐月太阳辐射量，计算太阳能集热器逐月得热量，计算公式[5]为：

式中：Qd—逐月太阳能集热器得热量，MJ；

ηcd—集热器逐月平均集热效率；

ηL—集热器系统年平均热损系数，为0.2。

2.2.3 逐月保证率

逐月保证率计算公式[5]：

式中：f——太阳能保证率（%）；

Qd——逐月太阳能集热系统得热量（MJ）；

Qi——逐月热水负荷（MJ）。

通过理论计算得知，全年集热器平均效率为51.1%，全年集热效率较为稳定；逐月热水负荷和逐月得热量匹配性差，二者全年变化成相反的趋势；通过逐月得热量和热水负荷数据计算可知，全年4～9月6个月的实际太阳能保证率均高于设计值，计算得到这6个月的平均太阳能保证率为51.78%，比设计值高出21.78%，而11月至次年2月平均太阳能保证率仅为13.87%。纵观全年，保证率成抛物线分布，全年平均太阳能保证率为32.85%。

2.3 重庆地区太阳能热水实测分析

课题组利用实验台监控系统对太阳能热水系统每日的太阳辐照量、太阳能热水温度、环境温度等进行监测，结合测试数据和理论计算方法，根据测试期间内各季节不同天气的天数的分布比例，采用加权平均的方法对得出太阳能热水系统各指标参数的分布，对太阳能热水的实际应用效果进行分析。

2.3.1 集热效率

图2 实测全年集热效率分布

从图2中可以看出，系统全年总平均值为53.5%，全年集热系统的集热效率比较稳定。其中集热效率最大的是0°倾角系统的集热器，其次是19.5°、29.5°、39.5°。

2.3.2 得热量

根据实测得到的不同季节温升和计算公式得出各季节不同倾角的太阳能热水系统的集热器日得热量如图3所示。

图3 不同季节不同倾角日得热量

从图3中可以看出，四个系统全年总平均日得热量为3.2MJ，同一季节下不同倾角得热量由小到大依次为：39.5°＜29.5°＜19.5°＜0°，水平面布置的集热系统得热量最大。 四季得热量由大至小依次为夏季、春季、秋季、冬季，夏季和春季的得热量在4MJ左右，而且每个系统下二者差别均在1MJ以内；秋冬季得热量较小，冬季平均仅为1.7MJ，秋季平均为2.5MJ左右。从得热量来看，重庆地区夏春太阳能应用效果较好，秋冬次之。

2.3.3 保证率

图4 不同季节不同倾角太阳能保证率

从图4中可以看出，全年四个系统太阳能保证率总平均值为49%，夏季太阳能保证率四个系统分别为70.6%、78.4%、87.2%、87.7%。其次春季太阳能保证率也较高将近60%，也具有较好的太阳能热水应用效果；秋季太阳能保证率在30%以上，冬季在20%左右。

2.4 理论研究和实测研究对比分析

前文对重庆地区太阳能热水应用进行了理论研究和实际测试研究，二者得出的太阳能集热效率和集热器得热量全年分布趋势基本相同。但理论研究得出重庆地区全年平均太阳能保证率为32.85%，实测得出的全年平均太阳能保证率为49%，实测值高于理论研究值，主要是因为理论研究时冷水设计温度为7℃，但实际全年平均冷水温度大于7℃，从而造成热水负荷相应减小，使得实测保证率升高。但理论研究和实测得出的全年保证率分布大概相同，全年保证率均为夏季最大，春季次之，秋季较小，冬季最低。

3 结论

通过对重庆地区典型年太阳辐照量分析，重庆地区全年太阳能资源分布极不均匀，具有明显的阶段性分布特征，4～9月份的太阳辐照量占全年的72.3%，具有较好的太阳能应用潜力；0°倾角表面全年太阳辐照量最大，19.5°、29.5°次之，39.5°倾角表面最小。

重庆地区太阳能集热效率全年分布均较为稳定，太阳能集热器得热量分布为夏季最大，春季次之，秋季较差，冬季最差；太阳能得热量与热水负荷呈负相关关系，匹配性较差；太阳能保证率夏季最大，基本满足热水需求，其次春季太阳能保证率也较高，具有较好的太阳能热水应用效果，秋季太阳能保证率实测在30%以上，冬季在20%左右。集热器倾角为0°时，集热效率、得热量、太阳能保证率等量值最大，故重庆地区集热器宜水平布置。

综上所述，从全年来看，重庆地区太阳能资源、太阳能热水系统集热效率、得热量、太阳能保证率等方面均具有阶段性特征，重庆地区太阳能热水宜阶段性使用。

[1]王永峰，马芳，刘晓丹.节能住宅的热水供应[J].建筑节能，2008，36（3）：57-59.

[2]罗青海，汤广发，龚光彩，等.建筑热水节能中的热泵技术[J].给水排水.2007，33（Z2）：98-101.

[3]丁勇，连大旗，李百战，等.重庆地区太阳能建筑一体化应用的实测与分析[J]，重庆大学学报，2011，34（5）：76-81.

[4]中国气象局气象信息中心气象资料室．中国建筑热环境分析专用气象数据集[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．

[5]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册：第二版[M].北京：化学工业出版社，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

刘垚(1991-)，男，贵州纳雍人，研究生，主要从事太阳能建筑应用技术方面的研究。

中图文类号：TU 111

A

1671-9107（2014）06-0060-03

基金论文：该论文为国家科技支撑计划项目子课题（项目编号：2013BAL01B03-6）和重庆市可再生能源建筑应用城市示范配套能力建设项目论文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.060

2014-05-09

孙苏，李红