典型气候地区太阳能热水系统动态性能模拟

2022-04-11邱嘉玲朱雨健

工业加热 2022年2期

邱嘉玲，曹飞，朱雨健

(河海大学机电工程学院，江苏常州 213022)

太阳能热水系统是使用集热器吸收来自太阳的热量并热传递到工质(水)上，使得吸收的热量用于加热水的一种装置[1]。该系统由太阳能收集器、热水储罐、连接管、水泵、辅助热源和其他设备(例如温差控制器，电磁阀等)组成，如图1所示。因该系统结构简易，运行控制方便，建设成本低，得到较广泛的推广研究和使用。赵文君采用模拟和实验的方法，研究了并联太阳能热泵热水系统的运行性能[2]。陈红兵通过软件模拟和实验测试，研究了人均用水量对集中式太阳能热水系统性能的影响[3]。曹飞等设计了一种西安地区的太阳能热水系统，并模拟研究了系统的成本效率[4]。Kutlu等提出通过控制相变材料的放热时间来提高能量效率[5]。Abdelghani-Idrissi等[6]分析了带有太阳能跟踪器的太阳能热水系统的热效率。周伟和张小松[7-8]设计了一种采用新型微细通道技术的集热器/蒸发器，分析了不同工况条件下集热器的性能，验证了建立的数学模型的正确性和计算方法的可行性。姜楠以武汉为例对太阳能热水系统评估方法进行研究，建立了一种全新的太阳能利用潜力评估体系以及方法[9]。现有研究大多针对单一规模的太阳能热水系统进行研究，没有针对不同典型气象地区不同规模的太阳能热水系统进行分析。鉴于此，本文研究不同气候地区三种规模太阳能热水系统性能。首先，以90人、300人、900人为单位分别设计三种太阳能热水系统；而后，利用TRNSYS软件进行模拟；最后，对比分析几个典型地区气候下三种系统的适用性。

图1 太阳能热水系统结构图

1 太阳能热水系统的设计

1.1 设计工程概况

本文研究的地区位于上海地区，冬季最低气温一般高于0 ℃，系统方案采用太阳能辅助电加热器，太阳能优先供热；太阳能热水系统采用直流恒温放热热水系统，可以满足全天候对于热水的需求，避免了传统家用热水器在雨天热水温度达不到使用标准，日照不足的缺点；管道防冻液采用冬季恒温防冻液，具有循环功能的温控系统，可防止管道在冬季极寒天气结冰；热水回水末端装有根据管道自动控制的电磁阀。电磁阀将在管道整体温度低于60 ℃时自动开启，当热水的循环使得管道水温和水箱水温达到相同温度时，电磁阀将会自动关闭。

1.2 系统选型

本文研究的上海地区水硬度不高于150 mg/L可以采用直接加热系统。此外因研究的低层建筑需要全天供水，所以选取强制循环系统。即本文的加热系统选择强制循环直接加热系统。目前国内的太阳能集热器类型主要有平板太阳集热器、全玻璃真空管集热器和热管式真空管集热器。其中平板太阳集热器相较于另外两者，其抗机械冲击的性能比较好，热效率较高，造价低，在市场上被普遍使用，在本研究中可以满足上海地区的使用需求。因此本文的集热器选用平板集热器。

1.3 系统设计

太阳能热水系统每小时加热热水所需的热量为

(1)

式中：Qh为每小时加热热水所需的热量,W；m为用水人数；qr为每日人均热水消耗量,L；c为设计温度下水的比热容,J/(kg·℃)；tr为热水温度,℃；tl为冷水温度,℃；r为系统中热水的密度,g/cm3；kh为小时变化系数。

太阳能热水系统每小时加热热水的流量为

(2)

式中：qrh为每小时加热热水的流量,L/h；Qh为每小时加热热水所需的热量,W；tr为热水温度,℃；tl为冷水温度,℃；r为系统中热水的密度,g/cm3。

由于热量损失系统每小时需要补充的热水体积为

(3)

式中：qx为全日供应热水的循环流量,L/h；Qs为配水管道的热量损失，取每小时耗热量的5%；Δt为配水管道的温差,℃。

当住宅内卫生器具给水当量在系统中的用水量达到最大时，平均出流概率为

(4)

式中：U0为卫生器具给水当量在系统中的用水量达到最大时的平均出流概率；qr为最高热水用水定额,L；m为用水人数；kh为小时变化系数；Ng为住宅内卫生器具给水当量的总数；T为用水时数,h。

为保证满足用水量需求，设计水箱容量应取4个最大小时用水量，即水箱的有效容积为

Vk=4qrh

(5)

式中：Vk为水箱的有效容积,L；qrh为每小时加热热水的体积,L。

系统集热器的总面积为

(6)

式中:Ac为直接加热系统太阳能集热板所需的集热面积,m2；Qr为日均用水量；tr为热水温度，℃；tl为冷水温度，℃；f为太阳保证率；JT为太阳能集热器倾斜采光面的全年平均太阳辐照量；ηcd为太阳能集热器的全年平均集热效率；ηL为储热水箱和配水管道中的热损失率。

在不满足建筑设计条件，规划不被允许时，或者现有安装太阳能集热器的建筑围护结构的朝向角和倾斜角不在一定的方位角和倾斜角合理范围内时，可以通过增大集热器的面积的方法来补偿这部分面积。采光面积的补偿值为

AB=AS/RB

(7)

式中：AB为实际需要的集热器面积,m2；AS为理论计算的集热器面积,m2；RB为补偿前后面积的比值。

根据以上计算公式和附表2的参量，可以获得分布式太阳能热水系统、小型集中式太阳能热水系统和集中式太阳能热水系统的设计参数。如附录所示。

2 仿真模型的建立

图2为太阳能热水系统的TRNSYS模型。根据本系统所需要的部件，选取Type1b(平板式集热器)、Type3b(水泵)、Type4a(蓄热水箱)、Type6(辅助加热器)、Type2b(温度控制器)、Type15-6(气象数据读取和处理)、Type14(时间表控制函数)、Type65d(在线绘图仪)、Equation(方程式)、Type11(分流器)。

图2 TRNSYS模拟系统模型

3 结果与分析

3.1 评价指标

太阳能热水系统的主要评价指标为太阳能保证率，其计算公式为

式中：Qload为系统运行时所需要的全部热量，W；Qaux为辅助热源提供的热量，W。

3.2 上海地区的不同太阳能热水系统模拟分析

图3为不同热水系统的全年水温分布图。

图3 不同热水系统的全年水温分布图

由图3可见，小型集中式系统的水温最高，集中式系统的水温最低。原因是集中式系统的水箱体积较大，管道的长度较长，整个过程中，能量损失较大。分布式系统结构紧凑，但是由于传热面积较小，集热器有传热热阻，所以相比于小型集中式系统而言，分布式系统的水温会略低一些。

图4为上海地区的不同系统的全年太阳能保证率。由图4可见，在三种系统中，分布式系统的太阳能保证率最高，总体而言，小型集中式和集中式系统的太阳能保证率相近。因为系统的规模越小，各个部分的热损失也会比较小，从而在整体运行过程中，使用辅助热源的频率相对较低。

图4 上海地区不同系统的全年太阳能保证率

3.3 不同气候地区的热水系统性能模拟

图5～图7分别为我国不同气候地区的全年环境温度分布图。由图5～图7可知，我国的城市的温度都是冬低夏高。在高海拔地区和淮河以北的城市，例如拉萨，北京，西安，延吉等都存在低于0 ℃的情况，而在南方地区例如成都，桂林全年气温都是高于0 ℃的。不同的环境温度直接影响了太阳能热水系统的运行和防冻，所以在评估不同地区的太阳能热水系统的性能之前，需要考察一下各地的温度情况。

图5 北京、成都、西安全年的环境温度

图6 上海、桂林、敦煌全年的环境温度

图7 拉萨、酒泉、喀什、延吉全年的环境温度

图8为我国不同城市的全年太阳能保证率。由图8可知，不同地区的分布式系统中，敦煌和酒泉地区的太阳能保证率较高，而桂林和成都的太阳能保证率较低。这个与中国太阳能的保证率是基本吻合的。在太阳能辐照比较强的地区保证率会较高，而地形复杂多云雨，太阳能辐照量不强的地区的保证率就会低一些。其中延吉的年平均气温最低，虽然相较成都、桂林这些年辐照量偏低的城市，延吉虽然年辐照量略高，但是因为处于极寒地区，因为水温偏低，需要使用辅助热源进行加热，反映了环境温度的差异，会对太阳能保证率产生一定的影响。

图8 不同城市的全年太阳能保证率

图9为北京、成都、敦煌、上海四个城市的太阳能热水温度。由图9可知，敦煌地区的水温相对较高，成都地区的水温相对较低。这说明，太阳能系统的水温与太阳能辐照量相关，而与当地的温度关系不是很大。敦煌地区全年的水温都是高于其他地区的，成都地区的水温全年都是较其他三个城市偏低的，所以不单是夏季的辐照量有差异，全年的辐照量都是敦煌高于成都。