戶用太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最優(yōu)安裝傾角的TRNSYS模擬分析

珠海興業(yè)新能源科技有限公司 ■ 姚莉 余國保 張玲

華南理工大學(xué) ■ 黃光漢

0 引言

太陽能熱水系統(tǒng)中集熱器的安裝角度對集熱效果有著至關(guān)重要的影響，理論上當(dāng)集熱器集熱面始終與太陽光入射角垂直時，集熱系統(tǒng)的集熱效果最佳，集熱量最大。但在實際工程中，集熱器的安裝傾角一定，并且系統(tǒng)的儲熱能力一定，因此需考慮整年太陽能輻照分布，選取最佳安裝傾角。早在上世紀(jì)80年代，唐潤生等[1]對全國集熱器的最佳安裝角度進行了計算歸納，近期關(guān)于最佳安裝傾角的研究仍在繼續(xù)；馬江燕[2]對我國典型氣象年下的10個城市正南方位斜面上的太陽日輻射總量進行分析，并分析了最佳傾角的變化特點及最佳傾角的影響因素；李華山[3]對烏魯木齊地區(qū)的集熱器最佳傾角進行了計算分析；何世鈞等[4]以上海臨港地區(qū)為例進行太陽能最大利用傾角的計算機仿真與實驗；楊慶[5]在考慮熱水負荷情況下用計算機以蘭州地區(qū)為例進行了模擬計算，得出最佳傾角。本文在華南地區(qū)(以廣州典型氣象年的氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ))的氣候條件下，采用TRNSYS模擬軟件，以常用戶用太陽能熱水系統(tǒng)配置為基準(zhǔn)，模擬不同方位和不同安裝傾角的系統(tǒng)全年集熱效率、集熱量，以此給出華南地區(qū)的安裝角度推薦值。

1 模擬系統(tǒng)介紹

1.1 熱水系統(tǒng)配置

本文模擬針對常用家用系統(tǒng)的配置，即強制循環(huán)的2 m2集熱器+150 L水箱組合，其中集熱器采用珠海某太陽能公司生產(chǎn)的平板集熱器，瞬時效率截距為0.7214，總熱損系數(shù)為5.25 W/(m2·K)，水箱采用150 L保溫水箱，安裝傾角為集熱器與水平面的夾角。

1.2 建立系統(tǒng)TRNSYS模型

根據(jù)以上熱水系統(tǒng)配置，利用TRNSYS模擬軟件建立系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 戶用熱水系統(tǒng)的TRNSYS 模型

模擬系統(tǒng)的控制邏輯與實際系統(tǒng)相同，即集熱器進出口溫差達到10 ℃時，集熱循環(huán)啟動，低于2 ℃停止。另外假定每天18∶00～22∶00用戶用盡當(dāng)天所得熱水，向水箱補充冷水，第二天系統(tǒng)以自來水溫度開始集熱。

1.3 模型驗證

用實驗室實驗平臺實際測試的數(shù)據(jù)，包括集熱面輻照度、環(huán)境溫度、集熱器入口溫度、集熱循環(huán)流量等，驗證模擬集熱器的出口溫度與實測值誤差，結(jié)果見表1。

由表1可知，TRNSYS模擬的進出口溫差與實測進出口溫差誤差百分比均在10%以內(nèi)，認為該模型的模擬值可信度較高。

表1 軟件模型驗證

2 模擬結(jié)果

采用上述建立的系統(tǒng)模型對該系統(tǒng)進行全年運行效果的模擬，系統(tǒng)每日集熱量計算式為：

式中：c為水比熱容，kJ/(kg·℃)；m為水箱內(nèi)水的質(zhì)量，kg；Δt為每日水箱內(nèi)水的溫升，℃。

不同方向的模擬結(jié)果見表2～5，需要注意的是，表中加粗部分分別為該方位年輻照量、年集熱量及年集熱效率最佳傾角。

2.1 東向分析

由表2可知，當(dāng)集熱器朝向為東向時，集熱面上的輻照量隨著集熱器傾角的增大而減少，而集熱效率的變化趨勢與此不同，當(dāng)集熱器傾角為20°時，集熱系統(tǒng)集熱效率最高。

表2 集熱器方位朝正東時不同傾角下的全年集熱效果

2.2 西向分析

由表3可知，當(dāng)集熱器安裝方位為西向時，集熱器集熱面上的輻照量及集熱效率的變化趨勢與東向相似，都是傾角越大輻照量越少，但是集熱效率先升后降，在25°時最高。

表3 集熱器方位朝正西時不同傾角下的全年集熱效果

2.3 南向分析

由表4可知，當(dāng)集熱器的安裝方位為南向時，輻照量、集熱量、集熱效率都隨著傾角的變化呈先增后減趨勢。當(dāng)傾角為20°時，輻照量達到最大；當(dāng)傾角為25°時，集熱量達到最大。但集熱效率在35°時最高，這說明在傾角小于35°的情況下，南向輻照量大于熱水系統(tǒng)的集熱能力，使其效率未能達到最大。

表4 集熱器方位朝正南時不同傾角下的全年集熱效果

2.4 北向分析

由表5可知，當(dāng)集熱器的安裝方位為北向時，集熱面的輻照量隨傾角的增加而減少，集熱效率也隨著下降，說明對于北向，廣州地區(qū)的輻照量小于系統(tǒng)的集熱能力。

表5 集熱器方位朝正北時不同傾角下的全年集熱效果

3 結(jié)論

1)由模擬結(jié)果可知，在廣州地區(qū)輻照量最優(yōu)傾角為南向20°，集熱量最優(yōu)傾角為南向25°，集熱效率最優(yōu)傾角為南向35°。

2)在東、西及北向，各傾角斜面上的輻照量隨著傾角的增加而減少，總集熱量也隨著傾角的增加而減少。

3)在南向，各傾角斜面上的輻照量最大為20°，集熱量最大為25°，集熱效率最大為35°。

4)集熱系統(tǒng)的集熱效率并不完全隨輻照量的增加而增加，這與系統(tǒng)水箱的熱容量、環(huán)境溫度、輻照量的年分布及日分布情況有關(guān)。

5)對于用戶而言，太陽能熱水系統(tǒng)最重要的是回收期(不大于7年)，對系統(tǒng)而言，最重要的因素是集熱量而不是集熱效率，經(jīng)計算，當(dāng)用戶的回收期約為7年時，系統(tǒng)的年集熱量約為2000 MJ/m2，因此戶用太陽能熱水系統(tǒng)在廣州地區(qū)安裝的推薦傾角值見表6。

表6 戶用太陽能熱水系統(tǒng)屋頂安裝傾角推薦值

[1] 唐潤山, 呂恩萊. 集熱器最佳傾角的選擇[J]. 太陽能學(xué)報,1988, 9(4): 369－375.

[2] 馬江燕. 典型氣象年下我國正南安裝的太陽能集熱器最佳傾角的計算與分析[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2012, (4): 110－113, 123.

[3] 李華山. 烏魯木齊地區(qū)太陽能集熱器最佳傾角計算[J]. 太陽能, 2008, (10): 51－53.

[4] 何世鈞, 張雨, 周文君. 太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角的確定[J]. 太陽能學(xué)報, 2012, 33(6): 922－927.

[5] 楊慶. 考慮熱負荷的太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角確定[J]. 太陽能學(xué)報, 2007, 28(3): 309－313.