同濟大學(xué)      李崢嶸

同濟大學(xué)      趙群   徐尤錦   李翠

［摘   要］本文采用TRNSYS建立戶式太陽能熱水系統(tǒng)模型，分別基于ENERGYPLUS和NASA氣象參數(shù)輸入，分析平板型和真空管型戶式太陽能熱水系統(tǒng)性能。對平板型太陽能熱水系統(tǒng)，傾角大于20°后，ENERGYPLUS輸入有效集熱量大于NASA輸入；對于真空管型太陽能熱水系統(tǒng)，NASA輸入有效集熱量在任意傾角均大于ENERGYPLUS輸入。基于ENERGYPLUS典型氣象年數(shù)據(jù)，本文進一步模擬分析得到基于有效集熱量上海地區(qū)平板型太陽能熱水系統(tǒng)最佳傾角在32~33°之間，真空管型太陽能熱水系統(tǒng)最佳傾角為31°左右。

［關(guān)鍵詞］戶式太陽能熱水；最佳集熱器傾角；有效集熱量

基金項目：國家“十三五”科技支撐項目：近零能耗建筑技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)（2017yfc0702600）。

       0   引言

       我國太陽能熱利用占據(jù)世界71%的市場份額，主要以生活熱水為主，盡管近年整個市場出現(xiàn)下滑，但是2017年城鎮(zhèn)太陽能熱水集熱器鋪設(shè)面積仍高達1746.3萬m²，占據(jù)太陽能熱利用行業(yè)47%的市場份額。 ^[1]城鎮(zhèn)太陽能熱水運用技術(shù)主要有3類：集中集熱集中供熱太陽能熱水系統(tǒng)；集中集熱分戶供熱太陽能熱水系統(tǒng)；分散集熱分戶供熱太陽能熱水系統(tǒng)。^[2~4]前2類集熱器集中放置于屋頂或其他平面，后1類集熱器則根據(jù)用戶室外可利用面積進行安裝，常見安裝方式為陽臺壁掛，多為單戶太陽能熱水系統(tǒng)。集中集熱熱水系統(tǒng)集熱器可選擇熱管、真空管或平板集熱器，陽臺壁掛太陽能熱水系統(tǒng)出于安全考慮則多為平板集熱器，部分用戶選擇真空管集熱器。隨著城市住宅向高層住宅集中，屋頂面積十分有限，更多的用戶只能采用陽臺壁掛太陽能熱水系統(tǒng)。

       我國《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB 50015中設(shè)計熱水溫度為60℃，熱水定額為40~80L/人·天。豐曉航等調(diào)研發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國熱水制備技術(shù)以電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴鳛橹鳎急确謩e為25%、31%、21%，太陽能制備熱水仍然是多數(shù)用戶首選，熱水使用時間集中于7:00、14:00、21:00左右，用水定額為30L/人·天。^[5]王珊珊等調(diào)研表明居民用水時段集中于6:00~9:00、11:00~13:00、19:00~23:00，用水占比分別為20%、15%、65%，冬季用水量為40~65L/人，其他季節(jié)用水量在30~55L/人。^[6~7]張磊調(diào)研表明采用局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)，居民平均日熱水用量取30~40L/人比較合適。^[8]崔新明等對高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積調(diào)查表明戶式太陽能熱水系統(tǒng)中人均所需系統(tǒng)集熱器面積約為0.53m²，日均熱水用量為35L/人·天。[9]何世鈞等對太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角進行計算模擬分析發(fā)現(xiàn)上海臨港地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)最大化利用太陽能集熱器傾角為35.4°。^[10]

       本文基于我國城鎮(zhèn)太陽能熱水運用現(xiàn)狀，設(shè)定熱水定額為40L/人·天，洗浴熱水供應(yīng)溫度為60℃，生活熱水供應(yīng)溫度為45℃，戶均人數(shù)為4人，根據(jù)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)運用技術(shù)規(guī)范》計算有平板集熱器所需面積為3.8m2，真空管集熱器所需面積為3.1m²，蓄熱水箱容積為160L，分別針對真空管和平板集熱器不同傾角戶式太陽能熱水系統(tǒng)進行模擬分析，分析上海地區(qū)戶式太陽能熱水系統(tǒng)最佳傾角、45℃供熱水小時數(shù)、60℃供熱水小時數(shù)，對比上海地區(qū)兩種集熱器有效得熱量差異及不同氣象參數(shù)使用差異。

       1   平板集熱器戶式太陽能熱水系統(tǒng)性能分析

       目前國際上太陽能熱利用模擬分析主要采用2種氣象數(shù)據(jù)，分別為EnergyPlus和NASA典型氣象年數(shù)據(jù)，本文采用TRNSYS18.0對兩種氣象文件下平板集熱器戶式太陽能熱水系統(tǒng)進行性能分析，通過改變集熱器傾角，分析不同集熱器傾角工況有效集熱量、集熱器出口溫度、水箱溫度及熱水供應(yīng)溫度變化。TRNSYS模型見圖1。

圖1   平板太陽能熱水系統(tǒng)TRNSYS模型

       1.1   ENERGYPLUS氣象數(shù)據(jù)全年系統(tǒng)性能分析

       對TRNSYS模型輸入ENERGYPLUS氣象文件，以10°為間隔對全年戶式平板太陽能熱水系統(tǒng)進行模擬分析，模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)集熱器傾角為30°時，單位面積集熱器全年集熱量最大，達到397kW·h。見圖：平板集熱器出口溫度隨集熱器傾角增大呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，傾角較小時，集熱器出口溫度最高可達120℃，水箱溫度可達100℃，逼近沸點。當(dāng)集熱器傾角提高到90℃時，集熱器最高出口溫度降低至93℃，水箱最高溫度僅為64℃。見圖2。

圖2   ENERGYPLUS氣象文件集熱量及水箱最高出水溫度

       1.2   Meteonorm氣象數(shù)據(jù)全年系統(tǒng)性能分析

       對TRNSYS模型輸入ENERGYPLUS氣象文件，以10°為間隔對全年戶式平板太陽能熱水系統(tǒng)進行模擬分析，模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)集熱器傾角為30°時，單位面積集熱器全年集熱量最大，達到395kW·h。平板集熱器出口溫度隨集熱器傾角增大呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，傾角較小時，集熱器出口溫度最高可達138℃，水箱溫度可達104℃，逼近沸點。當(dāng)集熱器傾角提高到90°時，集熱器最高出口溫度降低至97℃，水箱最高溫度僅為71℃。見圖3。

圖3   NASA氣象文件集熱量及水箱最高出水溫度

       1.3   不同氣象參數(shù)輸入對比分析

       對比分析兩種氣象文件下不同集熱器傾角有效得熱量和集熱器最高出口溫度發(fā)現(xiàn)，集熱器傾角小于20°時，NASA氣象文件輸入具有更高得熱量。集熱器傾角超過20°后，ENERGYPLUS氣象文件輸入具有更高得熱量。見圖4。

圖4   兩種氣象文件平板集熱器有效得熱量對比

       對比最高出口溫度發(fā)現(xiàn)，NASA輸入集熱器最高出口溫度均高于ENERGYPLUS輸入集熱器最高出口溫度。見圖5。

圖5   兩種氣象文件平板集熱器最高出口溫度

       2   真空管集熱器戶式太陽能熱水系統(tǒng)性能分析

       本文采用TRNSYS18.0對兩種氣象文件下真空管集熱器戶式太陽能熱水系統(tǒng)進行性能分析，通過改變集熱器傾角，分析不同集熱器傾角工況有效集熱量、集熱器出口溫度、水箱溫度及熱水供應(yīng)溫度變化。TRNSYS模型見圖6。

圖6   真空管太陽能熱水系統(tǒng)TRNSYS模型

       2.1   ENERGYPLUS氣象數(shù)據(jù)全年系統(tǒng)性能分析

       模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)集熱器傾角為30°時，單位面積集熱器全年集熱量最大，達到400kW·h。見圖：平板集熱器出口溫度隨集熱器傾角增大呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，傾角較小時，集熱器出口溫度最高可達167℃，水箱溫度可達104℃。當(dāng)集熱器傾角提高到90℃時，集熱器最高出口溫度降低至125℃，水箱最高溫度僅為69℃。見圖7。

圖7   ENERGYPLUS氣象文件集熱量及水箱最高出水溫度

       2.2   Meteonorm氣象數(shù)據(jù)全年系統(tǒng)性能分析

       模擬數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)集熱器傾角為30°時，單位面積集熱器全年集熱量最大，達到495kW·h。平板集熱器出口溫度隨集熱器傾角增大呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，傾角較小時，集熱器出口溫度最高可達192℃，水箱溫度可達105℃。當(dāng)集熱器傾角提高到90°時，集熱器最高出口溫度降低至128℃，水箱最高溫度僅為74℃。見圖8。

圖8   NASA氣象文件集熱量及水箱最高出水溫度

       2.3   不同氣象參數(shù)輸入對比分析

       對比分析兩種氣象文件下不同集熱器傾角有效得熱量和集熱器最高出口溫度發(fā)現(xiàn)，NASA氣象文件輸入具有更高得熱量，平均高出100kW·h/m²·a。見圖9。

圖9   兩種氣象文件真空管集熱器有效得熱量對比

       對比最高出口溫度發(fā)現(xiàn)，NASA輸入集熱器最高出口溫度均高于ENERGYPLUS輸入集熱器最高出口溫度。但隨著傾角增大，溫度差異逐漸減小。見圖10。

圖10    兩種氣象文件真空管集熱器最高出口溫度

       3   洗浴及生活熱水小時數(shù)分析

       目前國內(nèi)生活熱水設(shè)計溫度為45℃左右，洗浴熱水設(shè)計溫度為60℃左右，因此本文根據(jù)不同工況太陽能熱水系統(tǒng)進一步統(tǒng)計得到45℃和60℃供熱水小時數(shù)。

       45℃設(shè)計工況下，ENERGYPLUS平板工況最大可供熱水小時數(shù)為4615h，集熱器傾角為40°；ENERGYPLUS真空管工況最大可供熱水小時數(shù)為4606h，集熱器傾角為40°；NASA平板工況最大可供熱水小時數(shù)為4345h，集熱器傾角為30°；NASA真空管工況最大可供熱水小時數(shù)為4434h，集熱器傾角為30°。可見，45℃設(shè)計供水溫度下NASA輸入可供熱水時數(shù)要小于ENERGYPLUS輸入。從各傾角工況分布看，集熱器傾角小于20°時，NASA輸入可供熱水小時數(shù)大于ENERGYPLUS輸入，集熱器傾角大于20°后則ENERGYPLUS輸入可供熱水小時數(shù)大于NASA輸入。見圖11。

圖11   45℃供熱水小時數(shù)

       60℃設(shè)計工況下，ENERGYPLUS平板工況最大可供熱水小時數(shù)為2319h，集熱器傾角為40°；ENERGYPLUS真空管工況最大可供熱水小時數(shù)為2414h，集熱器傾角為30°；NASA平板工況最大可供熱水小時數(shù)為2436h，集熱器傾角為30°；NASA真空管工況最大可供熱水小時數(shù)為2596h，集熱器傾角為30°。NASA輸入真空管太陽能熱水系統(tǒng)可供熱水小時數(shù)最高，集熱器傾角在40°以內(nèi)，NASA輸入平板太陽能熱水系統(tǒng)可供熱水小時數(shù)大于ENERGYPLUS輸入，集熱器傾角在40°~80°時，NASA輸入平板太陽能熱水系統(tǒng)可供熱水小時數(shù)低于ENERGYPLUS輸入。見圖12。

圖12   60℃供熱水小時數(shù)

       4   最佳集熱器傾角確定

       前述分析已發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)當(dāng)集熱器傾角為30°左右時，太陽能熱水系統(tǒng)能夠最大化得熱，本文基于ENERGYPLUS氣象參數(shù)輸入進一步以1°為間隔在30°左右取值，尋找最佳集熱器傾角。

       上海地區(qū)平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角為32~33°，單位面積最大集熱量為397.4kW·h。但最大45℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為37°，供水時數(shù)為4667h；最大60℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為35°，供水時數(shù)為2360h。見圖13。

圖13   平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)最佳集熱器傾角

       上海地區(qū)真空管集熱器太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最佳傾角為31°，單位面積最大集熱量為491kW·h。但最大45℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為33°，供水時數(shù)為4625h；最大60℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為28°，供水時數(shù)為2414h。見圖14。

圖14   真空管集熱器太陽能熱水系統(tǒng)最佳集熱器傾角

       5   總結(jié)

       本文基于上海地區(qū)、NASA和ENERGYPLUS兩種氣象輸入?yún)?shù)，采用TRNSYS軟件對太陽能熱水系統(tǒng)進行模擬分析。主要有以下結(jié)論：

     （1）NASA和ENERGYPLUS氣象條件下，太陽能熱水系統(tǒng)均在30°左右獲取最大單位面積有效集熱；

     （2）NASA輸入太陽能熱水系統(tǒng)集熱器最高出水溫度及水箱最高溫度較ENERGYPLUS輸入高；

     （3）NASA和ENERGYPLUS氣象條件下，單位面積真空管集熱器集熱量較平板集熱器多，集熱器最高出水溫度較平板集熱器要高40~50℃，水箱最高溫度差異較小。

     （4）平板太陽能熱水系統(tǒng)最大45℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為37°，供水時數(shù)為4667h；最大60℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為35°，供水時數(shù)為2360h。

     （5）真空管太陽能熱水系統(tǒng)最大45℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為33°，供水時數(shù)為4625h；最大60℃熱水供水時數(shù)出現(xiàn)在集熱器傾角為28°，供水時數(shù)為2414h。

     （6）ENERGYPLUS氣象條件下，基于集熱量上海地區(qū)平板集熱器太陽能熱水系統(tǒng)最佳集熱器傾角為32~33°，真空管集熱器太陽能熱水系統(tǒng)最佳集熱器傾角為31°。

參考文獻

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       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2019年5月刊總第21期。
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