户用太阳能热水系统集热器最优安装倾角的TRNSYS模拟分析

珠海兴业新能源科技有限公司 ■ 姚莉 余国保 张玲

华南理工大学 ■ 黄光汉

0 引言

太阳能热水系统中集热器的安装角度对集热效果有着至关重要的影响，理论上当集热器集热面始终与太阳光入射角垂直时，集热系统的集热效果最佳，集热量最大。但在实际工程中，集热器的安装倾角一定，并且系统的储热能力一定，因此需考虑整年太阳能辐照分布，选取最佳安装倾角。早在上世纪80年代，唐润生等[1]对全国集热器的最佳安装角度进行了计算归纳，近期关于最佳安装倾角的研究仍在继续；马江燕[2]对我国典型气象年下的10个城市正南方位斜面上的太阳日辐射总量进行分析，并分析了最佳倾角的变化特点及最佳倾角的影响因素；李华山[3]对乌鲁木齐地区的集热器最佳倾角进行了计算分析；何世钧等[4]以上海临港地区为例进行太阳能最大利用倾角的计算机仿真与实验；杨庆[5]在考虑热水负荷情况下用计算机以兰州地区为例进行了模拟计算，得出最佳倾角。本文在华南地区(以广州典型气象年的气象数据为基础)的气候条件下，采用TRNSYS模拟软件，以常用户用太阳能热水系统配置为基准，模拟不同方位和不同安装倾角的系统全年集热效率、集热量，以此给出华南地区的安装角度推荐值。

1 模拟系统介绍

1.1 热水系统配置

本文模拟针对常用家用系统的配置，即强制循环的2 m2集热器+150 L水箱组合，其中集热器采用珠海某太阳能公司生产的平板集热器，瞬时效率截距为0.7214，总热损系数为5.25 W/(m2·K)，水箱采用150 L保温水箱，安装倾角为集热器与水平面的夹角。

1.2 建立系统TRNSYS模型

根据以上热水系统配置，利用TRNSYS模拟软件建立系统模型，如图1所示。

图1 户用热水系统的TRNSYS 模型

模拟系统的控制逻辑与实际系统相同，即集热器进出口温差达到10 ℃时，集热循环启动，低于2 ℃停止。另外假定每天18∶00～22∶00用户用尽当天所得热水，向水箱补充冷水，第二天系统以自来水温度开始集热。

1.3 模型验证

用实验室实验平台实际测试的数据，包括集热面辐照度、环境温度、集热器入口温度、集热循环流量等，验证模拟集热器的出口温度与实测值误差，结果见表1。

由表1可知，TRNSYS模拟的进出口温差与实测进出口温差误差百分比均在10%以内，认为该模型的模拟值可信度较高。

表1 软件模型验证

2 模拟结果

采用上述建立的系统模型对该系统进行全年运行效果的模拟，系统每日集热量计算式为：

式中：c为水比热容，kJ/(kg·℃)；m为水箱内水的质量，kg；Δt为每日水箱内水的温升，℃。

不同方向的模拟结果见表2～5，需要注意的是，表中加粗部分分别为该方位年辐照量、年集热量及年集热效率最佳倾角。

2.1 东向分析

由表2可知，当集热器朝向为东向时，集热面上的辐照量随着集热器倾角的增大而减少，而集热效率的变化趋势与此不同，当集热器倾角为20°时，集热系统集热效率最高。

表2 集热器方位朝正东时不同倾角下的全年集热效果

2.2 西向分析

由表3可知，当集热器安装方位为西向时，集热器集热面上的辐照量及集热效率的变化趋势与东向相似，都是倾角越大辐照量越少，但是集热效率先升后降，在25°时最高。

表3 集热器方位朝正西时不同倾角下的全年集热效果

2.3 南向分析

由表4可知，当集热器的安装方位为南向时，辐照量、集热量、集热效率都随着倾角的变化呈先增后减趋势。当倾角为20°时，辐照量达到最大；当倾角为25°时，集热量达到最大。但集热效率在35°时最高，这说明在倾角小于35°的情况下，南向辐照量大于热水系统的集热能力，使其效率未能达到最大。

表4 集热器方位朝正南时不同倾角下的全年集热效果

2.4 北向分析

由表5可知，当集热器的安装方位为北向时，集热面的辐照量随倾角的增加而减少，集热效率也随着下降，说明对于北向，广州地区的辐照量小于系统的集热能力。

表5 集热器方位朝正北时不同倾角下的全年集热效果

3 结论

1)由模拟结果可知，在广州地区辐照量最优倾角为南向20°，集热量最优倾角为南向25°，集热效率最优倾角为南向35°。

2)在东、西及北向，各倾角斜面上的辐照量随着倾角的增加而减少，总集热量也随着倾角的增加而减少。

3)在南向，各倾角斜面上的辐照量最大为20°，集热量最大为25°，集热效率最大为35°。

4)集热系统的集热效率并不完全随辐照量的增加而增加，这与系统水箱的热容量、环境温度、辐照量的年分布及日分布情况有关。

5)对于用户而言，太阳能热水系统最重要的是回收期(不大于7年)，对系统而言，最重要的因素是集热量而不是集热效率，经计算，当用户的回收期约为7年时，系统的年集热量约为2000 MJ/m2，因此户用太阳能热水系统在广州地区安装的推荐倾角值见表6。

表6 户用太阳能热水系统屋顶安装倾角推荐值

[1] 唐润山, 吕恩莱. 集热器最佳倾角的选择[J]. 太阳能学报,1988, 9(4): 369－375.

[2] 马江燕. 典型气象年下我国正南安装的太阳能集热器最佳倾角的计算与分析[J]. 铁道建筑技术, 2012, (4): 110－113, 123.

[3] 李华山. 乌鲁木齐地区太阳能集热器最佳倾角计算[J]. 太阳能, 2008, (10): 51－53.

[4] 何世钧, 张雨, 周文君. 太阳能热水系统集热器最佳倾角的确定[J]. 太阳能学报, 2012, 33(6): 922－927.

[5] 杨庆. 考虑热负荷的太阳能热水系统集热器最佳倾角确定[J]. 太阳能学报, 2007, 28(3): 309－313.