老挝万象与中国昆明太阳能热水系统性能对比分析*

多拉，丁祥，张昱翀，高文峰，刘滔

(云南师范大学 太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650500)

1 引 言

老挝地处中南半岛，太阳能资源丰富[1]，近年来经济发展迅速，人民生活水平不断提高，对热水的需求也越来越大.太阳能热水系统由于经济性强、节能环保，近年来开始在老挝逐渐得到推广.为推动可再生能源技术的研发和推广，在中国科技部的支持下，云南师范大学与老挝科技部可再生能源与新材料研究院共同承建了“中国-老挝可再生能源联合实验室”，为老挝的可再生能源人才培养和可再生能源利用提供技术保障;在这一项目的推动下，近两年老挝开始在医院、学校以及部分居民家中逐步推广太阳能热水系统的使用，但在推广应用过程中，由于缺乏针对当地气候条件的设计参数和技术，很难保证系统的节能高效运行.为此，本文根据与老挝接壤且经贸关系密切的云南省常见的太阳能热水系统配置，利用POLYSUN软件，模拟和分析了一套太阳能热水系统在老挝首都万象和云南省省会昆明的运行，为老挝太阳能热水系统的设计提供参考.

POLYSUN 提供了全球8 000多个气象观测点的多年平均气象数据和1 000多个集太阳能光热、光伏、热泵模块的具有热水、发电、采暖、制冷等应用的设计模版，可方便地进行不同系统不同地点的运行特性分析、比较与优化[2-6].

2 气象数据与太阳能热水系统配置

2.1 气象数据对比

通过POLYSUN软件提供的昆明、万象两地气象数据，挑选出太阳辐照、环境温度、冷水温度等3个对太阳能热水系统性能影响显著的参数，按月平均进行比较分析(表1).从表1中可看出：昆明的多年平均年地面辐照总值为1 505 kWh/m2，而老挝万象为1 810 kWh/m2，万象的太阳能辐照值比昆明高出约五分之一，太阳能资源更为丰富.从月份分布看，除2-4月份万象的地面辐照总值与昆明相近外，其他月份万象的太阳辐照值均明显高于昆明但变化趋势较为相似.万象的地面辐照总值较高值出现在4-7月份，而昆明则是出现在3-5月份，雨季到来后，都出现明显下降，但昆明随着雨季的到来，地面辐照总值下降更为明显.在环境气温上，万象的年平均值为27 ℃且月平均气温变化较小，而昆明的年平均值为15.8 ℃且月平均气温变化相对较大.环境气温越高，太阳能的热损失越小，效率越高.从两地的冷水温度上看，万象也明显高于昆明.

表1 昆明和万象气象数据

2.2 系统设计

根据云南昆明最常见的太阳能热水系统配置方案[7]，设计了一套真空管太阳能+空气源热泵辅助的太阳能热水系统，将该系统分别在两地模拟进行.所设计的太阳能热水系统如图1所示.系统主要由真空管集热器、储热水箱、空气源热泵、控制系统和管路系统构成,各部件参数见表2.在设计系统时，为方便对系统的性能参数进行分析比较.假定太阳能热水系统提供的热水温度均为50 ℃，热水使用量均为5 000 L/d.

1.集热器 2.空气源热泵 3.水箱 4.控制器 5.水泵 6.三通混水阀

表2 系统各部件参数

3 模拟结果与分析

3.1 太阳能保证率

太阳能保证率是衡量太阳能热水系统运行特性的重要指标，其定义为太阳能的供给能量占所需总能量的比值[8],即：

(1)

其中：SF为太阳能保证率；QC为太阳能集热器得热量；Qaux为辅助能源加热量；QS为泵和控制系统等的运行耗能.

太阳能热水系统在两地的月平均太阳能保证率如图2所示，万象年平均太阳能保证率高达97.1%，昆明年平均太阳能保证率为71.7%，万象比昆明高出约25%.该太阳能热水系统在万象运行时，太阳能保证率全年都保持在高位且波动较小，最低的2月份为92%，都要比昆明一年中最高的太阳能保证率83%还要高.万象在每年的3、5、6、10、11月和12月这6个月中，太阳能保证率几乎可以达到100%，这一方面说明所设计的系统配置能够满足热水供应需求，另一方面也说明系统水温会过高，集热器面积配置偏大.

图2 昆明与万象的月平均太阳能保证率

3.2 储热水箱内的平均温度

图3为两地一年中水箱内的月平均温度变化图，太阳能热水系统在万象运行时，水箱内年平均水温为72.9 ℃，在昆明运行时的全年平均水温为49.2 ℃，万象的太阳能热水系统水温明显偏高，而对太阳能热水系统而言，水温偏高会带来系统易结垢，集热器和管路系统高温老化等问题，所以在万象设计安装太阳能热水系统时，应减小集热面积或增大储热水箱容量.

图3 昆明与万象两地水箱平均温度变化图

3.3 系统热泵消耗的电量

图4是太阳能热水系统中辅助热源空气源热泵的耗电量模拟运行结果.从图4可以看出，昆明使用该系统时，热泵的耗电量远远高于万象，在万象有几个月的耗电量几乎为0 kWh.4月份是两地区热泵能耗差最小的月份，为331 kWh，此时两地的太阳辐照值保持在较高水平，随后昆明系统中的热泵能耗迅速增加，而万象系统则保持相对平缓，在6月份两地区热泵能耗达到全年中最大差值，为805 kWh.因此，在昆明所设计的空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统配置直接用于万象是不合理的，万象空气源热泵工作时间很短，即使不配置热泵，单独太阳能热水系统也基本能满足用水温度和用热水量需求.

图4 热泵全年能耗图

4 结 语

以昆明地区典型的空气源热泵辅助加热太阳能热水系统配置为研究对象，使用POLYSUN可再生能源设计软件，基于昆明和万象不同的气候条件，对系统的运行性能进行对比分析，结论如下：

(1)万象的太阳能辐照值比昆明高出约五分之一，太阳能资源更为丰富.除2～4月份万象的地面辐照总值与昆明相近外，其他月份万象的太阳辐照值均明显高于昆明，但变化趋势较为相似.相比昆明而言，万象的环境温度值较高且月平均变化较小，冷水温度也明显高于昆明.

(2)万象年平均太阳能保证率高达97.1%，全年都保持在高位且波动较小，昆明年平均太阳能保证率为71.7%，万象比昆明高出约25%.太阳能保证率的变化与全年太阳辐照值的变化趋势相似.

(3)万象太阳能储热水箱内年平均水温72.9 ℃，而昆明为49.2 ℃.万象的储热水箱水温明显偏高，会带来系统易结垢，集热器和管路系统高温老化等问题，所以在万象设计安装太阳能热水系统时，建议减小集热面积或增大储热水箱容量.

(4)昆明空气源热泵的年耗电量远远高于万象，万象空气源热泵工作时间很短，即使不配置热泵，单独太阳能热水系统也基本能满足热水用量需求.