微通道平板集热器太阳能热水系统模拟分析

史宏岗，罗会龙，李云涛，关志中，张国健，刘禹琳

（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500）

0 引 言

太阳能是一种清洁的可再生能源，我国太阳能资源比较丰富，并且太阳能利用技术已趋于成熟。 其中，太阳能光热利用技术应用最为广泛，而太阳能热水系统则是该技术应用最成熟的一种方式[1]，其性能优劣直接与太阳能集热器有关，因此研究太阳能集热器对提高太阳能热利用效率具有重大意义。

国内学者沈向阳等[2]以广州地区为研究对象，使用TRNSYS 对CPC集热器太阳能热水系统进行了模拟分析，结果表明集热器最高出口温度在春分、夏至、秋分、冬至时期，分别达67.5 ℃、83.3 ℃、85.7 ℃、68.2 ℃，性能优于平板集热器。魏毅立等[3]针对传统平板集热器能源利用率低、用户生活质量差等问题，使用TRNSYS 软件对铝排管太阳能热水系统性能进行了模拟分析，结果表明该系统全年平均出口温度可达55 ℃以上，能源效率得到极大提高。 王忠海等[4]对使用热管式真空管集热器和平板集热器太阳能热水系统性能进行了TRNSYS 模拟分析，结果表明热管式真空管性能更优。 常晓琪[5]通过设计一种微通道平板集热器结构，并对该结构进行冬季供暖实验研究，结果发现该平板集热器集热效率高，日平均集热效率为63.6%，最高能达80.4%，集热效率远高于其他集热器。 周伟等[6]设计了一种微通道集热器，并应用在太阳能热泵热水系统进行性能研究，结果发现该系统集热效率及热泵COP都较高，系统性能显著提高。

国外学者Tiwari Arunendra K等[7]利用印度气候特点，使用TRNSYS 仿真软件评估了平板集热器太阳能热水系统的性能。 ARWN等[8]将真空平板太阳能集热器与传统热平板集热、PV/T集热器的性能和运行效率进行比较分析，结果表明真空板太阳能集热器更适合工程热应用，并且在低太阳辐射照度下，使用效果更加显著。 Shafieian A等[9]在西澳大利亚珀斯的寒冷气候条件下，对热管太阳能热水系统的热性能进行了理论和实验分析，结果表明热水消耗模式显著影响太阳能集热器和储水箱的温度分布，并且指出降低太阳能工作流体的质量流率对热管太阳能集热器的出口温度有积极影响。 Oyinlola等[10]首先建立了一个分析模型来预测微通道平板集热器流体温度及板温度分布，然后进行实验测试验证，结果发现模型预测的板温度曲线与测量的曲线一致，并且得出入口长度对吸热板温度分布有显著影响。 Jalal M Jalil等[11]将微通道应用在太阳能空气集热器中，采用CFD数值分析了该结构性能，结果表明使用微通道技术提高了集热器的集热效率。Allouhi A等[12]针对传统平板集热器吸收太阳能较低的问题，将热管应用到平板集热器中，对采用热管平板集热器的强制循环太阳能热水系统进行了瞬态性能分析，结果表明该系统在全年最冷的月份保持高达33%的合理热效率和4%的能源利用效率，并且太阳能保证率超过58%。 Agrawal等[13]采用了光伏/热并联和串联微通道中的空气通道来冷却太阳能电池。 结果表明，微通道光伏热的热效率和电效率分别为14.7%和10.8%，高于单通道光伏热。

综上所述，学者对热管集热器太阳能热水系统研究较多，对微通道平板集热器太阳能热水系统研究较少，并且国内研究主要集中于Fluent模拟，并未对整个太阳能热水系统进行研究分析。针对微通道平板集热器在太阳能热水系统应用较少，以及传统平板集热器集热效率低等问题，本文以温和地区丽江市某农村居住建筑为研究对象，使用TRNSYS 仿真软件对微通道平板集热器太阳能热水系统进行模拟分析，对提高新能源热利用效率具有重要的指导意义。

1 微通道平板集热器数学模型

微通道平板集热器结构由集管、外壳、保温层、微通道吸热板和玻璃盖板五部分组成（见图1）。

图1 微通道平板集热器结构

微通道平板集热器的传热过程可以描述为：当太阳辐射透过玻璃盖板，投射在微通道吸热板上时，这部分能量称为投射在集热器上的总辐射能QA，此时吸热板吸收太阳辐射，将太阳能转换为热能，这部分热能一些被换热流体吸收，转换为高温热水，称为集热器吸收的有效能QU。 同时转换的热能一部分以辐射和对流换热的方式向吸热板顶部、底部及侧面散失，称为集热器的热损失能QL。 此外，集热器吸收的热能还有一部分能量储存在自身装置里，称为集热器的自身储热能QS。 集热器整个能量传递过程[14]如图2所示。

图2 集热器能量传递过程

根据上述集热器能量传递过程得到能量守恒表达式[15]为：

式中：QA为投射在集热器上的总辐射能，W；QU为集热器吸收的有效能，W；QL为集热器的热损失能，W；QS为集热器的自身储热能，W。

其中，

式中：A为集热器面积，m2；I为倾斜面上的太阳能辐照量，kJ/（h·m2）；m为集热器中流体的流量，kg/h；Cp为 流 体 的 比 定 压 热 容，k J/（kg·K）；To为集热器出口温度，K；Ti为集热器入口温度，K；AS为集热器表面积，m2；UL为集热器总损失系数，W/（m2·K）；TP为吸热板温度，K；Ta为环境温度，K；Md为集热器热容量，J/K；T为温度，K；t为时间，s。

在计算集热器集热效率时，需要在稳态工况下进行，因此集热器自身储热能QS=0。 根据以上方程，可以得到集热器集热效率表达式：

式中：FR为集热器热转移因子；（τa）n为标准状态下透射比与吸收比的乘积；a 为效率曲线斜率。

2 TRNSYS太阳能热水系统模拟过程

2.1 模块选择

TRNSYS 主要是通过模块连接进行模拟计算，因此在仿真计算之前需要选择模块类型，该TRNSYS太阳能热水系统仿真模型主要将用到以下模块：气象数据Type15-2、平板集热器Type1b、储热水箱Type4c、循环水泵Type3b、温度控制器Type2b、数据显示器Type65c。 由于TRNSYS 模块数据库并没有微通道平板集热器，但是可以通过修改集热器效率曲线参数，从而代替微通道平板集热器，主要修改参数，如图3 所示6 和7，其修改数值参阅文献[5]。

图3 微通道平板集热器效率曲线参数修改

2.2 参数选择

气象数据使用气象数据软件Meteonor-m导出丽江市TMY2 格式，如图4 所示，然后在TRNSYS气象数据模块中导入气象数据，如图5 所示。

图4 气象软件Meteonorm数据导出

图5 Type15-2 气象数据导入

每日用水量参考《GB50364 -2018 民用建筑太阳能热水系统应用计术标准》，设定每人消耗50 L，因此水箱体积选择200 L，循环水泵选择200 kg/h，集热器面积设置2 m2、3 m2、4 m2，进水温度为15 ℃、20 ℃、25 ℃、进水流量为20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h，安装倾角为30°、45°、60°，分别研究不同参数下，集热器出口温度和集热效率。

2.3 模块连接

微通道平板集热器太阳能热水系统工作原理：微通道平板集热器吸收太阳辐射，将吸收的太阳辐射能转换为热能，并把热能转换为热水的形式储存在储热水箱中，供热用户使用；温度控制器通过控制集热器出口温度与水箱进口温度温差，从而控制循环水泵是否向集热器输入冷水，完成整个系统用水循环。 因此TRNSYS 微通道平板集热器太阳能热水系统仿真模型如图6 所示。

图6 TRNSYS 微通道平板集热器太阳能热水系统仿真模型

2.4 模拟时间设定

本文主要研究集热器进口温度、进口流量，集热器面积及集热器倾角对太阳能热水系统性能的影响，是一个瞬态过程模拟。 因此为了提高模拟精度，本模拟只针对典型代表日，进行太阳能热水系统性能研究。 由于1 月是最冷月，因此选取1 月温度最低的一天进行24 h 模拟。 图7 为丽江市1 月逐时室外温度曲线，图8 为最冷日太阳辐射照度曲线。

图7 最冷月1 月逐时室外温度曲线

由图7 可知，丽江市最冷月室外温度最低在-3.3 ℃左右，在1 月13 日达到最低气温，因此选择最冷日为1 月13 日。 从图8 可知，日最大太阳辐射照度为766 W/m2，平均太阳辐射照度为385 W/m2左右，太阳辐射照度比较强烈，太阳能热水系统能完全运行。 此外，从图中还可以获得集热器从早上9 点开始吸收太阳辐射，然后随着时间增加，太阳辐射继续增大，在下午14 点时，达到最大值，最后开始下降为0，符合一天中太阳位置变化规律。综上所述，本文TRNSYS 太阳能热水系统仿真模型运行时间设定为288 ～312 h，时间步长为1 h。

图8 最冷日太阳辐射照度曲线

3 模拟结果分析

3.1 不同集热器面积对太阳能热水系统性能的影响

从图9 可知，集热器出口温度与集热效率随时间呈对称分布。 具体情况为：在早上9 点，集热器开始吸收太阳辐射，因此出口温度和集热效率开始上升，直到14 点达到最大值，因为此时太阳辐射达到最大值，然后开始下降，最后降为初始时刻温度，原因是太阳辐射降为零，集热器无法吸收太阳能。集热器出口温度随集热器面积增大而升高，集热效率随集热器面积增大而减小。 原因是投射在集热器上的太阳辐射能增大，集热器单位面积吸收的太阳辐射能减小。 此外，集热器面积对出口温度影响较大，对集热效率影响较小。 集热器面积分别为2 m2、3 m2、4 m2时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、77.6 ℃、95.7 ℃，最大集热效率分别为67.6%、63.5%、59.4%。 传统平板集热器集热器效率约在40% ～50%，可见微通道平板集热器集热效率比普通平板集热器高10%左右。

图9 不同集热器面积对太阳能热水系统性能的影响

3.2 不同集热器进口温度对太阳能热水系统性能的影响

从图10 可知，集热器出口温度和集热效率变化趋势没有发生明显变化，只是大小发生改变。 集热器出口温度随集热器进口温度的升高而升高，集热效率随进口温度升高而减小。 原因是集热器吸收太阳辐射，将光能转换为热能，并把热量传递给内部介质水，因此集热器进口温度升高出口温度必定也会升高，但是进口温度升高，微通道平板集热器内部换热流体水与吸热板对流换热减弱，集热器吸收的有效能减少，集热器向环境散失的热量增加，因此集热效率反而降低。 当进口温度分别为15 ℃、20 ℃、25 ℃时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、62.4 ℃、66.5 ℃，最大集热效率分别为65.6%、64.4%、63.1%，差距较小。

图10 不同集热器进口温度对太阳能热水系统性能的影响

3.3 不同集热器进口流量对太阳能热水系统性能的影响

由图11 可知，集热器出口温度随进口流量增大而降低，集热效率随进口流量增加而增大。 原因是单位时间内与吸热板换热的流体增加，湍流强度增大，水与管壁对流换热增强，吸收的热量更多，因此出口温度降低，集热效率增大。 当集热器进口流量分别为20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、50 ℃、44.5 ℃，最大集热效率分别为65.6%、66.6%、67.2%。

图11 不同集热器进口流量对太阳能热水系统性能的影响

3.4 不同集热器安装倾角对太阳能热水系统性能的影响

从图12 可知，不同集热器安装倾角对集热器出口温度有不同的影响，这是因为不同安装角度，投射在集热器上的太阳辐射量不同，因此吸收的太阳辐射能也就不同。 当集热器倾角分别为30°、45°、60°时，集热器最高出口温度分别58.8 ℃、61.4 ℃、54.0 ℃，最大集热效率分别为66.9%、70.7%、59.6%。

图12 不同集热器倾角对太阳能热水系统性能的影响

4 结 论

（1）微通道平板集热器出口温度随集热器面积增大、进口温度升高而升高，随进口流量增大而降低；集热效率随集热器面积增大、进口温度升高而减小，随进口流量增加而增加；不同的集热器倾角，集热器出口温度和集热效率不同。

（2）集热器面积分别为2 m2、3 m2、4 m2时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、77.6 ℃、95.7 ℃，最大集热效率分别为67.6%、63.5%、59.4%；集热器进口温度分别为15 ℃、20 ℃、25 ℃时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、62.4 ℃、66.5 ℃，最大集热效率分别为65.6%、64.4%、63.1%；集热器进口流量分别为20 kg/h、25 kg/h、30 kg/h 时，集热器最大出口温度分别为58.2 ℃、50 ℃、44.5 ℃，最大集热效率分别为65.6%、66.6%、67.2%；集热器倾角分别为30°、45°、60°时，集热器最高出口温度分别58.8 ℃、61.4 ℃、54.0 ℃，最大集热效率分别为66.9%、70.7%、59.6%。

（3）与传统平板集热器相比，微通道平板集热器出口温度和集热效率更高。