新型鋁排管太陽能熱水系統(tǒng)仿真研究

魏毅立，郭靜軒

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)光熱與風(fēng)能發(fā)電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古包頭014010）

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大中小企業(yè)的運(yùn)行排放及城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村的生活排放越來越多對(duì)于環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重，盡管采取了很多措施，但產(chǎn)生的影響是很難消除的。提高清潔能源的利用，降低污染排放，這對(duì)改善環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要［1-2］。

相比于傳統(tǒng)能源來講，太陽能可以說是取之不盡用之不竭的清潔能源?，F(xiàn)在太陽能的利用也比較普遍，比如太陽能發(fā)電、太陽能供暖、太陽能熱水器等。太陽能等清潔能源的利用，不僅可以改善環(huán)境污染問題，還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排［3］。

在可行范圍內(nèi)對(duì)于需要的能源進(jìn)行能源代替或能源互補(bǔ)利用，可以在一定程度上減少對(duì)環(huán)境的影響［4］。太陽能熱水的使用就是一種能源代替的方式。不僅可以摒棄傳統(tǒng)生活中對(duì)于供暖以及生活熱水的單一能源依靠，還可以降低生活成本，提高生活質(zhì)量。

目前政策也在大力引導(dǎo)新能源的使用，如煤改電的大力推行，山東對(duì)太陽能工業(yè)熱利用系統(tǒng)（Solar Heat Industrial Processes，SHIP）的資助，甘肅3 億元對(duì)采暖問題的重視等多省市政策的指導(dǎo)，都在加強(qiáng)對(duì)新能源的重視。

本文以太陽能熱水系統(tǒng)為例，利用Trnsys 軟件對(duì)太陽能在現(xiàn)代應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并以包頭市的氣象條件為例，對(duì)鋁排管平板集熱器在太陽能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以提升對(duì)太陽能的開發(fā)利用，提高能源利用率，在降低運(yùn)行成本的前提下提升居民的生活質(zhì)量。

1 太陽能熱水系統(tǒng)

1.1 太陽能熱水系統(tǒng)理論基礎(chǔ)

甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、西藏地區(qū)為太陽能輻射量級(jí)一區(qū)，年總輻射量高達(dá)5 900 ～8 000 MJ/m2，按國家標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，這些輻射量相當(dāng)于201.6 ～273.41 kg 的標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量，此輻照量是完全滿足熱水供應(yīng)需求的［5］。此外，高海拔地區(qū)的輻照度往往處于高量級(jí)地區(qū)，但供暖以及熱水供應(yīng)大多數(shù)依靠鍋爐集中供應(yīng)，或者單用戶依靠傳統(tǒng)能源或電能來獲取，這種方式不僅造成能源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)生活環(huán)境造成影響［6］。

1.2 太陽能熱水系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能熱水系統(tǒng)主要由集熱器、水箱、水泵、控制器組成［7］。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)

集熱器［8-9］主要作為蒸發(fā)器，吸收環(huán)境中的輻射能，包括直射輻射、散射輻射、地面輻射與空氣能等來給工質(zhì)加熱，利用水泵進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，經(jīng)蓄熱水箱換熱，將水加熱到設(shè)定溫度以上，利用水泵將熱水供給末端設(shè)備。蓄熱水箱具有輔助加熱功能，以解決因輻照度不充足時(shí)集熱器出水溫度過低造成的供水溫度無法滿足要求的問題。

2 太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 太陽能集熱器

本文分析中采用的鋁排管平板集熱器，是一種新型的蒸發(fā)器，集熱效率相比普通的平板集熱器可提高43%。主要組成材料為鋁，其吸熱量可達(dá)到900 kJ/（h·m·K），并具有良好的延展性。在所涉及的實(shí)際供暖項(xiàng)目中均使用該類型集熱器，圖2 所示為該集熱器單管結(jié)構(gòu)圖。

圖2 集熱器單管結(jié)構(gòu)

鋁排管平板集熱器由圖2 所示的單管組合而成。管道內(nèi)徑為21 mm，外徑為25 mm，壁厚2 mm，翅片厚1 mm，管道與翅片連接為一體組成單管，單管總寬度為150 mm。單管與單管之間由相同材料的彎管連接而成，也就是U型管。鋁排管集熱器剖面圖與俯視圖分別如圖3、4 所示。

圖3 集熱器剖面圖

圖4 集熱器俯視圖

圖3、4 給出了鋁排管集熱器的結(jié)構(gòu)組成，其實(shí)物如圖5 所示。

2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)以滿足包頭地區(qū)農(nóng)戶熱水用量為要求，在符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，依據(jù)家庭用水量為前提，按分時(shí)段熱水供應(yīng)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，其分時(shí)段用熱水量見表1。由表1 可知全天總用水量為2. 6 m3，為保證用水量充足取為3 m3。

圖5 鋁排管平板集熱器

表1 分時(shí)段用熱水量

（2）集熱器設(shè)計(jì)。集熱器日產(chǎn)熱水量即為3 m3，集熱器的介質(zhì)是水，根據(jù)下式可計(jì)算出直接系統(tǒng)的集熱面積［10］：

式中：AC為直接系統(tǒng)集熱器集熱面積，m2；Qw為日產(chǎn)熱水量，此為3 m3；Cw為水的比熱，4. 187 kJ/（kg·℃）；tto為蓄熱水箱出水設(shè)定溫度，此為60 ℃；ti為入水口的初始水溫，此為15 ℃；f為太陽能保證率，此為0.6；JT為集熱器表面全年日均輻照值，此為20 kJ/m2；ηcd為集熱器集熱效率，此為0.85；ηL為管路及蓄熱水箱熱損率，為保證與trnsys系統(tǒng)計(jì)算規(guī)律一致，此為0.2。

將數(shù)據(jù)代入式（1）計(jì)算可得，直接系統(tǒng)的集熱面積為25.2 m2，該系統(tǒng)采用的是間接系統(tǒng)，間接系統(tǒng)面積計(jì)算如下［11］。

式中：Ain為間接系統(tǒng)集熱面積，m2；Ac為直接系統(tǒng)集熱面積，m2；UL為集熱器總熱損系數(shù)，此為5 W/（m2/℃）；Uhx為蓄熱水箱換熱傳熱系數(shù)，此為2 kW/（m2·℃-1）；Ahx為間接系統(tǒng)換熱面積，此為0.5 m2。可以得到間接系統(tǒng)集熱面積為28. 3 m2，實(shí)際取值29 m2。

（3）蓄熱水箱設(shè)計(jì)。蓄熱水箱［12］采用帶有電輔助加熱的容積式水箱，在滿足熱水供應(yīng)的同時(shí)，還可以保證在水箱內(nèi)部的水量有一定余量。設(shè)計(jì)日熱水供應(yīng)量為3m3，還應(yīng)將水箱內(nèi)部換熱面積，電輔助加熱面積計(jì)算在內(nèi)，還有在太陽輻射不充足的情況下，要保證第2 天的熱水供應(yīng)滿足要求，在此基礎(chǔ)上，將水箱容積設(shè)定為6 m3。

3 Trnsys建模

3.1 集熱器建模

根據(jù)鋁排管平板集熱器各項(xiàng)參數(shù)與集熱面積設(shè)計(jì)參數(shù)，在trnsys軟件中選擇type565 作為該集熱器的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

集熱器設(shè)計(jì)面積29 m2，長度6.5 m，寬4.5 m，而支撐架與集熱器U型管需要留有大約5 ～10 cm 的余量距離，考慮到占地面積與承重因素，在此取為5 cm。在集熱器參數(shù)設(shè)置中，第1 項(xiàng)集熱器長度為介質(zhì)流向的長度，與集熱器實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)保持一致，設(shè)定值為6.6 m。集熱器寬度在保證余量距離的情況下設(shè)定為4.6 m。集熱器傾角通過包頭經(jīng)緯度計(jì)算取值為58°，集熱器鋁排管長度、鋁排管內(nèi)外徑，翅片厚度，材料吸熱量等參數(shù)如圖6 所示。

圖6 集熱器參數(shù)設(shè)置

3.2 蓄熱水箱建模

蓄熱水箱采用的是帶有電輔助加熱的容積式水箱，在trnsys中選用type4 模塊，可以將水箱進(jìn)行分層分析，其示意如圖7 所示。

圖7 水箱分層圖

自上而下分別是第1 ～ 6 層［13］。第1 層是極熱層，是集熱器出口介質(zhì)的入口處，也是負(fù)荷側(cè)熱水出口。第6 層是熱源側(cè)回水出口，也是冷水的入口處［14］。

水箱體積參數(shù)值如圖8 中序號(hào)2，設(shè)定為6 m3。每層高度0.3 m。水箱內(nèi)輔助加熱裝置工質(zhì)比熱容、水箱熱損失系數(shù)、水箱內(nèi)液體密度等參數(shù)設(shè)置如圖8所示。

圖8 水箱參數(shù)設(shè)置

3.3 系統(tǒng)建模

利用Trnsys強(qiáng)大的瞬態(tài)分析功能，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行整體建模分析，集熱器和水箱的部件建模以及參數(shù)設(shè)置見圖6 ～8，其余部件的選型見表2。

表2 部件類型圖

根據(jù)表1 進(jìn)行全天用水量建模，利用type14b 進(jìn)行建模，10 倍用水量建模結(jié)果如圖9 所示。

圖9 用水量建模

為了更清晰的對(duì)用水量進(jìn)行建模展示，圖9 是根據(jù)表1 用水量，放大10 倍后的結(jié)果。在以上部件建?；A(chǔ)上，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行整體建模分析，其整體建模仿真圖如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)建模

圖10 中：type23 是PID 控制器，type110 為變速泵，控制方式選用PI 控制，水泵的額定功率為0. 1 kW。當(dāng)集熱器出口溫度比蓄熱水箱熱源側(cè)回水溫度高10 ℃以上的時(shí)間內(nèi)，type110 水泵處于開啟狀態(tài)。當(dāng)集熱器出口溫度與蓄熱水箱熱源側(cè)回水溫度差值在2 ℃以內(nèi)，type110 處于關(guān)閉狀態(tài)。該運(yùn)行狀態(tài)的判斷是在equation 內(nèi)進(jìn)行的，由equation 對(duì)type23 輸出0或1 信號(hào)來進(jìn)行type110 的啟?？刂?。

Type110 的流量控制是由type23 控制器進(jìn)行控制的。集熱器出口溫度在控制系統(tǒng)中是控制變量，參考變量是蓄熱水箱熱源側(cè)回水溫度值的基礎(chǔ)上高出10 ℃。兩者誤差經(jīng)過PI 控制器后輸出作用于type110的控制量。在不同控制量的作用下實(shí)現(xiàn)變速泵的變流量［15-16］運(yùn)行。

3.4 結(jié)果分析

太陽能熱水系統(tǒng)的主要目的是為用戶提供全年的熱水用量，滿足每天的熱水供應(yīng)需求。實(shí)現(xiàn)滿足熱水供應(yīng)需求的最直接表現(xiàn)為在氣溫較高的季節(jié)內(nèi)，可以最低的輔助加熱功耗，甚至無加熱功耗的工況運(yùn)行。在寒冷季節(jié)時(shí)間段內(nèi)，盡可能地減少輔助加熱功耗，將運(yùn)行成本降到最低。以包頭市天氣條件為例，進(jìn)行太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行仿真。

包頭市全年的環(huán)境溫度如圖11 所示。

圖11 包市全年環(huán)境溫度

圖11 中，底部時(shí)間段為全年時(shí)間，以小時(shí)為單位。其中trnsys軟件中的時(shí)間設(shè)置為1 月份共31 天，時(shí)間為0 ～744 h。2 月份共28 天，時(shí)間段為744 ～1 416 h。后續(xù)月份時(shí)間段的設(shè)定也是相同的設(shè)定模式。由圖11 可見，環(huán)境溫度相對(duì)較高的時(shí)間段出現(xiàn)在5 月底到9 月初的時(shí)間，也就是3 260 ～5 995 h的時(shí)間段內(nèi)。在這段時(shí)間的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行工況如圖12 所示。

圖12 水箱頂部出水溫度

將水箱出口溫度值設(shè)定為60 ℃。在5 月底到9月初的時(shí)間段內(nèi)，水箱頂部出水溫度總體在70 ℃左右，在該時(shí)間段內(nèi)，只有4 天時(shí)間水箱出水溫度沒達(dá)到60 ℃，需要進(jìn)行輔助加熱。另外，在該時(shí)間段前后的過渡季，由于氣溫以及輻射量的改變，有幾天的出水溫度也沒有達(dá)到要求。經(jīng)過在圖中時(shí)間段的測(cè)算，前過渡季在3 260 ～3 300 h 時(shí)間內(nèi)，大約為1.6 天的時(shí)間沒有達(dá)到出水要求。后過渡季在5 892 ～5 960 h時(shí)間內(nèi)，大約有2.8 天沒有達(dá)到要求。該時(shí)間段內(nèi)的耗電量如圖13 所示。

圖13 耗電量

在包頭市氣象條件下，總體4 個(gè)月的較高溫度時(shí)間內(nèi)，有8 天時(shí)間需要進(jìn)行輔助加熱，在此期間水泵和水箱的運(yùn)行耗電量如圖13 所示。水泵運(yùn)行其耗電量僅為43.52 kW·h。水箱運(yùn)行耗電量為124.6 kW·h。用戶側(cè)出水溫度如圖14 所示。

圖14 用戶側(cè)出水溫度

冷水補(bǔ)水溫度設(shè)定為15 ℃，用戶側(cè)出水溫度均在45 ℃以上，并且出水溫度平均值在60 ℃以上，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)與用戶需求。

較冷季節(jié)時(shí)間段的運(yùn)行仿真，在trnsys 軟件中的時(shí)間設(shè)置變?yōu)? 995 ～12 020 h。該段時(shí)間的運(yùn)行結(jié)果如圖15 ～17 所示。

圖15 水箱出水溫度

在9 月到次年5 月的水箱運(yùn)行結(jié)果來看，在過渡季的時(shí)間段內(nèi)，出水溫度受太陽輻射和氣溫影響，出水溫度較高，相比12 月和1 月時(shí)間段內(nèi)，出水溫度達(dá)到60 ℃以上的時(shí)間相對(duì)較多，通過輔助加熱來維持出水溫度的時(shí)間也相對(duì)較少。在12 月和1 月時(shí)間段內(nèi)，水箱出水溫度基本需要輔助加熱來維持。

圖16 冷季耗電量

圖17 冷季用戶側(cè)出水溫度

冷季耗電量相對(duì)于熱季有明顯增大，水箱運(yùn)行耗電量為3 299 kW·h，水泵運(yùn)行耗電量為47.62 kW·h。其中一個(gè)原因是供應(yīng)熱水的周期增長，另一個(gè)重要原因就是相比于熱季的太陽輻射量和氣溫下降導(dǎo)致系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)下的自然吸熱量減少與換熱量的不足，輔助加熱量的明顯增多而增加的耗電量。

從圖17 可以看出，冷季用戶側(cè)的出水溫度受換熱量的影響，出口平均溫度大幅降低，但依靠輔助加熱的效果，用戶側(cè)出水溫度仍然在45 ℃以上，滿足國家要求。

從經(jīng)濟(jì)型分析，設(shè)備全年耗電量見表3。

表3 全年耗電量

由表3 可以計(jì)算出，水泵與蓄熱水箱的全年耗電量總計(jì)3 514.74 kW·h。

由太陽能熱水系統(tǒng)供給用戶側(cè)的全年熱量分布如圖18 所示。

圖18 用戶得熱量

供給用戶側(cè)全年熱量總計(jì)67 238 MJ，按標(biāo)準(zhǔn)煤供熱量計(jì)算，1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤可以提供7 000 大卡的熱量，相當(dāng)于29.26 MJ?？梢哉J(rèn)為，供給用戶側(cè)的全年熱量相當(dāng)于2 298 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。按煤炭時(shí)令價(jià)1 500元/t計(jì)算，全年需要3 450 元的投入。

設(shè)備全年耗電量3 514.74 kW·h。按照包頭市居民用電梯層電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，170 度以下為0.43 元/（kW·h），大于第1 梯層用電量且低于260 kW·h 的為0.48 元/（kW·h），用電量大于第二梯層的為0.73元/（kW·h）。全年用電所需費(fèi)用為2 492.26 元。在供給相同熱量的前提下，太陽能熱水系統(tǒng)比傳統(tǒng)能源的使用費(fèi)用減少了957.74 元，相比傳統(tǒng)能源使用費(fèi)用降低了38.4%。同時(shí)在便利性與生活覆蓋面方面來說，比使用傳統(tǒng)能源可以提高很多，并且大大降低對(duì)環(huán)境的污染。

4 結(jié) 語

本文給出了太陽能熱水系統(tǒng)的構(gòu)成，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的鋁排管平板集熱器對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。對(duì)于鋁排管平板集熱器給出了詳細(xì)的組成結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)，利用trnsys 軟件進(jìn)行太陽能熱水系統(tǒng)的仿真。以包頭市氣象條件為例，家庭熱水供應(yīng)為主要目的進(jìn)行了分時(shí)段用水量、集熱器面積、蓄熱水箱體積的具體參數(shù)設(shè)計(jì)，在trnsys 軟件中進(jìn)行整體仿真，對(duì)水箱頂部出口水溫、用戶側(cè)出口水溫與耗電量進(jìn)行了詳細(xì)分析，該系統(tǒng)可以滿足國家要求與用戶需求，并向用戶提供全年熱水，提高用戶生活質(zhì)量。對(duì)于全年耗電量與用戶得熱量方向來看，相比于傳統(tǒng)能源的使用成本低、便利，可大大減少環(huán)境污染。