同济大学 李峥嵘
同济大学 赵群 徐尤锦 李翠
［摘 要］本文采用TRNSYS建立户式太阳能热水系统模型，分别基于ENERGYPLUS和NASA气象参数输入，分析平板型和真空管型户式太阳能热水系统性能。对平板型太阳能热水系统，倾角大于20°后，ENERGYPLUS输入有效集热量大于NASA输入；对于真空管型太阳能热水系统，NASA输入有效集热量在任意倾角均大于ENERGYPLUS输入。基于ENERGYPLUS典型气象年数据，本文进一步模拟分析得到基于有效集热量上海地区平板型太阳能热水系统最佳倾角在32~33°之间，真空管型太阳能热水系统最佳倾角为31°左右。
［关键词］户式太阳能热水；最佳集热器倾角；有效集热量
基金项目：国家“十三五”科技支撑项目：近零能耗建筑技术体系及关键技术开发（2017yfc0702600）。
0 引言
我国太阳能热利用占据世界71%的市场份额，主要以生活热水为主，尽管近年整个市场出现下滑，但是2017年城镇太阳能热水集热器铺设面积仍高达1746.3万m2，占据太阳能热利用行业47%的市场份额。 [1]城镇太阳能热水运用技术主要有3类：集中集热集中供热太阳能热水系统；集中集热分户供热太阳能热水系统；分散集热分户供热太阳能热水系统。[2~4]前2类集热器集中放置于屋顶或其他平面，后1类集热器则根据用户室外可利用面积进行安装，常见安装方式为阳台壁挂，多为单户太阳能热水系统。集中集热热水系统集热器可选择热管、真空管或平板集热器，阳台壁挂太阳能热水系统出于安全考虑则多为平板集热器，部分用户选择真空管集热器。随着城市住宅向高层住宅集中，屋顶面积十分有限，更多的用户只能采用阳台壁挂太阳能热水系统。
我国《建筑给水排水设计规范》GB 50015中设计热水温度为60℃，热水定额为40~80L/人·天。丰晓航等调研发现当前我国热水制备技术以电热水器、燃气热水器和太阳能热水器为主，占比分别为25%、31%、21%，太阳能制备热水仍然是多数用户首选，热水使用时间集中于7:00、14:00、21:00左右，用水定额为30L/人·天。[5]王珊珊等调研表明居民用水时段集中于6:00~9:00、11:00~13:00、19:00~23:00，用水占比分别为20%、15%、65%，冬季用水量为40~65L/人，其他季节用水量在30~55L/人。[6~7]张磊调研表明采用局部热水供应系统，居民平均日热水用量取30~40L/人比较合适。[8]崔新明等对高层住宅太阳能热水系统集热面积调查表明户式太阳能热水系统中人均所需系统集热器面积约为0.53m2，日均热水用量为35L/人·天。[9]何世钧等对太阳能热水系统集热器最佳倾角进行计算模拟分析发现上海临港地区太阳能热水系统最大化利用太阳能集热器倾角为35.4°。[10]
本文基于我国城镇太阳能热水运用现状，设定热水定额为40L/人·天，洗浴热水供应温度为60℃，生活热水供应温度为45℃，户均人数为4人，根据《民用建筑太阳能热水系统运用技术规范》计算有平板集热器所需面积为3.8m2，真空管集热器所需面积为3.1m2，蓄热水箱容积为160L，分别针对真空管和平板集热器不同倾角户式太阳能热水系统进行模拟分析，分析上海地区户式太阳能热水系统最佳倾角、45℃供热水小时数、60℃供热水小时数，对比上海地区两种集热器有效得热量差异及不同气象参数使用差异。
1 平板集热器户式太阳能热水系统性能分析
目前国际上太阳能热利用模拟分析主要采用2种气象数据，分别为EnergyPlus和NASA典型气象年数据，本文采用TRNSYS18.0对两种气象文件下平板集热器户式太阳能热水系统进行性能分析，通过改变集热器倾角，分析不同集热器倾角工况有效集热量、集热器出口温度、水箱温度及热水供应温度变化。TRNSYS模型见图1。
图1 平板太阳能热水系统TRNSYS模型
1.1 ENERGYPLUS气象数据全年系统性能分析
对TRNSYS模型输入ENERGYPLUS气象文件，以10°为间隔对全年户式平板太阳能热水系统进行模拟分析，模拟数据显示，当集热器倾角为30°时，单位面积集热器全年集热量最大，达到397kW·h。见图：平板集热器出口温度随集热器倾角增大呈现逐渐下降趋势，倾角较小时，集热器出口温度最高可达120℃，水箱温度可达100℃，逼近沸点。当集热器倾角提高到90℃时，集热器最高出口温度降低至93℃，水箱最高温度仅为64℃。见图2。
图2 ENERGYPLUS气象文件集热量及水箱最高出水温度
1.2 Meteonorm气象数据全年系统性能分析
对TRNSYS模型输入ENERGYPLUS气象文件，以10°为间隔对全年户式平板太阳能热水系统进行模拟分析，模拟数据显示，当集热器倾角为30°时，单位面积集热器全年集热量最大，达到395kW·h。平板集热器出口温度随集热器倾角增大呈现逐渐下降趋势，倾角较小时，集热器出口温度最高可达138℃，水箱温度可达104℃，逼近沸点。当集热器倾角提高到90°时，集热器最高出口温度降低至97℃，水箱最高温度仅为71℃。见图3。
图3 NASA气象文件集热量及水箱最高出水温度
1.3 不同气象参数输入对比分析
对比分析两种气象文件下不同集热器倾角有效得热量和集热器最高出口温度发现，集热器倾角小于20°时，NASA气象文件输入具有更高得热量。集热器倾角超过20°后，ENERGYPLUS气象文件输入具有更高得热量。见图4。
图4 两种气象文件平板集热器有效得热量对比
对比最高出口温度发现，NASA输入集热器最高出口温度均高于ENERGYPLUS输入集热器最高出口温度。见图5。
图5 两种气象文件平板集热器最高出口温度
2 真空管集热器户式太阳能热水系统性能分析
本文采用TRNSYS18.0对两种气象文件下真空管集热器户式太阳能热水系统进行性能分析，通过改变集热器倾角，分析不同集热器倾角工况有效集热量、集热器出口温度、水箱温度及热水供应温度变化。TRNSYS模型见图6。
图6 真空管太阳能热水系统TRNSYS模型
2.1 ENERGYPLUS气象数据全年系统性能分析
模拟数据显示，当集热器倾角为30°时，单位面积集热器全年集热量最大，达到400kW·h。见图：平板集热器出口温度随集热器倾角增大呈现逐渐下降趋势，倾角较小时，集热器出口温度最高可达167℃，水箱温度可达104℃。当集热器倾角提高到90℃时，集热器最高出口温度降低至125℃，水箱最高温度仅为69℃。见图7。
图7 ENERGYPLUS气象文件集热量及水箱最高出水温度
2.2 Meteonorm气象数据全年系统性能分析
模拟数据显示，当集热器倾角为30°时，单位面积集热器全年集热量最大，达到495kW·h。平板集热器出口温度随集热器倾角增大呈现逐渐下降趋势，倾角较小时，集热器出口温度最高可达192℃，水箱温度可达105℃。当集热器倾角提高到90°时，集热器最高出口温度降低至128℃，水箱最高温度仅为74℃。见图8。
图8 NASA气象文件集热量及水箱最高出水温度
2.3 不同气象参数输入对比分析
对比分析两种气象文件下不同集热器倾角有效得热量和集热器最高出口温度发现，NASA气象文件输入具有更高得热量，平均高出100kW·h/m2·a。见图9。
图9 两种气象文件真空管集热器有效得热量对比
对比最高出口温度发现，NASA输入集热器最高出口温度均高于ENERGYPLUS输入集热器最高出口温度。但随着倾角增大，温度差异逐渐减小。见图10。
图10 两种气象文件真空管集热器最高出口温度
3 洗浴及生活热水小时数分析
目前国内生活热水设计温度为45℃左右，洗浴热水设计温度为60℃左右，因此本文根据不同工况太阳能热水系统进一步统计得到45℃和60℃供热水小时数。
45℃设计工况下，ENERGYPLUS平板工况最大可供热水小时数为4615h，集热器倾角为40°；ENERGYPLUS真空管工况最大可供热水小时数为4606h，集热器倾角为40°；NASA平板工况最大可供热水小时数为4345h，集热器倾角为30°；NASA真空管工况最大可供热水小时数为4434h，集热器倾角为30°。可见，45℃设计供水温度下NASA输入可供热水时数要小于ENERGYPLUS输入。从各倾角工况分布看，集热器倾角小于20°时，NASA输入可供热水小时数大于ENERGYPLUS输入，集热器倾角大于20°后则ENERGYPLUS输入可供热水小时数大于NASA输入。见图11。
图11 45℃供热水小时数
60℃设计工况下，ENERGYPLUS平板工况最大可供热水小时数为2319h，集热器倾角为40°；ENERGYPLUS真空管工况最大可供热水小时数为2414h，集热器倾角为30°；NASA平板工况最大可供热水小时数为2436h，集热器倾角为30°；NASA真空管工况最大可供热水小时数为2596h，集热器倾角为30°。NASA输入真空管太阳能热水系统可供热水小时数最高，集热器倾角在40°以内，NASA输入平板太阳能热水系统可供热水小时数大于ENERGYPLUS输入，集热器倾角在40°~80°时，NASA输入平板太阳能热水系统可供热水小时数低于ENERGYPLUS输入。见图12。
图12 60℃供热水小时数
4 最佳集热器倾角确定
前述分析已发现上海地区当集热器倾角为30°左右时，太阳能热水系统能够最大化得热，本文基于ENERGYPLUS气象参数输入进一步以1°为间隔在30°左右取值，寻找最佳集热器倾角。
上海地区平板集热器太阳能热水系统集热器最佳倾角为32~33°，单位面积最大集热量为397.4kW·h。但最大45℃热水供水时数出现在集热器倾角为37°，供水时数为4667h；最大60℃热水供水时数出现在集热器倾角为35°，供水时数为2360h。见图13。
图13 平板集热器太阳能热水系统最佳集热器倾角
上海地区真空管集热器太阳能热水系统集热器最佳倾角为31°，单位面积最大集热量为491kW·h。但最大45℃热水供水时数出现在集热器倾角为33°，供水时数为4625h；最大60℃热水供水时数出现在集热器倾角为28°，供水时数为2414h。见图14。
图14 真空管集热器太阳能热水系统最佳集热器倾角
5 总结
本文基于上海地区、NASA和ENERGYPLUS两种气象输入参数，采用TRNSYS软件对太阳能热水系统进行模拟分析。主要有以下结论：
（1）NASA和ENERGYPLUS气象条件下，太阳能热水系统均在30°左右获取最大单位面积有效集热；
（2）NASA输入太阳能热水系统集热器最高出水温度及水箱最高温度较ENERGYPLUS输入高；
（3）NASA和ENERGYPLUS气象条件下，单位面积真空管集热器集热量较平板集热器多，集热器最高出水温度较平板集热器要高40~50℃，水箱最高温度差异较小。
（4）平板太阳能热水系统最大45℃热水供水时数出现在集热器倾角为37°，供水时数为4667h；最大60℃热水供水时数出现在集热器倾角为35°，供水时数为2360h。
（5）真空管太阳能热水系统最大45℃热水供水时数出现在集热器倾角为33°，供水时数为4625h；最大60℃热水供水时数出现在集热器倾角为28°，供水时数为2414h。
（6）ENERGYPLUS气象条件下，基于集热量上海地区平板集热器太阳能热水系统最佳集热器倾角为32~33°，真空管集热器太阳能热水系统最佳集热器倾角为31°。
参考文献
[1] http://www.cstif.com/.
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[9] 崔新明, 廖春波, 李敏妃. 高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究[J]. 建筑技术, 2011, 42(1):38–42.
[10] 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.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年5月刊总第21期。
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