典型地区太阳能供暖系统集热量与集热效率分析
典型地区太阳能供暖系统集热量与集热效率分析
摘要：本文通过搜集拉萨、银川、北京以及武汉四个地区的气象资料，计算并分析了有效集热量与有效供热量、逐日集热效率。结果表明：在供暖期内，武汉、北京、银川和拉萨地区的有效集热量和有效供热量依次升高；在同一地区，真空管的有效集热量、有效供热量、平均集热效率和太阳能综合供热效率都较平板高；拉萨地区的集热效率最好，其次是银川，最差的是武汉，集热效率受气候条件的影响。
关键词：太阳能供暖；集热效率；辐照量；集热量
引言
我国人口众多，每年需要消耗大量能源，太阳能作为一种清洁可再生能源，应用到供热采暖等方面有很大的社会意义[1-3]。然而太阳能供暖系统相对于常规能源系统，受室外环境气温、太阳辐射、系统工作温度等影响很大，故在太阳能供暖系统集热器设计时，需要针对设计运行参数进行计算，否则可能会造成系统运行不能达到预期效果，导致经济和环保效益的偏差。
对太阳能供暖系统集热量、集热效率、保证率等集热性能进行分析研究，有利于系统的性价比达到最优。国内外很多学者对此都有过研究，司鹏飞等[4]分析了有效集热量与有效太阳辐照度指标，并与传统日平均集热量进行了对比分析；郑翰杰等[5]通过实验得出真空热管式集热器储水温度对集热效率有很大响；周志华等[6]等利用TRNSYS模拟软件对真空管式和平板式集热器在不同太阳能辐射区间进行典型日集热效率模拟，进而进行全年辐射和温度条件下进行模拟；文献[7]提出了有效太阳集热的概念，并排除了不能转化为有效能量的无效太阳辐射。据此建立了优化数学模型，并用于确定拉萨供暖季安装的太阳能集热器的最佳倾斜角和方位。王丙林等[8]对哈尔滨 、长春和沈阳地区采用综合能源价格法对太阳能供暖系统的经济性和环保性进行了评价。
太阳能虽具有可再生、环保等优点，但是太阳能是一种不稳定的热源，会受到阴天和雨、雪天气的影响，这主要体现在太阳辐照强度、气温和集热温度等条件对太阳能供暖系统的影响。因此，分析研究典型地区太阳能的辐照量、集热器集热量等有利于提高太阳能供暖系统的性能，为太阳能供暖工程应用及推广提供依据；对系统经济和环保效益预评估是开发商对系统方案选择和开发投资的重要依据。
1.研究方法
1.1地区的选取
根据我国太阳辐照量的大小，把太阳能资源划分成了四个区，即资源极丰富区（Ⅰ）、资源丰富区（Ⅱ）、资源较丰富区（Ⅲ）和资源一般区（Ⅳ）[9]。本文在这四个资源区中各选取一个有代表性的城市，依次选取了拉萨、银川、北京和武汉四个地区，这四个地区具有一定的参考价值。
1.2气候数据的获取
通过《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[10]，获取了拉萨、银川、北京以及武汉地区典型年的气候数据，包括逐时水平面总辐射、逐时水平面散射辐射、逐时干球温度等。
1.3效率方程
本文选取同一品牌的平板集热器和真空管集热器，两者集热器效率方程如下：
平板：
真空管：
式中：，为归一化温差；为集热器进口工质温度；为环境温度；为太阳总辐射辐照度，。
1.4集热器安装倾角及方位
太阳能集热器倾角和方位对收集太阳辐射能量产生很大影响，本文中太阳能集热器的安装倾角为当地纬度，安装方位为正南。
1.5计算原理
1.5.1供暖期有效集热量
(1)时角
时差E的计算公式：
，1
式中，n为计算日在一年中的日期序号。
当地太阳时角计算公式：
式中：为该地区标准时间，h；、分别为当地的经度和地区标准时间位置的经度。
(2)赤纬角
赤纬角的计算公式为：
（3）高度角
高度角用下式计算：
式中:为当地纬度；为赤纬角；为太阳时角。
（4）方位角
方位角：
当上式大于1时，用下式计算：
设计太阳能供热采暖系统需要计算投射在集热器采光面上的太阳能辐照度量值，而气象资料给出的是水平面的太阳辐照量，所以在设计时需要把水平面上的太阳能辐照量转化为集
热器安装倾斜面的辐照量。倾斜面的辐照量由三部分组成：直射辐射辐照度、散射辐射辐照度和地面反射辐照度，即：
式中: 为水平面上的太阳直射辐照度，；为太阳入射角；为水平面上的太阳散射辐照度，；S为安装方位角；为地面反射比，取0.2。
由此可得供暖期的有效得热量：
式中：为供暖季的有效集热量，kWh；为正值的集热效率； 、分别为供暖的起始时刻和终止时刻。
1.5.2供暖期有效供热量
集热效率设计值为：
式中，为供暖系统回水温度；取12月平均室外温度； 为设计太阳辐照度；为12月平均日辐照量；为12月平均每日的日照小时数（直射辐射辐照度的时段总和）。
日有效集热量归一化：
式中：为日有效集热量；为太阳能系统设计保证率。
供暖期HDD18归一化：
日有效供热量归一化的取值取决于日有效集热量归一化和每日HDD18归一化的大小，若，日有效供热量归一化取日有效集热量归一化的值，反之则取HDD18归一化的值。
供暖期太阳能有效供热量公式为：
2.计算数据分析
2.2供暖期日均辐照量与平均室外温度
图1反映了拉萨、银川、北京和武汉四个地区的全年辐照量、供暖期总辐照量以及供暖期总辐照量占全年辐照量的份额。由图中可以看出，拉萨、银川、北京和武汉的单位采光面积的全年总辐照量和供暖期总辐照量有较大差别。全年总辐照量和供暖期总辐照量最好的是拉萨，分别是2305.3 kWh.m2和924.9 kWh.m2，最差的是武汉，只有1183 kWh.m2和110.5 kWh.m哈尔滨供暖时间2；拉萨供暖期总辐照量占全年辐照量的比例为40%，武汉仅占9%。
图2反映了四个典型地区供暖期日均辐照量和供暖期平均室外温度。由图中可以看出，四个典型地区供暖期日均辐照量依次降低，呈现阶梯形式，武汉、北京、银川和拉萨的供暖期日均辐照量分别为2.26、4.17、5.1和6.8 kWh.m2；供暖期平均室外温度最低的是银川，其次是北京，最高的是武汉。

图1典型地区太阳能辐照量

图2供暖期日均辐照量与平均室外温度
2.3供暖期有效集热量与有效供热量
表1计算了四个典型地区供暖期内有效集热量、有效供热量、平均集热效率以及太阳能综合供热效率。由表可知，在供暖期内，武汉、北京、银川和拉萨地区的有效集热量和有效供热量依次升高，平均集热效率与太阳能综合供热效率也呈增长趋势。在同一地区，真空管的有效集热量、有效供热量、平均集热效率和太阳能综合供热效率都较平板高。

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