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1、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
2、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
3、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
4、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（W） 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：
5、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
6、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，；、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
7、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
8、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.m 最差的是武汉，只有1183 kWh.m2和110.5 kWh.m2 ；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
9、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。表1典型地区供暖期有效集热量与有效供热量典 型地 区QukWh/m2kWh/m2%平板真空平板真空平板真空平板真空拉萨465.9575432.9552.650624760银川334.5436.8257.8367.346603550北京211.982
10、88.3162.4234.640573246武汉3554.3249.32492945注：Q供暖期有效集热量；一供暖期有效供热量；一供暖期平均集热效率； u一供暖期太阳能综合供热效率。2.4集热效率以真空管为例，计算供暖期逐日集热效率，如图3所示。由图中可以看出， 拉萨地区的逐日集热效率维持在0.60.65之间，从整个供暖期来看，集热效率 都较高，且供暖期内的日集热效率都在0.4以上；银川地区的逐日集热效率维持 在0.6左右，整个供暖期的集热效率较拉萨地区的差些，供暖期集热效率为0的 有1天；北京地区的逐日集热效率维持在0.55左右，有6天集热效率为0；武汉 地区供暖期的逐日集热效率有较大波动，
11、供暖期内集热效率有较多天低于0.3且 有10天集热效率为0。效率值很低甚至为0的原因是当遇到阴天或雨雪天时，太 阳辐射强度十分弱，集热器吸收的太阳辐射非常少，达不到系统开启的临界条件， 太阳能供暖循环有可能整体都不运行，导致系统当天的有效集热量0。图4反映了北京地区12月16日至12月25日共10天的日有效集热量、日 总辐照量以及逐日集热效率的变化规律。由图中可以看出，集热器的日有效集热 量随日总辐照量的趋势变化，日总辐照量增加，则日有效集热量升高；反之降低。 逐日集热效率由日总辐照量和逐日集热效率决定，变化趋势基本与日总辐照量和 逐日集热效率相同。在这10天内，日总辐照量基本维持在4500
12、kWh/m2，最高日 总辐照量为5596.3 kWh/m2；日有效集热量基本维持在2500 kWh/m2，最高日有效 集热量为3233.4 kWh/m2；逐日集热效率基本维持在0.5，最高日集热效率为0.6。虫曝训他-HI” Hi：-Ht-Lft-Fl 础 -的血田血-LI琥叶-LltlEri-iltlia 若-1卜明哉-nbirrst-1时佝-日汕u Hukn=id ! trii:+祥峭潺-S JKL1SDSI困-日汕-OEZlfKBl牌-ng-tjrn.mHm -nnn. E土 rug旧【n引启i：-ns日引-相Hit-n?r町-iiEkii-mri he-ElHfE-n 路 rrs= H
13、EI HE-BELfE-9 戏 Hl-册司*0tn-1H3 HZl-HU 匮I-UH 田 I-HIE HU-BH UHcd二一二待 成顿 E趋 L REUL 0S s CEstH -EE查一 riM二.胃旨 K-sltftid武汉-谨II堡典找40 65十料就果热虹- TS0串膨用*澎M敦图3典型地区供暖期逐日集热效率图4北京地区典型日集热效率、 有效集热量、总辐照量1.结论1.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。2.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。3.拉萨地区的集热效率最好，其次是银川，最差的是武
14、汉，集热效率受气候条 件的影响。参考文献1 邹雪梅，曲云霞，贾北平，等.太阳能供暖现状及分析J.低温建筑技 术，2015, 37(003):134-135.2 敖永安，许志鹏，郝亚芬，等.太阳能供暖系统在中国的发展分析J. 建筑技术，2015, 46(011):966-970.3 杨立权，王琪，刘姗姗.太阳能采暖系统应用现状及发展J.农业与技 术，2016, 36(1):169-171.4 司鹏飞，戎向阳，石利军，等.太阳能供暖的有效集热量与有效太阳辐照 度J.暖通空调，2020, 050(002):22-28.5 郑翰杰，齐典伟，王兴强，等.真空热管式集热器储水温度对集热效率影 响研究J.建
15、筑节能，2018(6).6 周志华，刘俊伟，黄欣.两种集中式太阳能集热器集热效率对比研究J. 建筑节能， 2019， 047(005):45-50.7 Lv Y , Si P , Yan J . Determination of Optimum Tilt Angle and Orientation for Solar Collectors Based on Effective Solar Heat CollectionJ. Applied Energy, 2018, 219:11-19.8 王丙林，陈杨杨，于伟锋.东北地区太阳能供暖的经济和环境效益分析 J.绿色科技，2016(08):126-128.9 郑瑞澄，路宾，李忠.太阳能供热采暖工程应用技术手册M.中国建筑 工业出版社，2012.10 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数 据集M.中国建筑工业出版社，2005.
