劉垚，丁勇，葉強,2

（1重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設委員會，重慶 400014）

重慶地區(qū)太陽能熱水應用適宜性分析

劉垚1，丁勇1，葉強1,2

（1重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶 400045；2重慶市城鄉(xiāng)建設委員會，重慶 400014）

通過典型年太陽輻照量、太陽能實測對重慶地區(qū)太陽能資源進行分析評價；根據典型年太陽能資源數(shù)據對重慶地區(qū)太陽能熱水應用效果進行理論分析，并采用實驗測試的方式，從集熱效率、得熱量、太陽能保證率等方面對重慶地區(qū)太陽能熱水適宜性進行實測研究。研究表明，重慶地區(qū)太陽能資源全年太陽能資源分布極不均勻，具有明顯的階段性分布特征，水平面上太陽輻照量最大；重慶地區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率、得熱量、太陽能保證率等均具有階段性特征，重慶地區(qū)太陽能熱水宜階段性使用。

太陽能熱水系統(tǒng)；太陽能資源；太陽能保證率；集熱效率

0 引言

中國每年社會能源消耗巨大，其中建筑能耗約占我國能源總消耗量的30%左右，建筑能耗成為國家的主要能源負擔，而建筑熱水能耗又是建筑能耗中的一個重要組成部分。有研究表明，城市中商業(yè)建筑衛(wèi)生熱水能耗占建筑總能耗的10～40%，住宅生活熱水能耗約占到建筑能耗的10%～20%。傳統(tǒng)的建筑生活熱水的能耗占建筑能耗的比例將越來越大，所以對于建筑生活熱水的節(jié)能呼聲也將越來越高[1-2]。相對于傳統(tǒng)的電加熱或者燃氣加熱獲得熱水的方式，利用太陽能加熱獲取熱水的方式具有能耗低、清潔環(huán)保、低碳排放等特點，對于減少建筑熱水能耗和保護環(huán)境都具有重要意義。

重慶地區(qū)全年平均太陽能資源屬于一般地區(qū)，但其在夏季甚至春秋季節(jié)具有較高的可利用性，特別是夏季利用太陽能熱水方面具有很大的潛力[3]。因此，對于重慶地區(qū)太陽能熱水應用的適宜性進行研究，得出重慶地區(qū)太陽能熱水應用的潛力和應用特點，將有效推動重慶地區(qū)太陽能熱水的應用。

1 研究方法

1.1 理論研究

理論研究采用重慶地區(qū)典型年太陽能資源數(shù)據，通過理論計算公式和假定條件進行太陽能資源的分布分析和太陽能熱水應用的適宜性理論分析。

1.2 實測研究

為了與理論研究結果進行對比，理論與實測相結合進行研究分析，課題組搭建了太陽能熱水應用適宜性研究實驗平臺，該試驗臺主要由太陽能熱水系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)組成，其具體組成和功能如下。

1.2.1 太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)共四個，每個系統(tǒng)主要由集熱器、熱水箱等組成。區(qū)別在于集熱器傾角不同，限于場地、經濟等因素條件限制，該試驗臺選用四種典型傾角表面進行測試，分別為大于重慶緯度10°即39.5°，等于重慶緯度即29.5°，小于重慶緯度10°即19.5°，水平面即0°，四種表面朝向均為正南。同時由于是進行實驗研究，太陽能系統(tǒng)未設置熱水供應和輔助熱源系統(tǒng)，采用每天換水的方式代表實際的太陽能熱水使用情況。

1.2.2 監(jiān)測控制系統(tǒng)

監(jiān)測控制系統(tǒng)主要為水溫監(jiān)測系統(tǒng)和太陽輻射監(jiān)測系統(tǒng)。水溫監(jiān)測系統(tǒng)對太陽能熱水系統(tǒng)集熱管內和水箱內的水進行全天實時監(jiān)測，太陽熱水監(jiān)測系統(tǒng)利用與四個集熱器平行安裝的太陽總輻射表對太陽輻射進行全天實時監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據均通過信號傳輸線匯總至電腦主機進行導出查看，見圖1。

圖1 太陽能測試實驗臺

2 研究內容

2.1 重慶太陽能資源分析

2.1.1 理論分析

課題組對重慶市太陽能資源的理論分析主要依據典型年氣象數(shù)據進行。構成典型氣象年的基本方法是根據一定的基準挑選出的“平均月”（標準月）以組成典型氣象年[4]。

（1）太陽輻照量逐月分布特征。重慶地區(qū)全年逐月太陽能輻照量呈拋物線分布，夏季太陽輻照量最大，春秋次之，冬季最小。全年平均月太陽輻照量為254.9MJ/m2。

（2）太陽輻照量季節(jié)性分布特征。夏季太陽輻照量占全年的41.5%，達到1270.9MJ/m2，接近全年的一半，為太陽輻射量最多的季節(jié)；其次是春秋兩季，分別占28.6%和19.9%；最少的是冬季，僅為10%。

（3）全年日太陽輻照量分布。全年日太陽輻照量高低震蕩厲害，年平均日太陽輻照量為8.38MJ/m2，最大為25.59MJ/m2，最小為0MJ/m2。

2.1.2 實測分析

通過測試數(shù)據分析可知，重慶地區(qū)太陽能資源以水平角度的太陽輻照量最大，同時全年的太陽輻照量實測分布也同理論值的變化趨勢相近，由1月份逐漸增加，到4月份達到高峰，5～6月份逐漸降低，然后自6月份逐漸增加至8月份到達全年最大值，自8月份又開始逐漸降低至12月份達到全年最低值。

2.2 重慶地區(qū)太陽能熱水應用理論分析

根據重慶地區(qū)太陽能資源典型年數(shù)據，系統(tǒng)假定為重慶地區(qū)一個供一百人使用熱水的直接式太陽能熱水系統(tǒng)，輔助熱源為空氣源熱泵形式，氣象數(shù)據以重慶地區(qū)典型年數(shù)據為準，其他參數(shù)按規(guī)范或手冊進行確定。

2.2.1 集熱效率

以市場常見品牌的真空管太陽能集熱器為例進行研究，根據集熱器效率一次擬合方程，進行集熱效率的全年逐月計算。計算公式[5]為：

T*—歸一化溫差，按設計參數(shù)和當?shù)貧庀髤?shù)計算，（m2·K）/W。

2.2.2 逐月熱水負荷與得熱量

（1）逐月熱水負荷。熱水負荷計算公式[5]如下：

式中：Ql—逐月熱水負荷，MJ；

N—每月的天數(shù)；

V—每天熱水用量，L；

ρ—水的密度，kg/L；

Cw—水的比熱，J/kg℃；

tL—當?shù)刂鹪吕渌骄鶞囟?，℃?/p>

te—熱水設計溫度，℃，取60℃。

（2）集熱面積。太陽能集熱器面積Ac計算公式[5]以及參數(shù)取值如下：

式中：AC—直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/kg·℃；te—貯水箱內水的設計溫度，℃；ti—水的初始溫度，℃；

JT—當?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椛淞?，kJ/m2；

f—太陽能保證率，%，重慶地區(qū)取30%；

ηcd—集熱器的年平均集熱效率；

ηL—貯水箱和管路的熱損失率；根據經驗取值取0.2。

（3）集熱器逐月得熱量計算。根據上述（1）和（2）理論計算的集熱器面積以及集熱效率，太陽輻射量取重慶典型年逐月太陽輻射量，計算太陽能集熱器逐月得熱量，計算公式[5]為：

式中：Qd—逐月太陽能集熱器得熱量，MJ；

ηcd—集熱器逐月平均集熱效率；

ηL—集熱器系統(tǒng)年平均熱損系數(shù)，為0.2。

2.2.3 逐月保證率

逐月保證率計算公式[5]：

式中：f——太陽能保證率（%）；

Qd——逐月太陽能集熱系統(tǒng)得熱量（MJ）；

Qi——逐月熱水負荷（MJ）。

通過理論計算得知，全年集熱器平均效率為51.1%，全年集熱效率較為穩(wěn)定；逐月熱水負荷和逐月得熱量匹配性差，二者全年變化成相反的趨勢；通過逐月得熱量和熱水負荷數(shù)據計算可知，全年4～9月6個月的實際太陽能保證率均高于設計值，計算得到這6個月的平均太陽能保證率為51.78%，比設計值高出21.78%，而11月至次年2月平均太陽能保證率僅為13.87%?？v觀全年，保證率成拋物線分布，全年平均太陽能保證率為32.85%。

2.3 重慶地區(qū)太陽能熱水實測分析

課題組利用實驗臺監(jiān)控系統(tǒng)對太陽能熱水系統(tǒng)每日的太陽輻照量、太陽能熱水溫度、環(huán)境溫度等進行監(jiān)測，結合測試數(shù)據和理論計算方法，根據測試期間內各季節(jié)不同天氣的天數(shù)的分布比例，采用加權平均的方法對得出太陽能熱水系統(tǒng)各指標參數(shù)的分布，對太陽能熱水的實際應用效果進行分析。

2.3.1 集熱效率

圖2 實測全年集熱效率分布

從圖2中可以看出，系統(tǒng)全年總平均值為53.5%，全年集熱系統(tǒng)的集熱效率比較穩(wěn)定。其中集熱效率最大的是0°傾角系統(tǒng)的集熱器，其次是19.5°、29.5°、39.5°。

2.3.2 得熱量

根據實測得到的不同季節(jié)溫升和計算公式得出各季節(jié)不同傾角的太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器日得熱量如圖3所示。

圖3 不同季節(jié)不同傾角日得熱量

從圖3中可以看出，四個系統(tǒng)全年總平均日得熱量為3.2MJ，同一季節(jié)下不同傾角得熱量由小到大依次為：39.5°＜29.5°＜19.5°＜0°，水平面布置的集熱系統(tǒng)得熱量最大。 四季得熱量由大至小依次為夏季、春季、秋季、冬季，夏季和春季的得熱量在4MJ左右，而且每個系統(tǒng)下二者差別均在1MJ以內；秋冬季得熱量較小，冬季平均僅為1.7MJ，秋季平均為2.5MJ左右。從得熱量來看，重慶地區(qū)夏春太陽能應用效果較好，秋冬次之。

2.3.3 保證率

圖4 不同季節(jié)不同傾角太陽能保證率

從圖4中可以看出，全年四個系統(tǒng)太陽能保證率總平均值為49%，夏季太陽能保證率四個系統(tǒng)分別為70.6%、78.4%、87.2%、87.7%。其次春季太陽能保證率也較高將近60%，也具有較好的太陽能熱水應用效果；秋季太陽能保證率在30%以上，冬季在20%左右。

2.4 理論研究和實測研究對比分析

前文對重慶地區(qū)太陽能熱水應用進行了理論研究和實際測試研究，二者得出的太陽能集熱效率和集熱器得熱量全年分布趨勢基本相同。但理論研究得出重慶地區(qū)全年平均太陽能保證率為32.85%，實測得出的全年平均太陽能保證率為49%，實測值高于理論研究值，主要是因為理論研究時冷水設計溫度為7℃，但實際全年平均冷水溫度大于7℃，從而造成熱水負荷相應減小，使得實測保證率升高。但理論研究和實測得出的全年保證率分布大概相同，全年保證率均為夏季最大，春季次之，秋季較小，冬季最低。

3 結論

通過對重慶地區(qū)典型年太陽輻照量分析，重慶地區(qū)全年太陽能資源分布極不均勻，具有明顯的階段性分布特征，4～9月份的太陽輻照量占全年的72.3%，具有較好的太陽能應用潛力；0°傾角表面全年太陽輻照量最大，19.5°、29.5°次之，39.5°傾角表面最小。

重慶地區(qū)太陽能集熱效率全年分布均較為穩(wěn)定，太陽能集熱器得熱量分布為夏季最大，春季次之，秋季較差，冬季最差；太陽能得熱量與熱水負荷呈負相關關系，匹配性較差；太陽能保證率夏季最大，基本滿足熱水需求，其次春季太陽能保證率也較高，具有較好的太陽能熱水應用效果，秋季太陽能保證率實測在30%以上，冬季在20%左右。集熱器傾角為0°時，集熱效率、得熱量、太陽能保證率等量值最大，故重慶地區(qū)集熱器宜水平布置。

綜上所述，從全年來看，重慶地區(qū)太陽能資源、太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率、得熱量、太陽能保證率等方面均具有階段性特征，重慶地區(qū)太陽能熱水宜階段性使用。

[1]王永峰，馬芳，劉曉丹.節(jié)能住宅的熱水供應[J].建筑節(jié)能，2008，36（3）：57-59.

[2]羅青海，湯廣發(fā)，龔光彩，等.建筑熱水節(jié)能中的熱泵技術[J].給水排水.2007，33（Z2）：98-101.

[3]丁勇，連大旗，李百戰(zhàn)，等.重慶地區(qū)太陽能建筑一體化應用的實測與分析[J]，重慶大學學報，2011，34（5）：76-81.

[4]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室．中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據集[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005．

[5]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術手冊：第二版[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

Suitability Analysisof Solar Water Heating in Chongqing

The solar energy resourceof Chongqing is analyzed through the actualmeasurementon yearly sunshine exposure dose and solar energy.The application effectofsolarwaterheating in Chongqing is investigated based on the typicalyearly dataof solar energy,meanwhile；someexperimentshave been done tomeasure the actual application effectof the solarwater heating efficiency from heat collection,solar fraction and so on.The study shows that the solar irradiation in Chongqing doesn'tkeep a stable value throughout the year and the horizontal plane gets themaximum solar irradiation；the heatcollecting efficiency,heatgaining and solar fraction of solarwater heating system have different values in differentmonths；the solarwater heating system hasabetter performance in summerand transition seasons.

solarwaterheating system；solarenergy resource；solar fraction；heatcollecting efficiency

劉垚(1991-)，男，貴州納雍人，研究生，主要從事太陽能建筑應用技術方面的研究。

中圖文類號：TU 111

A

1671-9107（2014）06-0060-03

基金論文：該論文為國家科技支撐計劃項目子課題（項目編號：2013BAL01B03-6）和重慶市可再生能源建筑應用城市示范配套能力建設項目論文之一。

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.060

2014-05-09

孫蘇，李紅