摘 要：根据云南省太阳能资源分布情况，选取处于太阳能资源丰富区、一般区及贫乏区的三个代表城市，以紧凑型真空管太阳能热水系统为研究对象，利用POLYSUN软件对环境温度、辐照度、太阳能供热量、储水箱所得热量、储水箱平均温度和太阳能保证率进行模拟计算，并对系统参数进行分析比较，得出用水量与集热器采光面积的最优配比：太阳能资源丰富区1.21 m2/100 L，太阳能资源一般区1.50 m2/100 L，太阳能资源贫乏区1.80 m2/100 L.
关键词：太阳能资源；用水量与集热器采光面积配比；太阳能保证率；模拟分析
1 引 言
水量配比和太阳能保证率是太阳能热水系统的重要参数[1]，对设计太阳能热水系统具有重要的指导作用.常规的大型太阳能热水系统都是通过系统配带热泵或锅炉来控制保温水箱中热水的终温，存在一定的弊端：一是水量配比的不合理导致太阳能资源的浪费；二是系统辅助能源的浪费；三是随着材料价格的上涨造成成本大大提高.在面临资源紧缺和环境恶化的时代，为了满足人们的需求，需要不断提高太阳能热水系统的热利用效率，同时尽可能地减少辅助能源的使用率[2]，因而根据不同区域的太阳辐照度对太阳能热水系统的水量面积配比进行优化设计，对提高太阳能保证率具有重要的意义[3].
太阳能热水系统的水量面积配比是改善太阳能热水系统、提高太阳能系统效率的关键.许多专家从不同角度研究了太阳能热水系统的水量配比 [4-11]，研究主要集中在某气候性或某种单一条件下大致的水量配比范围，而没有具体的研究过云南地区的水量配比，企业在设计和安装太阳能热水系统时，工作人员都是根据经验安装相应设备，由于没有精确的水量配比标准，导致产品达不到最佳的使用效果.因此，本文利用POLYSUN软件对紧凑型真空管太阳能热水系统在不同地区气候条件下进行模拟计算，得到了太阳能热水系统在高太阳能保证率下精确的水量配比.
2 系统设计
2.1 云南省太阳能资源情况
云南省是我国太阳能资源非常丰富的省份，部分地区年日照时间2 000 h以上，年辐照量达6 000 MJ/m2以上[12]，即使是资源贫乏的地区，其辐照量都可以达3 350 MJ/m2以上.按照年均总辐照量，一般将太阳能资源分布划分为资源丰富区、资源一般区、资源贫乏区.
(1)资源丰富区.其大于10 ℃期间的年辐照量在5 400 MJ/m2以上，年日照时数大于2 400 h.
(2)资源一般区.其大于10 ℃期间的年辐照量在4 190～5 400 MJ/m2，年日照时数在2 000～2 400 h.
(3)资源贫乏区.其大于10 ℃期间的年辐照量大于3 300 MJ/m2，年日照时数低于1 600 h.
2.2 模拟系统
太阳能热水系统主要分为平板型太阳能热水系统和真空管型太阳能热水系统.本文利用紧凑型真空管太阳能热水系统对云南省不同区域的太阳能热水系统的用水量与集热器采光面积配比进行模拟分析计算，为太阳能热水系统的安装调试提供数据支撑.
图1 太阳能热水系统结构示意图
Fig.1 Structure diagram of solar heating system
图1为太阳能热水系统的结构示意图，该系统主要由真空管集热器、支架、保温桶、带辅助加热装置的储热水箱、循环混水阀和水泵等组成.为接近实际，做如下设计：
(1)根据云南省的太阳能资源分布，分别选择省内太阳能资源丰富区代表地元谋、资源一般区代表地昆明和资源贫乏区代表地昭通为安装地进行实验分析.
(2)以全玻璃真空管集热器为实验对象，安装方位角为正南方向、倾角都为45 °，计算每100 L热水需配置的真空管集热器采光面积，所用真空管为58 mm×1 800 mm.
(3)为减少其他因素的影响，混水阀的控制和日用水量、水箱容量、循环水泵、辅助加热装置的开启时间等参数在三个地区的模拟试验中均设置相同，从而得出不同地区有效的太阳能热水系统水量配比.
(5)用水量.假定热水温度需求为50 ℃，每人每天用水50 kg，每天供应20人的用水量，即系统供应1 000 L/d.
3 仿真结果及数据分析
在确保太阳能保证率相等且遵从上述设定的情况下，调节集热器面积，使用POLYSUN软件对太阳能热水系统建立模型并进行模拟计算，分析三个地区的全年温度分布、辐照度变化、储热水箱得热量、储热水箱平均温度、太阳能保证率等参数，最终确定太阳能热水系统的水量面积配比.
3.1 各地区环境温度变化
图2 温度变化
Fig.2 The temperature change
图2为三个地区的月平均温度变化图.可以看出每个地区的温度有很大的差别,元谋的月平均气温比昆明高5 ℃左右，而昆明的月平均气温比昭通高5 ℃左右，但是三个地区的高温时间都在4-10月份.原因在于三个地区都处在纬度相差不大的南方，但是元谋在地理位置上处于亚热带季风性气候，并且处在干热河谷地区；昆明属于亚热带季风性湿润气候，夏无酷暑，冬无严寒；昭通地处云南高海拔地区，又是立体季风气候，在纬度上也要比昆明更高一些，因而气温变化明显，春冬严寒.
3.2 各地区太阳辐照度变化
图3 辐照强度变化
Fig.3 Variation of irradiance
图3描述了三个地区每个月的地面太阳辐照度.由图可知，昆明全年辐照度变化最大，在1、12月份昆明的辐照度最大，但是4-9月份却最低；元谋地区在4、5、6、9、10月份辐照度都最大，并且在其他月份的辐照度也都相对较好；昭通在1、2、3、11、12月份的辐照度最低，但是在7、8月份却最高.
3.3 太阳能供热量
图4 太阳能供热量
Fig.4 Solar contribution
在各地区气象因素影响的情况下，通过POLYSUN模拟分析计算得到元谋、昆明、昭通地区的系统太阳能供热量(如图4).在太阳能保证率相同的情况下，3-10月份昭通地区系统得到的太阳能最大，而1、2、11、12月份昆明地区系统得到的太阳能最大，元谋地区得热量相对变化较小，并且几乎所有月份的系统得热量都是最低的.这主要是因为元谋地区平均气温高、冷水温度高，需热量小，而昭通地区平均气温比元谋和昆明都低，所以所需热量也相对多一些.通过POLYSUN分析计算元谋地区年供给系统的太阳能为11 385 kW·h，昆明地区年供给系统的太阳能为12 532 kW·h，昭通地区年供给系统的太阳能为13 631 kW·h.
3.4 储水箱得热量
图5 储水箱得热量
Fig.5 Heat gain of the storage tank
图5表明，太阳能热水系统储水箱全年得热与系统总得热量的变化情况大致相似.储水箱的得热量的较低值都出现在6-11月之间，3-10月份昭通的储水箱得热量都是最大的，1、2、11、12月份昆明的储水箱得热量最大，太阳能资源丰富的地区水箱得热量变化小，全年水箱得热量也小；贫乏地区变化较大，但水箱得热量也大，再一次证明了在太阳能保证率相同的情况下，资源贫乏地区的得热量要大一些，需要更大的集热面积.
3.5 储水箱平均温度
图6 各地储水箱月平均温度
Fig.6 The average temperature of the hot water tank in different areas
图6为元谋、昆明、昭通地区的太阳能热水系统中储水箱的月平均温度.可以看出元谋地区热水系统储水箱的平均温度在全年都是最高的，平均温度最高可以达到47 ℃；1-3月份和10-12月份，昆明的储水箱平均温度高于昭通，但是4-9月份昭通地区的热水系统储水箱平均温度高于昆明地区，昆明地区储水箱最高平均温度出现在2月份(42 ℃)，最低温度出现在6月份(31 ℃)，昭通地区储水箱最高平均温度出现在8月份(41 ℃)，最低温度出现在12月份(28 ℃)，并且从图中不难看出，元谋和昆明地区储水箱平均温度变化相对较小，而昭通地区储水箱平均温度变化较大，最高温度和最低温度相差13 ℃.通过计算分析得出元谋地区储水箱年平均温度为42.5 ℃，昆明地区储水箱年平均温度为37.2 ℃，昭通地区储水箱年平均温度为35.1 ℃.这种现象可以从图3中的太阳辐照度得出解释，水箱的平均温度和各地的辐照度是相关联的.
3.6 太阳能保证率及水量配比的分析结果
基于各地的气象数据，利用POLYSUN软件模拟分析出三个地区的月太阳能保证率以及每100 L水达到所需温度需配用的太阳能集热器面积.
图7 太阳能保证率变化曲线
Fig.7 The change curve of the solar fraction
如图7所示，1-3月份昆明的太阳能保证率最高，并且在2、3月份达到了100%，说明2、3月份不需要辅助加热装置就可以满足能量需要，但是4-10月份昆明的太阳能保证率却是三个地区中最低的；元谋地区的太阳能保证率相对变化不大，一直处在中间水平；昭通1-3月份和11、12月份太阳能保证率都是最低的，但是4-9月份却是三个地区中最高的.总体上三个地区的太阳能保证率是相近的.
表1 每100 L水与集热器采光面积的配比
Table 1 Ratio of 100 L water and aperture area of collector
由表1数据可看出：在控制太阳能保证率相近的条件下，元谋地区集热器平均面积年得热量最大，水量配比最小；昭通地区集热器平均面积年得热量最小，水量配比最大；昆明地区集热器平均面积年得热量和水量配比处在两个地区之间.
4 结 论
利用POLYSUN软件对云南省三个地区的紧凑型真空管太阳能热水系统的模拟分析得出以下结论：
1)元谋地区的月平均环境温度要比昆明高5 ℃左右，昆明地区月平均环境温度要比昭通高1～5 ℃；
2)昭通地区的辐照度在1、2、3、11、12月份都是最低的，其他月份和昭通、昆明相比差不多；
3)昭通地区的水箱得热量大多数月份都是最高的，而元谋地区的水箱得热量大多数月份都是最低的；
4)元谋地区的水箱月平均温度在全年都是最高的，最高可达47 ℃，昭通地区的水箱月平均温度起伏较大，最低温度只有28 ℃；
5)根据模拟计算与分析得到：元谋地区太阳能用水量与集热器采光面积配比为1.21 m2/100 L，昆明地区太阳能用水量与集热器采光面积配比为1.50 m2/100 L，昭通地区太阳能用水量与集热器采光面积配比为1.80 m2/100 L.
