江苏地区太阳能集热器最佳倾角和方位角优化分析_张玉雪.pdf

2023NO3.ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK图1太阳能集热器最佳倾角和方位角的优化计算模型收稿日期：2023-01-09作者简介：张玉雪（1996），女，研究生，硕士，助理工程师，从事绿色建筑咨询及研发工作。江苏地区太阳能集热器最佳倾角和方位角优化分析张玉雪郭珑珑程志军陈利王政（龙信建设集团有限公司江苏南通226100）摘要选取江苏地区6个典型城市，以运行期累计获得最大辐照量为目标，求解集热器年/季度最佳倾角方位角，并计算不同倾角方位角下的集热量和CO2减排量。结果表明：安装倾角对集热量影响较大，而方位角对其影响较小，年最佳倾角方位角下的集热量与工程经验角度下的集热量相比，仅提高了0.35%0.75%；每季度按照最佳倾角方位角调整集热器安装角度，则年集热量可提高3.30%3.92%；且使用太阳能集热器可以有效减少CO2排放量，具有较好的环保效益。研究成果旨在为江苏地区太阳能集热器安装倾角和方位角提供参考依据。关键词太阳能集热器最佳倾角最佳方位角集热量CO2减排量中图分类号：TK51文献标识码：A文章编号：1672-9064(2023)03057030引言太阳能集热器表面所获得的辐照量不仅与当地太阳能资源条件有关，还与安装倾角和方位角有关。因此，寻找集热器最佳倾角和方位角，对提升太阳能利用率和减少碳排放量意义重大。根据工程经验，在我国集热器安装倾角一般为当地纬度、方位角一般为正南向1。目前，国内也有许多学者对集热器最佳倾角进行了研究分析，但对最佳方位角的研究较少。巫朝敏等2通过模拟分析得出在集热器倾角为3040时，西昌地区南向集热量最大；赵静等3通过计算得到了兰州地区集热器的月最佳倾角、季最佳倾角和年最佳倾角；武晓伟等4模拟分析了石河子地区太阳能供暖系统集热器的最佳倾角，结果表明最佳安装倾角（47.6）比选用工程经验倾角（54.27）集热量多20 290.1 Wh/m2；曹兴等5通过分析，得出青岛最佳倾角为34、方位角为2或3；杨亚帅等6通过模拟得出天津集热器最佳倾角为45，最佳方位角为0。本文将基于TRNSYS软件平台搭建模型，寻找江苏地区各典型城市太阳能集热器年最佳倾角方位角和季度最佳倾角方位角，并探索不同倾角和方位角下太阳能集热器的集热量和CO2减排量。1模拟计算原理1.1建立TRNSYS模型太阳能集热器最佳倾角和方位角的优化计算模型如图1所示。本模型基于TRNSYS软件平台，以运行期累计获得最大辐照量为目标，通过TRNOPT调用Genopt和Java进行优化计算，求解太阳能集热器最佳倾角和方位角。本模拟采用的是Hooke-Jeeves优化算法，该算法收敛速度快，适用于优化变量较少的情况7。此外，为方便与TRNSYS连接，本模拟采用的是Meteonorm软件提供的气象数据文件。1.2太阳能集热量太阳能集热量是指满足同等需要或达到相同目的条件下，太阳能的代替使用使能源消费减少的数量。单位面积太阳能集热器集热量计算见式（1）8。Qsave=JT（1-c）cd（1）式中：Qsave为太阳能集热器集热量；JT为太阳能集热器采光面积上的太阳辐照量；c为管路和水箱的热损失，本文取值0.15；cd为太阳能集热器年均集热效率，本文取值0.40。1.3二氧化碳减排量太阳能系统具有一定的环保效益，主要体现在减少CO2的排放量。CO2减排量可按公式（2）进行计算9。QCO2=Qsave29.308sFCO24412（2）式中：QCO2为CO2减排量；s为辅助热源系统的工作效率，取0.80；FCO2为碳排放因子，取0.866。其中，1 kWh=3.6 MJ，标准煤热值为7 000 kcal/kg，换算得29.308 MJ/Kg。2结果分析2.1年最佳倾角及方位角分析江苏地区各典型城市年最佳倾角及方位角如表1所示。结果表明，江苏地区6个典型城市的年最佳倾角均比当地纬度小，整体小6.168.96；而最佳方位角与正南向相差不大，仅相差-0.314.19。清洁能源572023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（下转第80页）2.2年太阳能集热器集热量分析江苏地区各典型城市年太阳能集热器集热量如图2所示。从图中可知，江苏地区各典型城市采用当地纬度作为集热器安装倾角，正南向作为方位角时，年集热量为1 551.101 782.50 MJ/m2；当采用模型优化计算出来的最佳方位角作为安装倾角，正南向作为安装方位角时，年集热量提高了6.8911.63 MJ/m2，提高比例仅为0.35%0.75%；当采用最佳倾角和方位角安装集热器时，太阳能年集热量与最佳倾角、正南方位角安装条件下的集热量几乎一样。综上所述，说明集热器的安装倾角对集热量具有一定影响，选用年最佳倾角在一定程度上有利于提高太阳能利用率；而方位角对集热量几乎没有影响，所以集热器可以直接按照正南向进行安装。2.3季度最佳倾角及方位角分析表2为江苏地区各典型城市季度最佳倾角及方位角。可以得出，一、四季度最佳倾角均比当地纬度大，分别增大了7.3111.90和12.4116.03；而二、三季度最佳倾角均比当地纬度小，分别降低了25.2926.90和19.9621.38。2.4季度太阳能集热器集热量分析江苏地区各典型城市季度太阳能集热器集热量如图3所示。从图3中可知，在一、四季度，集热器按照最佳倾角和方位角安装比按照当地纬度和正南向安装所得到的集热量大，但其提高比例较小，分别提高了0.53%1.54%和1.78%2.91%；而在二、三季度，集热器选用最佳倾角和方位角安装比选用当地纬度和正南向安装得到的集热量大很多，分别提高了5.95%6.54%和3.69%4.24%。如果每季度都根据其最佳倾角和方位角调整集热器 安 装 角 度，则 全年 得 到的 集 热量 可提 高52.4770.48 MJ/m2，整体可提高3.30%3.92%，比年最佳倾角和方位角下得到的集热量大得多。2.5CO2减排量分析图4展示了江苏地区各典型城市单位面积太阳能集热器CO2减排量。可以得出，使用太阳能集热器具有一定环境效益，可以减少CO2碳排放量。当集热器安装倾角和方位角为当地纬度和正南方向 时，每 平米 太 阳能 集 热器 每年可 以减 少210.06243.25 kgCO2；当集热器安装倾角和方位角为年最佳倾角和方位角时，每平米太阳能集热器每年可以减少211.66244.28 kgCO2；当集热器安装倾角和方位角按照每季度最佳倾书书书表 摇江苏地区各典型城市年最佳倾角及方位角城市当地纬度最佳方位角 正南最佳倾角 方位角苏州 南京 扬州 淮安 徐州 连云港 图2江苏地区各典型城市年太阳能集热器集热量图3江苏地区各典型城市季度太阳能集热器集热量图4江苏地区各典型城市单位面积太阳能集热器CO2减排量书书书表 摇江苏地区各典型城市季度最佳倾角及方位角城市当地纬度 正南一季度二季度三季度四季度苏州 南京 扬州 淮安 徐州 连云港 清洁能源582023NO3ISSN 1672-9064CN 35-1272/TK（上接第58页）角和方位角进行调整时，每平米太阳能集热器每年可以减少217.45252.79 kgCO2。综上所述，在实际工程中，可以每季度调整一次集热器的安装倾角和方位角，这样不仅能有效提高太阳能集热器集热量，还能减少CO2排放量。3结论本文选取了江苏地区苏州、南京、扬州、淮安、徐州和连云港等6个典型城市，求解了各个城市的太阳能集热器最佳倾角和方位角，并对不同工况下的集热量和CO2减排量进行了计算分析。得出以下结论：（1）在江苏地区6个城市，集热器的年最佳倾角均比当地纬度低，而年最佳方位角与正南向相差不大。且集热器在年最佳倾角方位角安装条件下，其年集热量没有得到显著提高。因此，可以直接选用当地纬度作为倾角，正南向作为方位角。（2）选用季度最佳倾角方位角安装集热器，对应的每个季度集热量均能得到有效提高，第二、三季度集热量比第一、四季度提高得更多，并且全年得到的集热量比年最佳倾角方位角工况下得到的集热量大得多。因此，可以考虑每个季度按照季度最佳倾角方位角调整一次太阳能集热器安装角度。（3）江苏地区各典型城市采用太阳能集热器均能有效降低CO2排放量，为节能减排作出一定贡献。参考文献1詹凯，袁艳平，孙亮亮，等.太阳能热水系统集热器面积与倾角的组合优化J.太阳能学报，2015，36（11）：2651-2658.2巫朝敏，乔振勇，黄渝兰，等.西昌地区太阳能集热器安装最佳倾角探讨J.四川建筑，2019，39（02）：336-338.3赵静，王克振，韩喜莲.兰州太阳能集热器最佳倾角的计算与分析J.建筑节能，2019，47（01）：28-31.4武晓伟，李洁.石河子地区太阳能供暖系统集热器最佳倾角的计算及模拟分析 J.石河子大学学报（自然科学版），2018，36（01）：108-113.5曹兴，刘宇飞，于恒，等.青岛地区屋顶太阳能板最佳安装角度分析J.青岛科技大学学报（自然科学版），2020，41（01）：87-90.6杨亚帅，张明，杨宾，等.太阳能热水系统的模拟与实验研究J.能源与节能，2018（03）：61-62，78.7解秋红，刘保华，李西双，等.基于Hooke-Jeeves算法的渤海现今应力场优化反演J.工程力学，2012，29（06）：279-284，299.8中国人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑太阳能热水系统应用技术规范：GB 503642018S.北京：中国建筑工业出版社，2018.9中国人民共和国住房和城乡建设部.建筑碳排放计算标准：GB/T513662019S.北京：中国建筑工业出版社，2019.图42022年111月A西北角OU值小时均值按月份变化情况OU小时浓度均值：A处3个点位的OU值在工作日1600次日200普遍高于周末，工作日600800也比周末高约0.3；B点OU值在7002200明显高出其余时段约2，其余时段OU值基本保持平稳，工作日10001300和17002000出现2个浓度为20和15的峰值，而周末则没有。2.2.4OU春节假期变化特征2022年春节为1月31日2月6日，将春节期间和春节前后各1个月的OU取均值，分析小时变化情况，4个点位春节7 d的OU值始终低于春节前后1个月。2.3OU报警数据分析平台的TVOC和OU值还分别设置有分钟报警，TVOC限值设为50 mg/m3，OU值设为20。由于TVOC在夜间数值较高，且夏季夜间数值普遍超过50 mg/m3，故对其不作统计。OU值普遍在911之间，除平台运行初期，分钟报警数为1 051个，平均超标倍数为2.17倍，从小时变化上看，分钟报警数主要集中于8002100。3结语（1）TVOC浓度变化与餐饮源相关性较小，其浓度随月份和季节变化幅度较大，总的来看主要随气温的升高而升高，按季节浓度高低顺序为：夏季春季秋季冬季。其日变化特征曲线呈现夜间（2100次日600）高，午间（10001500）低。（2）OU值能一定程度上捕捉餐饮源的活跃时段，其监测浓度主要在911之间，每日8001800 OU值高于其余时段，B点的OU日变化特征曲线还出现了午间、晚间“双高峰”现象。（3）TVOC浓度没有明显周末效应；OU值在商业楼宇的B点工作日明显高于周末。春节7 d假期对TVOC浓度和OU值影响较为显著，其均低于前后1个月的值。（4）监测平台的TVOC报警限值对餐饮排放浓度监测不敏感；OU值报警限值设置为20较合理，较低的报警密度能及时发现餐饮异常排放。参考文献1商宇扬，张国城，杨振琪，等.PID原理的TVOC在线监测系统的特征及其评价J.中国计量，2021（07）：94-98.2王庆良，李倩倩，童东革，等.光化学反应中自由基的作用及反应影响因素的研究进展J.环境化学，2020，39（02）：301-316.3李泱，常莉敏，吕沛诚，等.兰州市大气臭氧生成的敏感性分析及其前体物减排对策建议J.环境科学学报，2021，41（05）：1628-1639.4谭菊.长沙市大气环境中TVOC的污染状况调查、评价及控制措施研究D.湘潭：湘潭大学，2013.污染防治技术80