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可再生能源模拟器

太阳热水器·集热量模拟器

调节集热面积、辐照度、进口水温和环境温度,用 HWB 公式实时计算瞬时集热量、日累计量、200 L 水箱升温量和效率曲线。

预设
集热器参数
集热面积 A (m²)
m²
集热器热转移因子 FR
光学效率 τα
总热损失系数 UL (W/m²K)
W/m²K
运行条件
辐照度 GT (W/m²)
W/m²
进口水温 Tin (°C)
°C
环境温度 Tamb (°C)
°C
计算结果

暂停时拖动滑块,结果会立即更新。

计算结果
—
效率 η
—
集热量 Q (kW)
—
日累计量 (kWh/日)
—
200L 升温 (°C)
—
停滞温度 (°C)
—
ΔT/G_T (m²K/W)
太阳集热流程(实时)
效率
理论与主要公式
$$Q = \eta \cdot A \cdot G_T$$ $$\eta = F_R\left[\tau\alpha - U_L\frac{T_{in}-T_{amb}}{G_T}\right]$$ $$T_{stag}= T_{amb}+ \frac{F_R\tau\alpha}{U_L}G_T$$

什么是太阳能热水器·集热量模拟器

🙋
这个模拟器计算的“集热效率”具体表示什么?
🎓
大致来说,就是把太阳光能作为热回收的比例。例如辐照度 1000 W/m²、效率 50% 时,每 1 m² 可得到 500 W 的热。拖动上方的“光学效率 τα”滑块试试:它越高,效率曲线的起点(最左端)就越高。
🙋
效率曲线为什么向右下倾斜?把“进口水温”调高后,效率一下子就下降了。
🎓
那是热损失的影响。集热器里的水比外界空气热得多时,热就会散失。用公式来说,就是“$U_L(T_{in}-T_{amb})/G_T$”这一项变大。实务中表现为:冬天早晨送入冷水时效率高,而热水已经足够热的午后效率下降。
🙋
据说“总热损失系数 U”小的真空管型在高温下更有利,在这个图上该怎么看?
🎓
注意到了关键点。在左侧“预设”中选择“真空管型”试试。U_L 从 4.0 降到 1.0 W/m²K,效率曲线的斜率变得平缓得多——这就是“U_L 小”的含义。这个预设在进口水温 50°C 时效率仍有 53.0%,而把同样的进口水温用于标准平板型(F_R 0.80、τα 0.75、U_L 4.0)则为 46.3%。也就是说,进口水温升高时效率下降较少,因此在需要高温热水或环境温度低的地区更有利。

常见问题

标准平板型(A 4 m²、F_R 0.80、τα 0.75、U_L 4.0 W/m²K、G_T 700 W/m²、T_in 20°C、T_amb 20°C)、真空管型(A 3 m²、F_R 0.70、τα 0.80、U_L 1.0、T_in 50°C)、夏季晴天(G_T 900 W/m²、T_in 25°C、T_amb 32°C、F_R 0.82、τα 0.78、U_L 4.5)、冬季阴天(G_T 350 W/m²、T_in 15°C、T_amb 5°C,其余与标准平板型相同)共 4 组。它们都是用于比较的代表值,不是特定产品的性能数据。
日累计量假定设定的辐照度和环境温度不变,把瞬时集热量按峰值日照 6 小时累计。200L 水箱升温量是用该累计热量能使 200 L 水升高多少度,按水的比热(4.186 kJ/kg·K)计算。
光学效率 τα、总热损失系数 U_L 和热转移因子 F_R 都可以用左侧面板的滑块(及数值输入)自由修改。由厂商目录按 τα=F_Rτα/F_R、U_L=F_RU_L/F_R 求出各值并直接输入,即可得到符合实际产品的效率曲线和集热量。
在 HWB 公式中,环境温度高于进口水温时热损失项为负,因此瞬时集热量大于仅由光学效率决定的理想集热量。这表示集热器也从周围空气吸热,反映了实际的工作情况。

现实世界中的应用

住宅热水系统设计:根据家庭人数和当地辐照度确定所需的集热面积。典型用法是在模拟器中设置冬季条件(辐照度偏低、环境温度偏低),确认能否得到足够的热水。

农业及商业热水需求:对养殖场水温维持、酒店热水供应等需要大量低温热水的场合很有效。设置较大的集热面积,模拟得到的日累计热量(MJ/日)能否满足需求。

集热器的性能比较与选型:把厂商目录的性能值(F_Rτα、F_RU_L)输入模拟器,在自己的使用条件(预期进口水温、当地气象)下定量比较效率差异。

系统安全确认(停滞温度的估算):估算循环泵停止时集热器达到的最高温度(停滞温度)。这对确认其不超过集热器和管路的耐热温度、采取过热防护措施很重要。

常见误解与注意事项

首先,容易忽视“辐照度”的输入值是实际安装面上的值这一点。输入模拟器的“面内辐照度”与水平面辐照度不同。例如在日本朝南倾斜 30° 的面,冬季太阳高度低,接收的辐照比水平面多;夏季正午太阳高,则与水平面相同或略少。实际设计中,正确的做法是从气象数据库算出倾斜面辐照度。

其次,“瞬时集热量”的值只是“某一瞬间”的情况。例如在辐照度 1000 W/m²、效率 50% 下算出的 500 W/m² 的热,如果该条件持续 1 小时,相当于 0.5 kWh 的热能。日累计量就是把这种“瞬间”的计算在一天内积分的结果。由于从早到晚条件不会一直相同,使用逐时辐照度和气温数据的逐步计算更接近实际。

最后,要注意模拟器的“效率”是集热器单体的性能,而不是整个系统的热水效率。例如即使集热器能制出 80℃ 的热水,由于管路热损失大,到达水箱时只有 60℃ 的情况很常见。另外,水箱满时集热停止的“停机损失”也会降低整体效率。本工具只评价核心的集热性能,系统设计还需考虑泵功率、控制逻辑等其他因素。

使用指南

  1. 输入集热面积(m²)。例如假定 4 m² 的平板集热器时设为“4”
  2. 指定辐照度(W/m²)。晴天朝南法线面约 800 W/m²,阴天约 200 W/m² 可作参考
  3. 设置进口水温(°C)。从 15°C 自来水开始与从蓄热水箱循环 30°C 的水,结果不同
  4. 按厂商规格输入热转移因子 F_R(0.7~0.85)、光学效率 τα 和总热损失系数 U_L(W/m²K),即可按 HWB 公式计算瞬时集热量
  5. 确认日累计量和 200 L 水箱升温量,判断系统设计是否合理

具体计算示例

集热面积 A=6 m²、辐照度 G_T=700 W/m²、进口水温 T_in=20°C、环境温度 T_amb=25°C、F_R=0.75、光学效率 τα=0.75、U_L=6 W/m²K 的平板集热器:效率 η=F_R[τα−U_L(T_in−T_amb)/G_T]=0.75×[0.75−6×(20−25)/700]≈0.595(59.5%)。瞬时集热量 Q=η·A·G_T=0.595×6×700≈2.50 kW。按本工具的 6 小时峰值日照换算约为 15.0 kWh/日,200 L 水箱(比热 4.186 kJ/kg°C)升温约 64°C。停滞温度估计为 T_stag=T_amb+(F_R·τα/U_L)·G_T≈90.6°C(显示四舍五入为 91°C)。

实务注意事项