一种小型太阳能二次换热系统设计软件的开发

,

(宁夏大学机械工程学院1，宁夏 银川 750021；宁夏大学新能源研究中心2，宁夏 银川 750021；宁夏大学物理电气信息学院3，宁夏 银川 750021)

0 引言

开发利用新能源，是目前节能减排、环境保护、实现能源持续供给的主要方法[1]，也是解决我国人民生活用热水的新途径，其中太阳能热水器就是途径之一。太阳能热水器是将太阳辐射能转化为热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用。

目前，国内的太阳能热水器应用主要以直接系统为主，即用户消费的热水直接来自热水器保温水箱。在直接热水系统使用过程中，水箱内流体经反复循环和使用易滋生各种细菌，导致生活热水被污染，给人们的健康带来危害。

在太阳能利用过程中，还存在另外一个主要问题，即由于太阳能的间歇性、能流密度低[2]以及辐射强度的不断变化，在热水的取用过程中不能满足能量连续性的需求。

为了解决生活热水水质及能量储存问题，本文在现阶段常用普通热水器的基础上设计了一种二次换热太阳能热水器。这种太阳能二次换热系统具有以下特点：

① 热水出水压力源自冷水压力，热水压力澎湃；

② 冷热压力匹配，出水温度容易调节，不会忽冷忽热；

③ 使用换热盘管进行换热取水，不使用水箱内一次水，自来水经过盘管换热迅速顶出，二次换热，不含亚硝酸盐及致病菌团，水质新鲜，可饮用；

④ 太阳能热水器不需要人工补水，不会串水；

⑤ 太阳能真空管、水箱内无水垢积结，无需清洗，延长了太阳能热水器的使用寿命。

针对太阳能二次换热系统设计计算过程复杂繁琐，本文采用Visual Basic 6.0和Access 2007数据库构建了太阳能二次换热系统的设计计算软件。该软件对指导太阳能二次换热系统的设计具有一定的实际应用价值和指导意义。

1 系统结构

太阳能二次换热系统属于间接式系统，是由全玻璃真空太阳集热管、保温水箱、内置盘管换热器、集热器支架、保温水箱进口开关阀及循环泵等组成的一个强制循环系统。系统结构如图1所示。

图1 太阳能二次换热热水系统结构图

2 软件介绍

2.1 软件编制语言

本软件是利用Visual Basic 6.0(以下简称VB)语言设计开发的。VB的数据类型、数据运算及程序控制结构等基本概念对于任何语言都是一致的，既易于代码编写，又便于界面设计，效果更为直观[3]。另外，VB语言编制属于面向对象的编程。这符合本软件对不同型号真空管和系统在不同地区的使用和计算分析的要求，编程工作更加方便和灵活。

在太阳能二次换热系统的设计过程中，需要根据设计要求、工作条件处理大量的数据，如用户平均日用水量、所需热水的温度、年平均日太阳辐射量、流体的黏度、流体的密度、雷诺准数、普朗特数、传热系数、盘管传热面积、盘管长度等。

这些数据的计算、查表费时费力。因此，采用Visual Basic 6.0和Access数据库构建了太阳能二次换热系统的设计计算软件。设计者只要输入和选取相应的参数，就能够得出太阳能二次换热系统的相关参数，提高了设计效率和计算精度。

2.2 软件功能的实现

在系统设计过程中，主要利用Visual Basic中常用的控件来完成各种功能，如文本框控件(Text box)、标签控件(Label)、命令按钮控件(Command button)、单选按钮控件(Option button)、组合框控件(Combo box)以及一些事件。

本文搭建的全玻璃真空管太阳能二次换热系统可分为两大模块：集热装置的设计计算模块和换热装置的设计计算模块。

2.2.1 集热装置的设计计算

集热装置的设计计算包括：集热器总集热面积的确定、热水器容量的确定、真空管管数的确定、真空管最小间距的确定、水箱长度和直径的确定。

这些设计参数的计算都有相应的设计标准，但每次设计都要进行查询、验证等操作，这样既费时又费力，而且准确度不能够保证。因而，将设计计算公式编写为程序，软件设计者只要输入和选取相应的参数，就可以得到全玻璃真空管太阳能二次换热系统的设计计算结果。

集热装置的设计计算通过后台程序完成。在集热装置参数计算界面，点击命令按钮开始计算，软件即自动计算出所需要的设计参数。集热装置的设计参数计算流程如图2所示。

图2 集热装置的设计参数计算流程框图

2.2.2 换热装置的设计计算

换热装置的设计参数计算流程如图3所示。

图3 换热装置的设计参数计算流程框图

换热装置的设计计算包括：雷诺准数的确定、普朗特数的确定、传热系数确定、盘管传热面积的确定、盘管长度的确定。

根据设计手册，在VB软件后台对设计参数的计算公式进行编程。设计者只要输入和选取相应的参数，计算结果便显示在界面上，供设计者运用，这样既方便又准确。换热系统的设计计算是通过后台程序完成的，点击开始计算按钮，软件自动计算出所需要的设计参数。

2.2.3 数据的管理

数据管理的功能分成两部分：一是数据库功能，二是辅助功能[8]。

数据库功能主要是针对在计算过程中需要用到的大量数据(如各地区的平均日太阳辐照量、流体的各种属性等)建立一个数据库。只要用户选择相应的名称,就可在数据库中调用相关数据,无需自行查找输入。

辅助功能主要是对软件计算处理后的数据进行统一的管理和维护，可以实现数据导入、存储、修改、打印、输出等功能。

目前，有两种数据接口方式：一种是采用数据控件(data控件和Adodc1控件)连接Access 2007数据库；一种是采用数据访问对象来连接数据库。另外 Adodc1 适用于Excel 表格、文本文件、图形文件等数据文件。这样可以完善系统设计软件的储存数据类型以及输出文件格式。

对于计算后数据的导出、存储，采用编写程序后，点击保存结果按钮，结果自动保存到Excel表格中，供设计者使用。

3 软件应用实例

以设计一套全玻璃真空管集热系统为例。

集热系统设计参数如下。已知在银川地区某用户平均日用热水量300 L，所需要的热水温度为65 ℃，进入水箱前的冷水温度为10 ℃。选用长为1 800 mm、外径为58 mm的真空管，计算集热装置的设计参数。

换热系统设计参数如下。已知常温水在φ16×0.5 mm的管内流动用以换热，流速为0.95 m/s，温度从10 ℃升至45 ℃，盘管的曲率半径为0.175 m。

输入已知条件，选择相关参数后得到的计算结果如表1所示。

表1 真空管太阳能集热系统参数

4 结束语

针对系统的设计计算复杂和繁琐，采用Visual Basic 6.0和Access 2007数据库构建了太阳能二次换热系统的设计计算软件。该软件解决了太阳能二次换热系统设计计算效率低、易出错等问题，实现了选型计算的智能化，减少了系统设计计算时间，提高了工作效率，保证了计算的准确度，是一款具有实际应用价值和指导意义的软件。

[1] 霍志臣,罗振涛.中国太阳能热利用2011年度发展研究报告上[J].太阳能,2012(1):6-11.

[2] 刘贞先,伊晓路,傅军.太阳能综合利用技术探讨[J].应用能源技术,2006(1):31-34.

[3] 韩亚萍.Visual Basic 6.0基础培训实例[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4] 张涛,闫素英,田瑞,等.全玻璃真空管太阳热水器数值模拟研究[J].可再生能源,2011,29(5):10-14.

[5] 何梓年,李炜,朱敦智.热管式真空管太阳能集热器及其应用[M].北京:化学工业出版社，2011:83-88.

[6] 陈焕新,梁意艺,刘凤珍,等.活塞式压缩机曲柄连杆机构受力计算软件的开发[J].压缩技术,2000(5):28-29.

[7] 柴婷,胡海涛,丁国良,等.太阳能真空管集热器管中心距的优化与应用[J].机电工程,2011,28(4):1295-1299.

[8] 罗婷,朱凌云.VB在环境监测系统中的应用[J].自动化仪表,2013,34(3):22-24.

[9] 谭天恩,李伟.过程工程原理[M].北京:化学工业出版社,2004.

[10]龚培曾,杨志强,陆慰民.Visual Basic程序设计教程[M].北京:高等教育出版社,2007.

[11]林艺锋,张仁元.二次换热式太阳能热水器的应用研究[D].广州:广东工业大学,2011.

[12]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社,2005.