平板型太阳能热水装置性能实验研究

湖州职业技术学院 环保技术研发中心 ■ 高志宏 贾少刚 魏翠琴 蒉秀惠 王丽萍

0 引言

目前温室农业冬季供暖主要采用小煤炉[1]，存在消耗常规能源和环境污染的问题。因此，开发利用清洁能源和高效节能技术是温室农业可持续发展的必然要求。太阳能是清洁可再生能源，热泵是高效节能技术，两者的有效应用对解决能源与环境问题具有重要意义[2]。当前国内太阳能光热产品以真空管式为主，平板型太阳能市场份额较低，但平板型集热器特别适合于建筑一体化设计[3]，具备使用寿命长、承压能力强等优点，已在欧美市场广泛应用。国内部分科研单位已对平板太阳能及其储热水箱的性能等方面进行了一定的理论和实验研究[3-8]。平板型太阳能热水装置的性能受自身结构与外界条件影响较大，其对太阳能热泵供暖系统[9-12]设计及应用有直接影响。对此，结合浙北地区的气象条件自行设计了一套分体承压强制循环平板太阳能热水装置，并通过实验探究其主要热工性能——集热器集热效率、装置平均效率、辐照度、介质循环方式和流量及环境因素对装置性能的影响，可为太阳能热泵系统应用于温室供暖提供设计和配置优化依据。

1 装置与实验简介

太阳能热水装置由平板型集热器、蓄热水箱(含盘管换热器)、循环水泵、管阀、仪表等组成，结构示意图见图1，实物图见图2，表1为装置各部件的规格参数。装置的循环方式有单循环与双循环两种，单循环时蓄热水箱中的水作为集热介质通过集热器后返回至水箱，如此往复循环；双循环时集热介质通过集热器后进入盘管换热器加热水箱中的水，如此往复循环；集热介质处于封闭的循环状态。相关的实验要求和条件如下：

1)每次实验前蓄热水箱充满新水，通过改变阀门开度来调节介质流量；

2)蓄热水箱的初温和终温取4个温度测点的平均值；

3)实验过程中，当蓄热水箱温度达到最高值后出现明显下降时，停止实验；

图1 装置结构示意图

4)实验过程中相关参数每5 min测试记录一次；

5)实验地点位于湖州职业技术学院园艺园内，无建筑物遮挡，采光情况良好。

图2 装置实图

表1 装置部件规格与所测参数

2 装置数学模型

2.1 集热器数学模型

集热器集热效率ηc是在一定时间内吸收的有用热能与入射在集热器表面上的太阳辐射能之比[13]，公式为：

式中，Q1为集热器有效利用的能量，J；t为时间，s；AC为集热器面积，m2；GT为太阳辐照度，W/m2。

式中，qm为集热介质的质量流量，kg/s；Cp,f为集热介质的定压比热容，J/(kg·K)；T1为集热器进口温度，℃；T2为集热器出口温度，℃。

2.2 蓄热水箱数学模型

蓄热水箱在一定时间内的得热量计算式为：

式中，Q2为蓄热水箱得到的热量，J；ρ0为水的密度，kg/m3；Cp,0为水的定压比热容，J/(kg·K)；Vs为水箱的容积，m3；Te为水箱终温，℃；Tb为水箱初温，℃；

2.3 盘管换热器数学模型

装置以双循环方式运行时会使用到盘管换热器，此时换热器管内为强迫对流换热，换热器与水箱间的水为自然对流换热，则盘管换热器的能量输出平衡方程为：

式中，Q3为盘管换热器输出的热量，J；T3为盘管换热器进口温度，℃；T4为盘管换热器出口温度，℃。

2.4 装置平均效率数学模型

在一定时间内装置平均效率的公式为：

式中，H为集热器累积太阳辐射量，MJ/m2。

3 结果与分析

3.1 实验结果

实验过程中的集热介质均采用水，实验时的相关工况与主要参数见表2。由表2可知，实验时辐照度平均值分布为623～954 W/m2，集热介质的流量分布为5 ～12 L/min，装置平均效率分布为34.47%～43.08%，蓄热水箱的终温分布为42.2～60.3 ℃。

表2 实验工况与过程参数

3.2 结果分析

太阳能热水装置的性能与太阳辐照度、集热介质温度、集热介质循环方式及流量、环境状况等相关，以下分析这些因素对装置性能的影响。

1)辐照度。图3为太阳辐照度变化图，秋冬季晴天时的辐照度随时间变化均呈抛物线形，一般约在11:30达到峰值；辐照度较高时间区间为9:30～14:30，是利用太阳能的较佳时间。图4为辐照度平均值与装置平均效率图，实验的辐照度平均值分布为623～954 W/m2，装置的平均效率各有不同，效率并未随辐照度呈线性关系。因此辐照度对装置效率的影响不大，只要辐照度高于600 W/m2时装置效率就会保持在35%以上。

图3 太阳辐照度变化图

图4 辐照度平均值与装置平均效率

图5 集热器瞬时效率与集热介质温度

2) 集热介质温度。以2015-01-01当天为例，集热器瞬时效率与集热介质的温度变化见图5，可知随着集热介质温度升高集热器瞬时效率在逐渐下降，两者变化趋势相反，集热介质温度对集热效率有重要影响，集热介质温度为18～35 ℃时对应效率为54%～45%，集热介质温度为35～48 ℃时对应效率仅为40%～20%，因此较低的集热介质温度可保持较高的集热效率。图6为集热器进出口温差变化图，此温差先上升达到峰值后再逐渐下降，其与太阳辐照度的变化同步，在辐照度最大时温差最大，随着辐照度的降低温差逐渐减小。

图6 集热器进出口温差

3)集热介质循环方式。结合表2可知双循环的平均效率和水箱终温总是略低于单循环，因双循环增加了换热器使传热环节增多，传热热阻增加导致效率有所降低。

4)集热介质流量。结合表2，集热面积为1.9 m2的装置测试时集热介质流量分布为5 ～12 L/min，流量为5 ～6 L/min时装置平均效率仅有34%～35%，而流量高于8 L/min时装置效率能达到40%左右，因此本装置实测较佳的流量为8 ～12 L/min。

5)环境因素。环境温度和风力主要影响装置的散热，结合表2可知环境风力较大时装置的平均效率都偏低，风力大会导致装置的对流散热损失增加。每次实验的环境平均温度分布为3～12 ℃，装置的平均效率值各有高低，未表现出明显的变化规律，故环境温度对装置性能影响较小。

6)蓄热水箱温度。图7为水箱的温度变化图，无论何种工况水温均呈整体上升趋势，且初始阶段温升速率较快，随着水温的逐渐升高温升速率逐渐下降，其与集热介质温度变化一致，因此太阳能适宜制取40 ℃以下的低温热水，此时的太阳能效率较高。不同工况下水箱终温相差较大，单循环的水箱终温均高于双循环的，其中单循环时的最高终温达到60 ℃，双循环时最高终温只有 55 ℃。

图7 蓄热水箱温度变化图

4 结论

对分体承压平板型太阳能热水装置于浙北地区的实验研究，可得到如下结论：

1)太阳辐照度对装置性能影响不大，当辐照度平均值为623～954 W/m2时，装置的平均效率分布区间为35%～43%，只要辐照度高于600 W/m2，装置效率就可大于35%。

2)集热介质温度对集热效率和装置性能有重要影响，较低的集热介质温度可保持较高的集热效率，集热介质温度为18～35 ℃时对应的集热效率为54%～45%。

3)单循环的效率与水箱终温略高于双循环，本装置较优的集热介质流量为8～12 L/min，此流量下装置效率能达到40%。

4)环境因素中，环境风力对装置性能影响较大，环境温度则较小，要做好装置的保温以减少散热损失。

5)此装置适宜制取40 ℃以下的低温热水，此时的太阳能效率较高。因此对太阳能热泵供暖系统设计来说，宜选择串联式或混联式系统——以太阳能制取低温热水作为热泵蒸发器的热源，此时太阳能的效率和热泵的COP均较高。

[1] 李德坚，唐轩，殷志强，等. 温室太阳能供暖[J]. 太阳能学报，2002，23(5)：557 － 563.

[2] 旷玉辉，王如竹，于立强.太阳能热泵供热系统的实验研究[J]. 太阳能学报，2002，23(4)：1－6.

[3] 丁祥，高文峰，刘滔，等. 分体承压阳台壁挂式太阳热水器的热性能分析[J]. 农业工程学报，2011, 27(10)：233－237.

[4] 张喜明, 于秀峰, 战乃岩, 等. 平板太阳能集热器性能研究[J]. 吉林建筑工程学院学报，2013, 30(2)：30－32.

[5] 王美地，李明，季旭，等. 平板型太阳能热水器性能试验及其模拟对比[J]. 可再生能源，2013, 31(5)：22－25.

[6] 李明，郑土逢，季旭，等. 立面阳台式太阳能热水器的性能特性[J]. 农业工程学报，2011, 27(10)：228－231.

[7] 刘学真，杨远林. 一种太阳能承压水箱的储换热特性研究[J]. 太阳能学报，2012，33(11)：1926－1929.

[8] 毕文峰，王侃宏，乔华，等. 平板集热器冬季工况集热性能分析[J]. 煤矿现代化，2005，1: 57－59.

[9] 陈冰, 罗小林, 毕方琳，等. 温室太阳能与空气源热泵联合加温系统的试验[J].中国农业科报，2011, 13(1): 55－59.

[10] 李舒宏，武文彬，张小松，等. 太阳能热泵热水装置试验研究与应用分析[J]. 东南大学学报(自然科学版)，2005,35(1)：82－85.

[11] 王凤印，周一凡，王翠萍，等. 青岛热泵辅助太阳能供热系统的性能分析[J]. 煤气与热力，2010, 30(10)：A17－A20.

[12] 阳季春，季杰，裴刚，等. 间接膨胀式太阳能多功能热泵单独制热水性能实验研究[J]. 太阳能学报, 2008, 29(6)：678－683.

[13] 张鹤飞, 俞金娣，赵乘龙,等. 太阳能热利用原理与计算机模拟(第2版)[M]. 西安:西北工业大学出版社, 2004.