水箱高度对太阳能热水系统效率的影响研究

李想樊越胜申健蔡其聪

1西安建筑科技大学环境与市政工程学院2中冶交通建设集团有限公司3重庆大学城市建设与环境工程学院

水箱高度对太阳能热水系统效率的影响研究

李想1，2樊越胜1申健1蔡其聪3

1西安建筑科技大学环境与市政工程学院2中冶交通建设集团有限公司3重庆大学城市建设与环境工程学院

在自然循环太阳能热水系统中，储水箱与集热板位置间存在的高差是整个系统循环动力的关键因素。本文通过实验进一步研究了储水箱与集热板高差对自然循环太阳能热水系统效率的影响。实验中，通过改变储水箱高度，得到了不同高差条件下系统得热量与太阳辐照量的关系，同时得到热水系统的效率平均值分别为：23%、31%、23%、21%。当集热器顶部与储热水箱底部之间高差为86cm时平板式太阳能系统的热性能最好。

太阳能热水系统 自然循环 储水箱位置 实验研究

随着太阳能热水器与建筑一体化研究的不断发展，分体式太阳能热水器受到更多的关注。在村镇住宅太阳能系统中，基于成本的考虑，村镇地区应用的太阳能热水系统大部分都是自然循环式的。另外，间接式换热的二次循环方式不易产生结垢现象，防冻效果良好，又可以提高平板型集热器的使用寿命，适用性更强。集热器与储热水箱的高差是系统自然循环的动力因素，两者之间的高差将会影响到集热器进出口的水温、流量，进而影响到热水系统的效率。因此，本文利用间接式平板太阳能热水系统通过改变集热器与水箱之间的高差，通过试验的方法研究系统效率的变化，找到实际应用中的最佳高度。

1 间接式平板太阳能热水系统模型的搭建

间接式自然循环太阳能热水系统主要由集热器、储水箱、循环管路及阀门组成，如图1。按照《家用太阳热水系统热性能试验方法》[1]的要求集热器倾角定于45°，表面无遮挡与阴影投射。集热板尺寸2000mm（长）×1000mm（宽），集热器侧的循环工质为乙二醇-水防冻液，密度为1.087g/m3，冰点为-68℃，满足冬季夜间集热器防冻的需要。为了依靠重力保证自然循环顺利进行，水箱放置于集热器的上方，利用可调节支架固定。循环管及冷热水管都选用铝塑管，其特点是具有金属管坚固耐压和塑料管抗酸碱耐腐蚀的两大特点，也便于水箱与集热器之间的高度调节。

图1 间接式自然循环太阳能热水系统装置图

2 实验方法

本实验分为四组进行测量，为水箱底部距集热器进口高度分别为116cm、86cm、56cm、36cm。每组实验包括3天对整个系统全天的室外实验。实验的起止时间为每天8:00到16:00共八个小时。每天试验测得的输入（照射到系统的太阳辐射）和输出（系统得到的热量）绘制在输入/输出图上。

根据GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》的规定，每组实验时，应满足tad-tb具有相近的值，其中，tad是日平均环境或周围空气的温度，℃；tb是集热试验时贮热水箱内的水温，℃。环境温度应在8～39℃的范围内。在距离盖板表面50mm处，空气流动的平均速率不大于4m/s。

本文在太阳能热水系统测试中使用的主要仪器包括：PC-2-T太阳辐射监测系统，HOBO Weather Station Logger 15通道气象站数据采集器，T型热电偶测量及IMP多通道数据采集器。PC-2-T太阳辐射监测系统可以监测太阳总辐射、散射辐射、直接辐射、反射辐射、净全辐射，测试范围在0～4000W/m2内，误差小于5%；气象站数据采集器气压传感器测量范围660～1070mbar，精度±3.0mbar，温度测量范围-40～100℃，精度±0.2℃（0～+50℃），相对湿度测量范围0～100%（-40～+75℃），精度±2.5%（10%～90%典型），风速测量范围0～45m/s，精度±1.1 m/s；T型热电偶测量范围-200℃～350℃，精度±1℃。

3 实验期间的天气情况

实验日期如表1所示。

表1 实验日期安排

实验连续进行近一个月时间，选择天气情况符合实验要求的数据进行分析。试验期间的太阳辐照情况、气温变化情况及风速变化情况列于图2～图4中。实验期间，总辐射日累计平均值为2.5MJ，每日辐照量相近，仅2日、4日及20日辐照量偏低；气温平均值为22℃，昼夜平均温差为6℃；风速在0～3.8m/s之间变化，波动较大。

图2 实验期间（4月）太阳辐射情况

图3 实验期间（4月）气温变化图

图4 实验期间（4月）风速变化图

4 储水箱高度对系统效率影响实验结果分析讨论

贮热水箱内水体积Vs中所含的得热量Qs可用下式计算得到：

式中：Qs为贮热水箱中水所含的系统得热量，MJ；ρw为水的密度，kg/m3；cpw为水的比热容，J/(kg℃)；Vs为贮热水箱中流体的容积，m3；te为集热试验结束时贮热水箱内的水温，℃；tb为集热试验开始时贮热水箱内的水温，℃。

在整个试验测试期间内，每天开始和结束时贮热水箱内的温度列入表2。

表2 贮水箱起止温度及平均环境温度表

系统测试期间照射到集热器表面的总辐射量如表3所示。

表3 集热器接受太阳能辐照量与得热量

按照GB/T18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》的要求，试验结果应该由不同H值下的输入-输出图表示。家用单一太阳热水系统的性能可由下式表示：

其中（tad-tb）在本次试验的过程中，都近似等于零，因此，可将上式改写为：

式中：系统的系数a1和a3由试验结果用最小二乘法来确定。Qs即为贮热水箱的得热量，即集热量。

由试验结果确定的不同高度下的输入-输出关系式为：

1）高差为116cm

2）高差为86cm

3）高差为56cm

4）高差为36cm

将以上四个关系式绘入输入-输出关系图，如图5所示：

图5 系统得热量与太阳辐照量的关系

热水系统的效率可以定义为系统得热量与照射到集热器表面的总太阳辐照量的比值。

由图5可知，四条线的斜率为Qs/H，由这个值可以清楚地表示出所测试系统在测试期间的效率。对于所测试的集热器有效吸热面积1.81m2、水箱80L的太阳能热水系统中，当高差为86cm时，输入-输出关系式曲线的斜率最大，即整个太阳能热水系统的效率最高。将测试期间内，不同高差系统的平均效率列入表4中。

表4 水箱放集热器高差对热水系统效率的影响

从图6看出，在集热器与水箱之间循环管径不变的条件下，当集热器顶部与水箱底部之间的高差为86cm时，太阳能热水系统的效率最高，达到31%，其比高差在116cm及56cm时系统的效率高了8%，比高差为36cm时的系统效率高了10%。

图6 储水箱高差对热水系统效率的影响

通过以上的数据分析还可以得出，平板式太阳能热水系统的得热量受天气的影响比较大。当某天的太阳辐射较少或者阴天时，平板集热器太阳能热水系统的得热量就会较少，系统的效率就变得较低。

5 结论

针对间接式自然循环平板式太阳能热水系统的应用，本文就集热器与水箱的高差问题进行了实验研究。将集热器与水箱之间的高差分别设定为116cm、86cm、56cm、36cm。通过对每组系统的测试发现四种高差下热水系统的效率分别为23%、32%、23%、21%。当集热器与水箱之间的高差为86cm时系统的效率最高，并且比最低的高差为36cm时系统的效率高出11%。

[1]家用太阳热水系统热性能试验方法(GB/T18708-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社,2002

Effe c t of the Pos ition of Stora ge Ca n on He a t Exc ha nge Effic ie nc y in Sola r He a ting Wa te r Sys te m

LI Xiang1,2,FAN Yue-sheng1,SHEN Jian1,CAI Qi-cong3
1 School of Environmental&Municipal Engineering,Xi’an University of Architecture&Technology 2 MMC Communication Construction Group Co.,Ltd. 3 Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University

The height difference of collector and storage is the driving force of natural circulation system.The height difference have effect on water temperature of inlet and outlet of the collector.In order to study the impact of height difference on the system performance,experimental tests with four kinds of elevation,116cm,86cm,56cm,36cm were applied to study the solar system performance.The test for each height difference were carried out independently.Each height corresponding to the average efficiency of the system are as follows:23%,31%,23%,21%.It was concluded that the best performance was achieved when storage can is 86cm over the collector.

solar water heating system,natural circulation,position of storage can,experimental study

1003-0344（2015）05-070-4

2014-7-18

李想（1982～），男，硕士研究生，高工；北京市东城区安外外馆斜街甲1号（100011）；E-mail:mcclixiang@126.com