平板型太阳能热水器储热水箱安装方式研究

张 涛 熊帝战



平板型太阳能热水器储热水箱安装方式研究

张 涛 熊帝战

（中国建筑西南设计研究院有限公司 成都 610041）

以储热水箱分别为水平和竖直安装的平板型太阳能热水器系统为研究对象，通过对比实验的研究方法，对储热水箱不同安装方式下平板型太阳能热水器储热水箱温度分层和系统效率的影响进行对比分析｡实验结果表明，储热水箱竖直安装下温度分层效果更为明显，储存可用能的能力和品位更佳，集热效率比水平安装也略有提升，储热水箱竖直安装是平板型太阳能热水器更适宜的安装方式。

平板型太阳能热水器；储热水箱；安装方式；温度分层；系统效率

0 引言

太阳能热水器在我国有着广泛的市场｡但与真空管集热器不同，平板型热水器的储热水箱的选择与安装具有更多的可能，如何利用储热水箱来提高平板型热水器的性能越来越多地受到人们的关注与重视｡

国内外学者对太阳能热水器的储热水箱进行了大量的理论与实验研究[1-4]｡研究表明，适宜的储热水箱不仅可以提高系统效率，还能提高储热水箱储存可用能的品质和能力｡但这些研究着眼于改善储热水箱内部结构对温度分层的影响，缺乏对储热水箱不同安装方式对平板型太阳能热水器系统效率和储热水箱温度分层的影响研究｡

本文基于一种新型平板型太阳能集热器，分别将储热水箱水平和竖直安装，进行储热水箱不同安装方式对平板型太阳能热水器温度分层和系统效率的影响程度对比研究，以期为平板型太阳能热水器的水箱安装方式提供工程实际参考｡

1 平板型太阳能热水器对比测试系统

1.1 平板型太阳能集热器简介

采用的平板型太阳能集热器平面结构图如图1所示｡集热器轮廓尺寸（长×宽×高）为2m×1m×0.2m，采光面积为1.95×0.95m2；集热器玻璃盖板采用4mm厚单层超白玻璃；吸热板板芯采用金属陶瓷磁控溅射涂层的0.6mm厚铝板；外框架选用厚度为1mm的铁板；背部和边框分别填充100mm、30mm厚的膨胀聚苯板保温材料｡集热器吸热板与背板间的空间高度为50mm，玻璃盖板与吸热板间的封闭空气层高度为40mm｡7根铜制的水管支管均布的焊接在吸热板背部，并与位于集热器两端的进出水集管相连构成加热水流通通道，水管支管直径12mm，进出水集管直径20mm｡因水管支管超过7根时，容易在水流汇流时造成紊流湍击，导致集热效率降低，所以焊接7根水管的设计，是兼顾集热器效率和经济性的最佳选择｡

1.2 对比测试系统

基于上述平板型太阳能集热器，分别配以水平安装和竖直安装的相同储热水箱，比较两种安装方式的差异｡太阳能集热器以55°倾角朝南安装，储热水箱内径为0.4m，高度1.2m，容积150L，外包50mm厚的膨胀聚苯板保温｡系统均未设置循环水泵，依靠热压维持水在储热水箱和集热器间的流动｡测试系统中，除水箱安装方式外，其他参数完全一致，以保证测试的可对比性｡对比测试系统如图2所示｡

图2 对比测试系统

2 平板型太阳能热水器对比测试

2.1 对比测试条件和仪器设备

2014年6月13到21日，在北京市通州区相同室外环境下，按ISO 9459-2标准[5]分别同时对两套系统进行了一系列互相独立的全天室外对比测试｡测试过程中，每天早上6点前完成上水，6点整揭开集热器表面的遮光挡板开始测试，晚上6点后读取一天采集的数据，并泄掉水箱中的热水，盖上遮光挡板，完成一天的测试｡测试过程中连续监测的参数为：环境温度、太阳辐照强度、水箱中不同位置的水温｡

测试过程中，采用TBQ-2-B型太阳辐照仪监测入射到集热器表面的太阳辐照强度，其测量不确定度为±50W/m2；使用北京天建华仪的WZY-1A型温度自记仪监测环境温度和水箱内水温，其测量范围为-20℃到80℃，不确定度为±0.3℃｡测试过程中太阳辐照仪安装倾角与集热器安装倾角保持一致｡环境温度的监测测点布置在离地面高1.5m的背光处，并进行遮阳处理｡为监测储热水箱内温度变化及温度分层情况，在两个水箱内，布置了一系列温度测点，具体布置方案如图3所示｡对竖置水箱，在水箱中心处，沿高度方向，从距底部0.1m处开始，每隔0.1m布置一个测点，共11个测点；对横置水箱，将水箱沿长度方向均分成4个区域，在每个区域中间，沿水箱直径方向，从距底部0.05m处开始，每隔0.1m布置一个温度测点，共计16个温度测点｡通过将温度探头不接触的固定在铁棒上，再置于水箱中，以确保温度测点的位置｡同时为温度探头包裹上铝箔防水胶带做防水处理。对于太阳辐射强度和所有温度测点，数据采集的时间间隔均为2分钟｡

（a）储热水箱竖置

（b）储热水箱横置

图3 储热水箱内温度测点布置方案

Fig.3 Detailed temperature measuring points layout schemes

2.2 日平均集热效率计算

经一段时间加热后，太阳能热水器系统收集到的热量由如下公式计算：

据此，利用公式（2）得出系统的日平均集热效率：

其中：G为时刻入射到集热器表面的太阳辐射强度，W/m2；为太阳辐照数据采集的时间步长；为集热器轮廓面积，m2｡

同时，根据对两套对比测试系统的若干互相独立的全天室外测试结果，并对每天试验测得的输入（即集热器采光面的日太阳辐照量）和输出（储热水箱获得的净太阳能）绘制在输入/输出图上｡然后利用公式（3），用最小二乘法拟合出太阳能热水器得热量与太阳辐照量和平均环境温度与水箱初始温度的差值的关系，以预测热水器全年得热情况｡

3 结果与讨论

3.1 储热水箱内温度分层情况

本文以2014年6月13日的测试结果为例，分析两套太阳能热水器系统储热水箱内温度分层情况｡

测试期间入射到集热器表面的太阳辐照强度和环境温度随时间的变化如图4所示｡测试期间，太阳辐照波动较大，最大太阳辐照强度为600W/m2，平均辐照强度为167W/m2｡环境温度较高，最高温度达为34℃，平均温度为28℃｡

图4 太阳辐照强度和环境温度随时间的变化

3.1.1 储热水箱横置系统

储热水箱横置的太阳能热水器系统的储热水箱内各点温度随时间变化如图5所示｡随着系统得热量的增加，四个区域最上部的水温迅速升高，并稳定在65℃左右｡经一段时间加热后，热量向下传递，下部水温逐渐升高｡四个区域内，竖直方向都存在很大的温度分层现象，到晚上六点测试结束时，从上到下依次形成约12℃、9℃、4℃的温度分层；而在水平方向，仅储热水箱热水进口区域与其他区域表现处一定的温度分层现象，但到测试结束时，温度分层现象消失｡

（1）距储热水箱热水进口0.15m区域

（2）距热水箱热水进口0.45m区域

（3）距储热水箱热水进口0.75m区域

（4）距储热水箱热水进口1.05m区域

图5 储热水箱横置的太阳能热水器系统各点温度变化

Fig.5 Variation of water temperatures in the transverse heat storage tank with time

3.1.2 储热水箱竖置系统

储热水箱竖置的系统储热水箱内各点温度变化如图6所示｡随着加热的进行，储热水箱上部的水温迅速升高，并维持在60℃以上，上部的3个温度测点处的水温经过一天的加热后基本达到一致｡经一段时间加热后，热量向下传递，中部4个测点处的水温依次增加，但因加热时间有限，各点间呈现极大的温度分层现象，从上到下，第3个测点到8个测点间的温差依次约5℃、8℃、8℃、6℃、3℃｡而最下部4个测点处，因为测试期间入射到集热器采光面的太阳辐照量不足，热量未能传递到水箱下部，基本没有温升｡

根据储热水箱不同放置方式的平板型太阳能热水器系统的温度分层测试结果，储热水箱的两种放置方式都表现出较大的温度分层现象，但储热水箱竖置方式温度分层现象更为明显，储存可用能的能力和品位更佳，故对储热水箱竖置的系统，若热水器取用热水方式采用顶水法[6]，储热水箱竖置方式将进一步扩大太阳能热水器利用太阳能加热生活热水的得热量｡

图6 储热水箱竖置的太阳能热水器系统各点温度变化

3.2 太阳能热水器系统输入-输出图

本文按ISO 9459-2标准对两套系统同时进行了一系列独立全天室外测试，监测测试期间的日平均环境温度、集热试验开始时储热水箱内的平均温度、输入（即集热器采光面的日太阳辐照量）和输出（储热水箱获得的净太阳能）并根据公式（2）计算两套系统的集热效率，结果如表1所示。

表1 储热水箱不同安装方式下的平板型太阳能热水器运行特性

由表1可见，储热水箱横置的太阳能热水器系统集热效率在49.6%到58.2%间；而储热水箱竖置的系统集热效率从53.8%到62.8%｡储热水箱竖置系统的集热效率略高于横置系统，储热水箱竖置方式能提高太阳能热水器系统集热效率｡一方面是因为储热水箱竖置系统集热器进出水点高差更大，自然循环的热压较大，故系统流量更大；另一方面是竖置系统温度分层更为明显，进入集热器的水温更低。

同时，根据表1的测试结果，结合公式（3），利用最小二乘法拟合出两套太阳能热水器系统的性能如公式（4）、（5）所示：

横=0.6596+0.1378-2.4728 （4）

竖=0.6906+0.1-2.6441 （5）

从式中可以看出，太阳能热水器系统的得热量主要取决于太阳辐照量，随日平均环境温度与水箱初始温度差值的增加而增加｡据此可以推算在不同的太阳辐照量以及温差下的热水器全年得热量｡对于储热水箱横置和竖置的两套热水器系统，与太阳辐照量相关的系数分别是0.6596和0.6906，故就全年而言，储热水箱竖置的太阳能热水器系统得热量高于储热水箱横置的系统｡

测试结果输入-输出图如图7所示。

（a）储热水箱横置

（b）储热水箱竖置

图7 系统得热量与太阳辐照量的关系

Fig.7 Energy outputof the system as a function of air radiation

4 结论

储热水箱水平、竖直安装下平板型太阳能热水系统性能对比实验研究表明，储热水箱竖置方式温度分层效果更好，储存可用能的能力和品位更佳，使平板型太阳能热水器系统采用顶水法取用热水，进一步增加得热量成为可能｡

同时，储热水箱竖置系统的集热效率略高于横置系统｡储热水箱竖置方式能提高平板型太阳能热水器系统集热效率｡故在安装条件允许下，平板型太阳能热水器的储热水箱更宜采用竖直安装的方式｡

[1] 于国清,汤金华,邹志军.太阳能热水系统蓄热水箱温度分层作用研究[J].建筑科学,2007,23(4):70-73.

[2] Jianhua Fan, Simon Furbo. Thermal stratification in a hot water tank established by heat loss from the tank[J]. Solar Energy, 2012(86):3460-3469.

[3] 王智平,陈丹丹,王克振,等.太阳能储热水箱温度分层的研究现状及发展趋势[J].材料导报A:综述篇,2013,27(8):70-73.

[4] Y M Han, R Z Wang, Y J Dai. Thermal stratification within the water tank[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009,(13):1014-1026.

[5] IS0 9459-2:1995(E). Solar heating-Domestic water heating systems-Part2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems[S].

[6] GB/T 18713-2002,太阳能热水系统设计安装及工程验收技术规范[S].北京:中国标准出版社,2002.

Research on Installation Method of Heat Storage Tank in Flat Plate Solar Water Heater

Zhang Tao Xiong Dizhan

( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

The heat storage tank is always installed with the horizontal and vertical way in the plate solarwater heater.Through the contrast experiment research method and analyzing the temperature stratified and systematic efficiency in the different Installation Method. Experimental results show that in the vertical installation method, temperature stratification is more obvious and thequality of the available storage energy is better, heat collecting efficiency is also slightly increased. The verticalinstallation method of heat storage water tank is more appropriate in flat type solar water heater.

Flat Plate Solar Water Heater; Heat Storage Tank; Installation Method; thermal stratification; System efficiency

1671-6612（2017）02-170-06

TK512

A

2015-12-01

作者（通讯作者）简介：张 涛（1988.02-），男，硕士，工程师，E-mail：ZBI2@xnjz.com