一种导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统的实验研究

陈雪娇， 高文峰， 刘滔， 林文贤， 牛艳， 段亚丹， 张昱翀

(云南师范大学 太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南 昆明650092)

传热是太阳能热水系统的重要环节，对其进行改进将能极大地提高太阳能热水系统的热性能.1976年，Wolf和Bienert[1]分析了热管在太阳能集热器中的运用，实验主要内容是将热管的蒸发段插入太阳能集热器中，但实验结果却不尽人意.谢光海等[2]从传热和结构两方面分析了全玻璃真空管太阳能热水系统的主要缺点，介绍了高效传热元件—热管的原理及其优越性.其明显特征是水不在真空管内流动，但是由于其造价昂贵，一旦系统过热会造成密封圈老化漏水等状况.对产品的推行和应用起到了负面作用.路灵等[3]在紧凑型产品中研究发明发了一种热动力自然循环非承压式太阳能热水系统导流装置.通过在内聚光真空管太阳能热水系统中加装导流装置，从而改善内聚光真空管内部换热，解决了现有太阳能热水系统真空管导热不畅、易炸管等问题.李晓霞等[4]通过数值模拟方法分析导流板安装在玻璃管中间位置、距玻璃管中间位置偏上(偏下)1/2处、距玻璃管中间位置偏上(偏下)1/3处5个不同位置的传热特性和流动特性，通过数值模拟方法分析了导流板位置对真空管热水器传热性能的影响，得出导流板加装在真空管中间或者偏下1/3位置的效果最明显.

基于上述研究，在传统全玻璃真空管太阳能热水系统的基础上进行技术改进，一种导流管式全玻璃真空管太阳能热水系统得到开发，该系统具有保温性能好、承压性能好、不结垢、耐热冲击等诸多优点.本文参照国家标准GB/T 18708—2002 《家用太阳热水系统热性能试验方法》[5]，对一种导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统(以下简称导流管式热水系统)进行多次单天热性能测试，并与传统式全玻璃真空管太阳能热水系统(以下简传统式热水系统)对比，分析得出导流管式承压热水系统和传统式真空管太阳能热水系统在实际运行特征方面的不同及各自的优势和劣势,对这种新型产品后期的优化和改进提供理论支撑.

1 系统介绍

本试验平台搭建在云南师范大学太阳能研究所一楼的场地(25.02°N，102.68°E).所安装的导流管式热水系统及传统式热水系统相关参数见表1.

表1 两种热水系统的相关参数

传统式全玻璃真空管太阳能热水系统是市面上常见的一种热水系统.为了更好地分析导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统的运行参数，为此设立对照试验组，对照试验组对象为一套与导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统水量配比和采光面积相近的传统式全玻璃真空管太阳能热水系统.

导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统是一种组合实用新型太阳能热水系统.它集合了玻璃真空管技术以及导流管式真空管技术.结构上的显著特点在于该系统使用的真空管还包括一套在玻璃真空管内的金属铜管，该金属铜管上端通过螺纹和螺母与水箱内胆紧密结合，水箱内的水通过金属铜管被循环加热.

图1导流管式全玻璃真空管太阳能热水系统原理图

Fig.1 Guide tube type all glass vacuum tube solar water heating system schematic diagram

系统工作原理简单来说就是当太阳光透过外层玻璃管，照射在内层玻璃管的选择性吸收涂层上，具有高吸收比的太阳能选择性吸收涂层将太阳辐射转化为热能，迅速将热能传递给金属铜管中的水，使之不断升温，密度减小，与水箱内的冷水形成密度差，热水上浮冷水下降，使水箱内的水在没有外力条件下完成循环，实现水的加热过程.

2 系统试验方法

参照GB/T 18708—2002 《家用太阳热水系统热性能试验方法》[5]、GB/T 19141-2011 《家用太阳热水系统技术条件》[6]所要求的太阳热水系统热性能技术条件及测试方法，对导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统和传统式全玻璃真空管太阳能热水系统进行了测试.

2.1 测试装置

集热器倾斜面的太阳辐照量采用TBQ-2型太阳总辐射表测量，测量范围为0～2 000 W/m2；集热器进出口温度、水箱水温及环境温度由PTWD-2A型温度传感器测量，测量范围为-40～150 ℃；风速大小由风速仪测得，测量范围为0～60 m/s；数据采集与记录系统为TRM-2 型太阳能热水系统热性能测试系统.

2.2 试验方法

对导流管式热水系统白天温升以及夜晚温降情况进行实验测量，由于水箱水温会产生热分层现象，水箱中的初始温度和终止温度均采用三点法测量，分别在保温贮热水箱的上、中、下三个部分按照体积等分安装上、中、下三个PTWD-2A温度探头，取三点温度的平均值作为水箱中的水温.在防辐射通风罩内放置一个温度传感器，测量环境温度ta取平均值.总辐射表与集热器采光面平行安装.试验在昆明的五月份进行，具体测试时间为5月17日8∶00至5月18日4∶00.

2.3 测试步骤

1)贮热水箱每天早晨都需重新充入冷水，且水箱内平均温度需控制在20 ℃以下.

2)数据采集记录仪每隔一分钟记录一次数据，其中包括：水箱上中下三层温度、环境温度、瞬时辐照量、风速等，累计太阳辐照量由累加计算得出.

3)热水系统得热量试验一般采用混水法，试验从贮热水箱上满新水且保证水箱内平均温度在20 ℃以下开始计时，累计8 h.

4)热水系统热损因数试验从太阳落山后开始测定，要求贮热水箱内水的平均温度需大于50 ℃.从北京时间20:00到凌晨4:00，累计8 h,期间数据采集记录仪每隔一分钟记录一次数据.将所得温度数据每隔半小时取值一次，共取16次数据.并利用Origin软件作图分析，最后系统的平均热损因数通过公式(4)计算得到.

2.4 数据处理方法

白天在特定大小的太阳辐照量下，保证贮热水箱内水的平均温度高于或等于45 ℃时，单位轮廓采光面积贮热水箱内水的得热量称之为热水系统的得热量[7].若贮热水箱实际体积为M，试验开始时水箱初始水温为tb，结束时平均水温为te,集热器轮廓采光面积为Ac,则热水系统得热量为：

(1)

关于一般的太阳能热水系统，它热性能的优劣不仅能从热水系统得热量分析得出.还可以通过系统平均日效率和瞬时效率来鉴定.

系统平均日效率：

(2)

影响热水系统保温性能优劣的因素是系统平均热损因数[8]，所谓系统平均热损因数指的是在一段时间内(没有太阳辐照条件下)，单位时间、单位水体积的太阳热水系统贮水温度和环境温度之间温度之差的平均热量损失.

贮热水箱热损因数[9]US和系统平均热损因数USL的关系为：

US=USLVs

(3)

所以，系统平均热损因数：

(4)

依照国标GB 26969-2011，家用太阳能热水系统能效系数

CTP=Q17eQ17m-

α×USLe/USLm

(5)

CTP—家用太阳能热水系统能效系数；Q17e— GB/T 19141-2011试验条件下，等同于日太阳辐照量为17 MJ/m2所得的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量，MJ/m2；Q17m—GB/T 19141-2011规定的家用太阳能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量的通过最小值，MJ/m2；α—权重系数，表示平均热损因数在家用太阳能热水系统能效系数中的权重，在国标中α取0.9；USLe试验条件下测试所得的家用太阳能热水系统的平均热损因数，W·m-3·K-1；USLm—GB 26970-2011 规定的家用太阳能热水系统的最大平均热损因数W·m-3·K-1.

3 结果与分析

3.1 两种热水系统得热量和平均日效率

选取导流管式热水系统和传统式热水系统一天的数据，并进行整理和分析.表2为测试得到的环境温度及相关热性能参数.图2表示在测试当天热水系统白天的温升与环境温度和太阳辐射曲线.

表2 得热量试验数据

图2两种热水系统白天温升与环境温度和太阳辐射曲线

Fig.2 Daytime temperature rise and ambient temperature and solar radiation curves of two hot water systems

由表2可知,两种热水系统的得热量数值满足国标关于紧凑式太阳热水系统日有用得热量Qs≥7.7 MJ/m2的要求;与传统式热水系统相比，导流管式热水系统的平均日效率提高了7.5%，其原因主要有：(1)导流管传递热量的性能优良，它作为集热器和水之间的媒介，可以将从集热器那里得到的热量快速传递给冷水.(2)传统式热水系统的玻璃真空集热管内始终有残留的热水，导致热水中的热量没有得到充分利用，造成系统平均热效率较低.而在导流管式热水系统中，真空管内基本没有留存的热量.

图2是两种热水系统水箱内的平均温升、环境温度、太阳辐射随时间的变化曲线，当天的环境温度的范围是17.3～26.7 ℃.导流管式热水系统平均温度与传统式热水系统的平均温度相比，随着累计太阳辐照量的增大，导流管式的平均温度上升的速率明显高于传统式的平均温度,主要原因是导流管式热水系统真空管内热容较小，启动快，系统升温迅速.

3.2 水箱水温分层情况

对于导流管式热水系统和传统式热水系统的水温分层的具体状况，测得贮热水箱上中下三个温度及室外环境温度，其不同测点的温升情况如图3所示.

图3导流管式与传统式各层温度对比示意图

Fig.3 Schematic diagram of temperature comparison between diversion tube and traditional layer

导流管式热水系统的温度分层情况如图3实线所示，当天环境温度范围为16.8～34.2 ℃，从图中实线的趋势可以明显看出，水箱中的水温起始温度相差不大，水温温差相差在1 ℃之内.随着太阳辐照量的不断增加，温度明显上升.水箱上层温度上升幅度最大，中层温度上升幅度次之，下层温度上升幅度最小.导流管式热水系统水箱内的温度有一个十分明显的分层现象，其中水箱上层水的温度和水箱中层水的温度相差较小，水箱上层水的温度与水箱下层水的温度相差较大.下层温度比中层温度平均低4.3 ℃，比上层温度平均低6.2 ℃.

传统式热水系统的温度分层情况如图3虚线所示，当天的环境温度范围为16.8～34.2 ℃，从图中虚线的趋势可以明显看出，水箱上中层起始温度相差不大，水温温差相差在0.5 ℃之内.随着太阳辐照量的不断增加，温度上升明显.水箱上层温度上升幅度最大，中层温度上升幅度次之，下层温度上升幅度最小.传统式热水系统温度分层明显，上层和中层水温相差较小，与下层温度相差较大.下层温度比中层温度平均低6.8 ℃，比上层温度平均低9.7 ℃.

从图3可以明显看出，随着累计太阳辐射量的增加，导流管式承压的温度上升速率明显高于传统式.将两种不同热水系统的各层温度分别相比，导流管式承压的上层温度与传统式的上层温度相比相差12.8 ℃，中层温度相差13.7 ℃，上层温度相差15.9 ℃.总体来看，导流管式承压的三层温度明显高于传统式的三层温度.体现了导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统的太阳能热转换率更高.

3.3 两种热水系统的热损

选取导流管式热水系统和传统式热水系统2018年5月17日到5月18日的夜间热损试验数据，其测试数据如表3所示.

在天气情况完全相同的条件下(以平均环境温度19.7 ℃计算)，降温时间一致，实验结果得出导流管式热水系统温度降低2.2 ℃，传统式热水系统温度降低2.7 ℃.导流管式热水系统热损因数为7.4 W·m-3·K-1，传统式热水系统热损因数为12.0 W·m-3·K-1，导流管式热水系统的热损因数比传统式热水系统的热损因数低.主要原因是导流管式热水系统真空管内无水，真空管与水箱不通，散热面积小.而传统式热水系统真空管内有水，真空管与水箱相连，散热面积大.

3.4 两种热水系统的能效系数

选取导流管式热水系统和传统式热水系统2018年5月17日到5月18日的试验数据,其测试数据如表4所示.

表4 能效系数试验数据

从表4可以看出，在相同的环境温度下，导流管式热水系统和传统式热水系统的能效系数相差很大，主要与系统的平均热损因数和17 MJ下得热量有关.参照国标中紧凑式热水系统的能效等级，由实验数据计算得出，导热管式热水系统的能效系数为0.77.导流管式热水系统的CTP(能效等级)≥0.50，属于一级；传统式热水系统的能效系数为0.35.传统式热水系统的CTP(能效等级)在0.32≤CTP<0.50，属于二级.

4 结 论

通过对导流管式热水系统的热性能测试，并与传统式热水系统进行对比.得出以下结论：

(1)在晴天的天气下，导流管式热水系统分层比传统式热水系统明显，两个系统的上层温度与中层温度都相差不大，与下层温度相差较大.导流管式热水系统与传统式热水系统的得热量相差大，且平均日效率提高了7.5%，导流管式的平均温度上升的速率明显高于传统式的平均温度.相比较于导流管式的平均温度的增长趋势，传统式的平均温度的增长趋势较平缓.在初始温度相差不大的情况下，试验结束时，导流管式热水系统的各层温度均比传统式的高，而他们初始温度相同,表明导流管式热水系统的太阳能转换率更高.

(2)导流管式热水系统比传统式热水系统热损因数小，这是由于和传统式紧凑系统相比，真空管内无热水，因此系统的散热主要集中在贮热水箱，集热器基本无散热.

(3)根据国标所测试的导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统，当太阳辐照量为17 MJ/m2,其得热量为9.14 MJ/m2,平均热效率为53.8%，热水系统的平均热损因数为7.4 W·m-3·K-1，满足国家标准的要求.导流管式承压全玻璃真空管太阳能热水系统水箱的温度分层明显，热效率高，承压效果好，可运用于北方寒冷地区.