夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统热性能实验研究

牛艳， 高文峰, 刘滔， 林文贤， 陈雪娇， 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)

1 引 言

太阳能热水器已广为应用，常见的类型主要有真空管太阳热水器、闷晒型太阳热水器和平板型太阳热水器；其中，真空管型太阳热水器具有良好的防冻抗冻性能和低热损系数等优点，在太阳能热利用领域得到广泛关注和应用[1].

1999年，Shahab Alizadeh[2]研究了卧式储热水箱的热性能，得出使用发散锥管作为入口喷嘴可以得到更好的热分层的结论.2005年，Furbo[3]对各种换热器进行对比实验，实验表明立式的夹套水箱的换热效果比较明显.2017年，路灵等人[4]提出了一种太阳能热水器用导流管设计方式，这种方式结构合理、简单高效，可解决现有太阳能热水器真空管导热不畅、易炸管等不足.上述研究表明，对太阳能热水系统换热环节进行调整，对其各方面性能都有极大影响.

夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统，有着水质干净、承压、换热面积大以及抗冻的优点[5].参照相关国家标准，本文在晴天天气下对一款夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统进行热性能实验，并与普通真空管太阳能热水系统进行对比，分析其热性能和运行特性.

图1 夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统结构原理图

2 系统设计

2.1 系统结构

实验对象为一款夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统，主要由集热器、水箱和支架[10]组成，其结构如图1所示：1为水箱外壳；2为全玻璃真空管，主要作用是吸收太阳能并将其转化为热能；3为保温层；4为夹套换热水箱内的换热夹套;5为换热夹套内的工作介质,可在其中加入防冻液，提高系统防冻性能；6为压力平衡罐；7为水箱内胆；8为生活用水；9为支架；10为排污口.

全玻璃真空管穿过水箱外壳伸入换热夹套中,首先由全玻璃真空管吸收太阳能转化为热能，加热真空管内的介质，再由真空管内的介质将热量传递给换热夹套中的工作介质，最后由换热夹套中的工作介质通过水箱内壁加热水箱中的水.

2.2 实验测试

实验在云南省昆明市国家太阳能热水器质量监督检验中心进行.为使对比更客观、准确，选择两个具有相近的采光面积和水箱水量的热水系统作为对比组进行试验(如表1).

在普通热水系统水箱和夹套热水系统水箱的上部、中部、下部和环境中各安置一个温度传感器测量温度，因为水箱水温存在分层现象，在水箱上中下安置三个温度传感器能更准确地测得水箱内的水温.将风速测量仪器安装在距离地面1.5 m的位置，对周围的风速进行监测，在两个热水系统集热器的表面分别安装总辐射表，总辐射表应与集热器采光面保持平行且不遮挡采光，将所有温度传感器和辐射表与记录仪连接起来.

日有用得热量q和平均热损因数USL的测试和计算参考GB/T 19141-2011《家用太阳能热水系统技术条件》[6]和GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》[7]进行.

表1 两个热水系统参数对比表

3 实验结果及分析

3.1 实验数据分析

对夹套热水系统和普通热水系统进行多次实验测试，选取其中一组数据进行分析，选取数据的测试时间为2018年1月5日-1月6日.选取的白天测试时间为9∶00-17∶00，夜间测试时间为20∶00-04∶00.

计算夹套热水系统和普通热水系统日有用得热量和平均热损因数，处理结果见表2.

表2 两个热水系统数据处理结果表

由表可见，夹套热水系统和普通热水系统的日有用得热量分别为10.187 MJ/m2和10.576 MJ/m2，都达到紧凑式家用太阳能热水系统的日有用得热量≥7.7 MJ/m2的要求.因为夹套热水系统有一层夹套，系统在加热工质的同时损失了一部分能量，所以夹套热水系统的日有用得热量比普通热水系统的日有用得热量略低，但差别不大.

计算得夹套热水系统和普通热水系统平均热损因数分别为11.678 W/(m3·K)和9.093 W/(m3·K)，都符合紧凑式家用太阳能热水系统的平均热损因数≤16 W/(m3·K)的要求，夹套的平均热损因数比普通的大，即普通热水系统的保温性能优于夹套热水系统.

3.2 运行特性分析

3.2.1 整体分析

图2为2018年1月5日-6日实验所测得的两种太阳能热水系统水箱内平均温度随时间变化曲线图.从图中可以看出在相同的太阳辐照下，两者的升温速率并不一样.在18∶30左右夹套热水系统平均温度与普通热水系统平均温度有一个交点，而普通热水系统平均温度的起始温度比夹套热水系统高，由此可得，在9∶00-18∶30的升温阶段中普通热水系统升温相对较慢.

图2两种太阳能热水系统水箱内平均温度随时间变化曲线图

Fig.2 Curve chart of average temperature versus time in two hot water systems

由图2可得，普通热水系统水箱内水温在18∶00达到最高值并开始降温，而夹套热水系统水温在19∶00达到最高温度并开始降温，夹套热水系统最高温度比普通热水系统高.虽然起始阶段普通热水系统水温比夹套热水系统高，但是夜间降温期间，夹套热水系统的温度高于普通热水系统.从图中可以明显地看出夜间降温期间夹套式热水器的水温变化曲线倾斜较大，这也验证了表2中夹套热水系统平均热损因数略大的结论.

3.2.2 白天运行特性分析

图3为白天两种热水系统贮热水箱内各点水温、环境温度和太阳辐射值随时间变化曲线图.从实验开始太阳瞬时辐照值持续增长，在13：00达到最大值并开始下降，直到试验结束，太阳辐射强度变化为450-1 196 W/m2，累计辐照量为25.89 MJ(大于17 MJ)，符合实验规定.实验期间，环境温度持续缓慢上升，温度范围为9.4-19.6 ℃，平均值为15.29 ℃.

从图3中可以看出，在9∶00-17∶00夹套热水系统的水箱温度始终低于普通热水系统，因为真空管需先将夹套内的工质加热后，才能通过水箱内壁将热量传给内水箱.

水箱内的水存在分层现象，原因是热水的密度比冷水的密度小，所以开始时同一水箱内水箱上层的水温度最高，下层的水温度最低.同一水箱中下层与中层分层更为明显些，因为水箱下层温度在实验开始时上升缓慢.夹套热水系统水箱下层与中层分层比普通热水系统更为明显，这也是因为夹套热水系统的真空管需先加热夹套内的工质.

图3白天水箱温度、环境温度和太阳辐射值变化曲线图

Fig.3 Variation chart of tank temperature,ambient temperature and solar radiation during daytime

3.2.3 夜间运行特性分析

为了更直观地观察两个系统夜间的运行特性变化，选取变化趋势更为明显的17∶00-03∶00的数据绘图分析(如图4).

图4夜间的热水器水温和环境温度变化曲线图

Fig.4 Curves chart of tank temperature and ambient temperature for night

夜间降温时期两个热水系统水箱下层温度分层较白天更加明显，普通水箱的下层从18∶00左右开始发生更明显的分层现象，夹套换热水箱从21∶00开始发生更明显的分层现象，且夹套换热水箱依然比普通水箱更明显.类似于白天升温过程中下层温度升温缓慢的现象，在降温过程中下层水温较中上层降得更快从而造成分层明显的现象.

4 结 论

通过对两种太阳能热水系统的日有用得热量、平均热损因数和运行特性曲线进行对比，可以得出以下结论：

(1)夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统日有用得热量比普通全玻璃真空管太阳能热水系统的日有用得热量小，但差距不是很大.夹套换热水箱热水系统和普通热水系统相比，平均热损因数略大，即普通全玻璃真空管太阳能热水系统的保温性能略优于夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统.

(2)两种热水系统水箱内水温分层都比较明显，夹套热水系统比普通热水系统水箱分层更为明显.

虽然夹套热水系统比普通热水系统的日有用得热量略小，热损略大，但是夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统有承压、抗冻能力强，并且生活用水干净等优点，夹套换热水箱全玻璃真空管太阳能热水系统仍有其实用意义.从本文的实验结果分析，为使这类热水系统具有更好的性能，还需进一步优化夹套水箱结构.