全玻璃真空管型太阳热水器夜间热损试验分析

李金平,邓聪聪,叶何立,黄娟娟,王春龙

(1.兰州理工大学西部能源与环境研究中心,甘肃 兰州 730050; 2.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点试验室,甘肃 兰州 730050; 3.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,甘肃 兰州 730050; 4.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃 兰州 730050)

全玻璃真空管型太阳热水器是一种结构紧凑、性能优良的太阳热水器,具有良好的经济性和节能环保性[1-3],是目前应用最广的太阳能集热装置[4-6]。国内外很多学者对其集放热性能和热损失进行了研究。在集放热性能方面,Johane等[7]利用实验和三维数值模拟进行研究,发现太阳能集热管倾角对热水器内流动模式、能量转换效率和水箱内分层有显著的影响。闫素英等[8-9]通过实验和模拟相结合的方法研究了辐照强度和安装倾角等对全玻璃真空管型太阳热水器的影响。张涛等[10-11]研究了安装角度、管径管长、集热水箱直径、导流板和反光板加装等对太阳热水器对流换热过程的影响。Zambolin等[12]研究了太阳辐射量、环境温度、风速、流体温度、流量对太阳热水器热性能的影响情况。高岩等[13]利用模拟仿真的方法初步给出了太阳集热器容水量对热系统性能的影响。Mahbubul等[14]研究使用纳米流体作为传热流体来提高太阳热水器的效率。在热损失方面,孟秀清等[15]推导了全玻璃真空太阳集热管的3种传热形式,并且计算了全玻璃真空集热管的热损。李同等[16]数值模拟了10:00—14:00时段真空管型太阳热水器内的流动与换热,研究了气候和技术参数对真空管型太阳热水器性能的影响,发现集热管管长的增加会导致热水器效率的下降,还发现辐射散热损失是全玻璃真空管型太阳热水器的主要热损失方式。刘慧芳等[17]通过试验测量了装满乙二醇防冻液的全玻璃真空管太阳能集热器夜间静止时的温度,用一个集热器进出口温度的算数平均值近似代替集热器液体温度计算了夜间散热量及热损失系数,分析了真空管集热器夜间热损失特性及其变化规律。

综上所述,目前关于全玻璃真空管型太阳热水器的研究已有很多,而关于夜间热损的试验研究还很少,多因素对热损的影响规律还未有文章报道。而夜间热损的大小会影响集热蓄热一体的太阳热水器连续稳定地为用户供能,为此试验研究了夜间竖管被动式全玻璃真空管型太阳热水器各部件的热损以及蓄热水箱初始水温、真空管初始水温、环境温度、环境风速对热水器夜间热损的影响,拟合出多元线性回归方程,对预测太阳热水器夜间热损有一定的指导意义。

1 试验装置

以甘肃省兰州市的一套30支管的竖管式全玻璃真空管型太阳热水器作为试验对象。热水器朝正南放置,集热面与地面夹角45°。试验台组件安装符合GB/T 18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方法》[18]的要求,组件参数详见表1。

表1 试验台组件及技术参数

2 试验测试及结果计算

2.1 试验测试过程

试验测试时间为2018年3月29日—2018年4月7日,共10 d。在整个测试期,热水器内水不循环。热水器内的温度传感器布置方式如图1所示,蓄热水箱轴线的中心、中心以上120 mm和中心以下120 mm各安放1支Pt100用来测量水箱中层、上层和下层的水温,在真空管(左15)距管口300 mm、900 mm、1 500 mm处[19]的中心位置各固定1支Pt100用来测量真空管上层、中层和下层的水温。

图1 热水器内温度传感器的布置图(单位:mm)Fig.1 Layout of temperature sensor in water heaters (unit:mm)

试验开始前将太阳热水器清洗干净,然后充满水。在试验过程中,对太阳辐射、环境温度、环境风速以及蓄热水箱和真空管内不同位置的温度等进行测量,试验数据由Agilent 34970A数据采集仪24 h自动采集和记录,间隔为10 s。夜间热损的计算时间为晚上20:00到次日早上07:00。

2.2 试验结果计算

全玻璃真空管型太阳热水器的夜间热损包含以下2个部分:

Qloss=Qtank+Qtube,

(1)

其中:Qloss为热水器的夜间热损(J);Qtank为蓄热水箱的夜间热损(J);Qtube为真空管的夜间热损(J)。

为了计算蓄热水箱与真空管的夜间热损,考虑到夜间蓄热水箱与真空管内水的温度分层明显,温度自下而上依次升高,自然对流减弱,因此假设它们中的水是静止的,则蓄热水箱的夜间热损为

(2)

其中:i=1,2,3分别表示蓄热水箱的上层、中层和下层;c1i为蓄热水箱某层水的比热容[J/(kg·℃)];m1i为蓄热水箱某层水的质量(kg);tb1i为夜间蓄热水箱某层水的初始温度(℃);te1i为夜间蓄热水箱某层水的最终温度(℃)。

同理,真空管的夜间热损为

(3)

其中:j=1,2,3分别表示真空管的上层、中层和下层;n为真空管的数量,选取n=30;c2j为真空管某层水的比热容[J/(kg·℃)];m2j为真空管某层水的质量(kg);tb2j为夜间真空管某层水的初始温度(℃);te2j为夜间真空管某层水的最终温度(℃)。

此外,在分析过程中当用一个温度表示热水器蓄热水箱和真空管内的温度时,蓄热水箱内的温度由测得的水箱上、中、下层的温度根据体积加权得到,真空管内的温度由测得的真空管上、中、下层的温度根据体积加权得到。

3 结果与分析

3.1 夜间蓄热水箱和真空管内的温度变化

为了解全玻璃真空管型太阳热水器内的温度变化趋势,选取试验期前3 d进行研究,热水器内温度、环境温度和太阳辐射的变化情况如图2所示。

图2 太阳热水器内的温度变化Fig.2 Temperature changes in solar water heaters

由图2可知,尽管每天热水器蓄热水箱和真空管内的初始温度不同,但夜间其下降趋势基本一致。因此选取2018年4月5日作为典型日进行分析,该天夜间热水器内温度变化如图3所示。

由图3可知，夜间蓄热水箱内的温度总是高于真空管内的温度，蓄热水箱和真空管内部均产生了温度分层现象。其中水箱上层与中层的温度相近，而下层温度明显偏低。这是由于随着热水器与外界环境换热过程的进行,水箱内的温度发生了变化,产生了密度差,在浮升力的作用下热水上升冷水下降,水箱内部形成了温度分层。与此同时,水箱下层始终向真空管传递热量,导致水箱下层温度明显低于水箱中上层,而真空管中上层温度高于真空管下层。

热水器蓄热水箱和真空管连续10个夜间的温降如图4所示。平均环境温度、平均环境风速为夜间(20:00—07:00)环境温度、环境风速的算术平均值,初始水温为20:00时蓄热水箱和真空管内水的温度,温降为初始温度和最终温度的差值。

图3 夜间热水器内的温度变化Fig.3 Temperature changes in water heaters at night

图4 夜间热水器的温降Fig.4 Temperature cooling in water heaters at night

从图4中可以得到,蓄热水箱温降为6～10 ℃,真空管温降为20～33 ℃。蓄热水箱的温降速率为0.5～0.9 ℃/h,真空管的温降速率为1.9～3.0 ℃/h,同一个夜间真空管的温降速率是水箱温降速率的3倍多。

3.2 夜间蓄热水箱和真空管温降影响因素分析

为了有效预测多个因素对夜间温降的影响,采用多元线性变量回归方程对数据进行处理,分析蓄热水箱初始水温tb1、平均环境温度tas(av)和平均环境风速uav对蓄热水箱夜间温降Δtb1的影响以及真空管初始水温tb2、平均环境温度tas(av)和平均环境风速uav对真空管夜间温降Δtb2的影响,得到的关系式为

Δtb1=-2.20+0.13tb1-0.06tas(av)+0.01uav,

(4)

该回归方程的拟合优度R2为0.969,标准误差为0.26 ℃,弃真概率为6.35×10-5。

Δtb2=-8.34+0.50tb2-0.24tas(av)+0.03uav,

(5)

该回归方程的拟合优度R2为0.998,标准误差为0.21 ℃,弃真概率为5.32×10-9。

由式(4)和式(5)可知,在其他条件不变的情况下,单一因素变化对热水器蓄热水箱和真空管夜间温降的影响如下:蓄热水箱初始水温每增加1 ℃,其夜间温降增加0.13 ℃;真空管初始水温每增加1 ℃,其夜间温降增加0.50 ℃;平均环境温度每增加1 ℃,蓄热水箱夜间温降减少0.06 ℃,真空管夜间温降减少0.24 ℃;平均环境风速每增加1 m/s,蓄热水箱夜间温降增加0.01 ℃,真空管夜间温降增加0.03 ℃。

为验证式(4)和式(5)的准确性,将试验期之后4 d的试验数据代入公式得到预测值,与实测值进行比较,结果见表2。

表2 实测值与预测值的对比结果

3.3 夜间热水器热损影响因素分析

根据试验数据,利用公式(1)～(3)计算蓄热水箱、真空管以及热水器的夜间热损,结果如图5所示。太阳热水器蓄热水箱容量250 L,真空管容量90 L,热水器总容量为340 L,水箱容量占热水器总容量的73.5%,真空管占26.5%。蓄热水箱夜间热损占热水器热损的44.1%～47.9%,真空管夜间热损占52.1%～55.9%。

试验期10个夜间蓄热水箱初始水温tb1、真空管初始水温tb2、平均环境温度tas(av)、平均环境风速uav以及热水器的夜间热损Qloss如表3所列。从表3中可以看出,当蓄热水箱和真空管的初始水温较高时,热水器夜间热损较大,当环境温度较低、环境风速较大时,热水器夜间热损也较大。

图5 热水器的夜间热损Fig.5 Heat loss in water heaters at night

表3 热水器的夜间热损

采用多元线性回归分析蓄热水箱初始水温、真空管初始水温、平均环境温度和平均环境风速对热水器夜间热损的影响,得到的关系式为

Qloss=-4.93+0.10tb1+0.21tb2-

0.16tas(av)+0.12uav,

(6)

该回归方程的拟合优度R2为0.994,标准误差为0.29 MJ,弃真概率为9.23×10-6。

由式(6)可知,在其他条件不变的情况下,单一因素变化对热水器夜间热损的影响如下:蓄热水箱初始水温每增加1 ℃,热水器夜间热损增加0.10 MJ;真空管初始水温每增加1 ℃,热水器夜间热损增加0.21 MJ;平均环境温度每增加1 ℃,热水器夜间热损减少0.16 MJ;平均环境风速每增加1 m/s,热水器夜间热损增加0.12 MJ。

为了验证式(6)的准确性,将试验期之后4 d的试验数据代入式(6)得到预测值,与实际计算值进行比较,结果见表4。

表4 计算值与预测值的对比结果

从表4中可看出,预测值与计算值的偏差都在3.0%以下,平均偏差也不足2.0%,这说明式(6)能够有效预测每日太阳热水器的夜间热损。

4 结论

试验研究了全玻璃真空管型太阳热水器蓄热水箱和真空管内的温度变化及热损情况,采用多元线性回归分析了多因素对温降和热损的影响,得出以下主要结论:

(1) 蓄热水箱夜间热损约占热水器热损的45%,真空管夜间热损约占55%。真空管的温降速率是水箱温降速率的3倍多。蓄热水箱和真空管内存在明显的温度分层。

(2) 根据多元线性回归分析可以得到,在其他条件不变的情况下,单一因素变化对夜间热水器蓄热水箱和真空管温降的影响如下:蓄热水箱初始水温每增加1 ℃,其夜间温降增加0.13 ℃;真空管初始水温每增加1 ℃,其夜间温降增加0.50 ℃;平均环境温度每增加1 ℃,蓄热水箱夜间温降减少0.06 ℃,真空管夜间温降减少0.24 ℃;平均环境风速每增加1 m/s,蓄热水箱夜间温降增加0.01 ℃,真空管夜间温降增加0.03 ℃。

(3) 根据多元线性回归分析可以得到,在其他条件不变的情况下,单一因素变化对热水器夜间热损的影响如下:蓄热水箱初始水温每增加1 ℃,热水器夜间热损增加0.10 MJ;真空管初始水温每增加1 ℃,热水器夜间热损增加0.21 MJ;平均环境温度每增加1 ℃,热水器夜间热损减少0.16 MJ;平均环境风速每增加1 m/s,热水器夜间热损增加0.12 MJ。