双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的热性能研究

闫崇强，颜士峰，肖胜鑫，张 波，沈其民，卢丽丽，孙奕颖

(1.山东鲁源节能认证技术工程有限公司，济南 250100；2.山东省产品质量检验研究院，济南 250102)

0 引言

在与建筑一体化相结合的太阳能产品中，平板型分体式太阳能热水系统是兼顾安全和优良性能的产品[1]。虽然与真空管型太阳能热水系统相比，平板型分体式太阳能热水系统在能效方面还存在较大差距，但真空管型太阳能热水系统与高层建筑结合时存在炸管、非承压等缺点。平板型太阳能集热器是平板型分体式太阳能热水系统的核心集热部件，其性能会直接影响整个太阳能热水系统的能效。提高平板型太阳能集热器的热性能不仅有利于充分利用太阳能，还能够增加集热器的可靠性[2-3]。保温性和吸热体的吸收率是影响平板型太阳能集热器热性能的2个主要因素，现有的吸热体涂层材料的吸收率基本上已达到0.92以上的水平，提升空间有限[4-5]。因此，提升平板型太阳能集热器的保温性是提升其热性能的关键因素。

为探索玻璃盖板对平板型太阳能集热器热性能的影响，本文针对分别采用单层玻璃盖板和双层玻璃盖板的平板型太阳能集热器的热性能进行了对比实验，以期为平板型太阳能集热器的推广应用提供参考。

1 实验平台的搭建

根据实验需要，设计制作了分别采用单层玻璃盖板和双层玻璃盖板的平板型太阳能集热器各1台，这2台平板型太阳能集热器的参数如表1所示。

表1 2台平板型太阳能集热器的参数Table 1 Parameters of two flat plate solar collectors

为测试2台平板型太阳能集热器的热性能，搭建了实验平台，如图1所示。平板型太阳能集热器的工质进、出口温度由Pt1000温度传感器测量，测量精度为±0.1 ℃，分辨率为0.1 ℃；太阳辐射强度采用1级太阳辐照表测量；工质质量流量采用流量计测量；实验数据采用Agilent 34970A数据采集仪采集，记录步长为20 s。

本实验中，以水作为工质，实验平台采用主动跟踪太阳的方式运行，循环系统通过控制器调节电加热和冷却机组，将工质进口温度控制在设定温度±0.1℃。当太阳光照射平板型太阳能集热器后，集热器的吸热体将吸收的太阳能转化成热能，并通过吸热体与水之间的对流换热将热能传递给水，由此将太阳辐射能转化成为可储存在工质中的热能。

2 理论分析

根据GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》[6]，平板型太阳能集热器实际获得的有用功率QU可表示为：

式中，m为工质质量流量，kg/s；ΔT为工质进、出口温差，℃；cf为对应于平均工质温度的传热工质比热容，J/(kg·℃)。

当以采光面积Aa作为参考标准时，平板型太阳能集热器表面接收的太阳辐射功率为AaI，其中，I为太阳辐射强度。则平板型太阳能集热器基于采光面积Aa的瞬时效率ηa可表示为[6]：

基于工质进口温度的归一化温差可表示为[6]：

式中，ti为工质进口温度，℃；ta为环境温度，℃。

瞬时效率ηa应利用最小二乘法进行曲线一次拟合得出，其公式为[6]：

式中，η0为瞬时效率截距；U为热损失系数，W/(m2·℃ )。

3 实验结果与分析

本次实验地点位于国家节能产品质量监督检验中心 (117°14′12′′E、36°39′53′′N)。将 2 台平板型太阳能集热器放置在同一个实验平台上进行实时测试，实验参照GB/T 4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》中对太阳能集热器瞬时效率的测试方法，在同一个测试日对2台平板型太阳能集热器分别设定28.7、41.4、54.2和66.9 ℃这4个工质进口温度进行实验。2台平板型太阳能集热器的热性能实验典型数据如表2所示。

从表2可以看出，在28.7 ℃和41.4 ℃这2个工质进口温度下，单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高；而在54.2 ℃和66.9 ℃这2个工质进口温度下，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高。这是因为相较于单层玻璃盖板，双层玻璃盖板在削弱了太阳光线透过率的同时，还减少了集热器的热损失，因而在较低工质进口温度时，单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高；而在工质进口温度较高时，单层玻璃盖板的热损失明显增大，从而出现了双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高的情况[7]。综上所述，在工质进口温度ti≥54.2 ℃时，更适合采用双层玻璃盖板平板型太阳能集热器。

表2 2台平板型太阳能集热器的热性能实验典型数据Table 2 Typical data of thermal performance for two flat plate solar collectors

2台平板型太阳能集热器的采光面积为Aa、工质进口温度为ti时，基于工质进口温度的归一化温差和瞬时效率ηa的线性拟合曲线如图2所示。

单层玻璃盖板平板型太阳集热器和双层玻璃盖板平板型太阳集热器的一次线性拟合公式分别为结合图2及2台太阳能集热器的线性拟合公式可知，单层玻璃盖板平板型太阳集热器的瞬时效率截距大于双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率截距，而且单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的线性拟合曲线斜率比双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的大，因此，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的热损系数小于单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的热损系数。当时，2台平板型太阳能集热器的瞬时效率相等；当0.0212时，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率大于单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率；当时，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率小于单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率。

4 结论

本文针对单层、双层玻璃盖板平板型太阳能集热器进行了热性能实验对比，对2台平板型太阳能集热器在不同工质进口温度下的瞬时效率进行了对比分析研究，并根据2台平板型太阳能集热器的一次线性拟合曲线及公式对其各自的热性能优劣进行了比较，得到以下结论：

1) 在28.7 ℃和41.4 ℃这2个工质进口温度下，单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高；而在54.2 ℃、66.9 ℃这2个工质进口温度下，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率比单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的高。

2) 单层玻璃盖板平板型太阳集热器的瞬时效率截距大于双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的瞬时效率截距，双层玻璃盖板平板型太阳能集热器的热损系数小于单层玻璃盖板平板型太阳能集热器的热损系数。