陶瓷板太阳能集热器冬季养殖水体升温试验研究

陈 晨，张寒冰，张 倩，李秀辰，马远洋，郑兴康，母 刚

(大连海洋大学机械与动力工程学院，辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁 大连 116023)

近年来，工厂化循环水养殖成为水产养殖业的重要组成部分，养殖产量逐年增加[1]，2018年，中国工厂化循环水养殖产量高达4.69×105t，养殖水体达8.18×107m3 [2]。中国北方地区因受季节的影响，水产养殖企业每年需在11月中旬到次年5月中旬期间对养殖水体进行升温，升温幅度最高可达17 ℃～23 ℃[3-5]。目前常用的燃煤(气)锅炉升温、电加热升温方式升温成本较高，约占总生产成本的1/3以上，且存在环境污染、能源浪费等问题[6-8]。随着热泵技术的不断发展，国内外已有利用热泵对养殖水体控温的研究和应用实例[9-12]，但由于养殖用水量大，成本高、电耗大等仍是热泵升温工程中亟待解决的难题[13-14]。

太阳能水体升温技术也是近年来国内外研究的热点，将其应用于水产养殖不仅可以满足生产需求而且具有节能减排的优点[15-17]。真空管式和金属平板式集热器是目前在水体升温方面应用较为广泛的太阳能集热器，其中真空管式集热器保温性能好、换热效率高，但耐压、耐冻性能差，不适于北方地区使用；金属平板式集热器虽安装简单但造价成本高、换热效率低[18-19]。另有研究表明，陶瓷板太阳能集热器作为一种全新材质的太阳能集热器，因制造成本低、耐腐蚀、耐冻能力强且易于安装等优点，在养殖水体升温方面具有广泛的应用前景[20-22]。

以中国北方冬季养殖水体升温技术要求为主要研究依据，在前期进行陶瓷板太阳能集热器的保温隔热设计，并开展非寒冷期养殖水体升温初步试验的基础上，探究冬季不同工况条件下保温结构及其他因素对陶瓷板太阳能集热器的水体升温效果的影响，为陶瓷板太阳能集热器在工厂化循环水养殖水体升温工程方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

本试验所用海水主要采集于大连市黑石礁附近海域，过滤后储于蓄水池中备用，试验用设备和系统参考文献[23-24]。本试验所采用的陶瓷板太阳能集热器水体升温系统工作原理如图1所示[23-24]。该系统主要由有保温结构的陶瓷板太阳能集热器、无保温结构的陶瓷板太阳能集热器、水泵、保温水箱、保温管道、流量控制阀、流量计和温度传感器等组成，其中保温结构具体设计参考文献[23]。两个陶瓷板太阳能集热器(1是有保温结构，9是无保温结构)规格相同，在系统中通过保温管道并联安装，由试验地纬度确定两个太阳能集热器与水平屋面的安装夹角均为45°，两个集热器中间安装的太阳能辐射照度计与水平屋面也呈45°放置，并将温度传感器和流量计安装在集热器和保温水箱的进、出口，以上监测设备均与计算机相连。试验时，该系统利用水泵将保温水箱中的海水以相同的流量分别泵入两个集热器中，海水走向自下而上，集热升温后海水返回保温水箱中，继续进行循环升温，同时所监测数据通过计算机记录、输出。

图1 陶瓷板太阳能集热器水体升温系统原理图Fig.1 Diagram of water heating system with ceramic plate solar collector

其他仪器设备：电子智能温控仪(XMT-JK8，余姚市依泰仪表厂)；转子流量计(LZB-10F，常州双波仪表有限公司)；太阳能辐射仪(TES-1333，台湾泰仕公司)；温度传感器Pt100(TR02005， DOCOROM)；风速计(DT-619，华盛昌公司)。

1.2 方法

1.2.1 试验方案

不同辐射照度下的水体升温试验 选择晴天和阴天条件(晴天、阴天各5 d)试验，晴天条件下的辐射照度为300～1 200 W/m2，阴天条件下的辐射照度为200～500 W/m2，并固定流量为60 L/h，开展辐射照度对有、无保温结构陶瓷板太阳能集热器升温效果影响的对比试验，分别测定两种结构集热器的进、出水温度，监测太阳辐射照度，并对其得热量和升温幅度等进行计算。

不同流量下的水体升温试验 参照实验室循环水养殖系统标准，在晴天条件下，将水体流量设定为60 L/h、100 L/h及120 L/h，开展水体流量对有、无保温结构太阳能集热器水体升温效果影响的对比试验，相关指标的测定与计算方法如上所述。

不同室外温度下的水体升温试验 晴天条件下，分别选择温度零下(温度为-10 ℃～-5 ℃)、温度零上(温度为7 ℃～12 ℃)，其中温度零上和温度零下各5 d，流量为60 L/h，开展室外温度对有、无保温结构太阳能集热器水体升温效果影响的对比试验，相关指标的测定与计算方法如上所述。

不同风速下的水体升温试验 在流量、温度、太阳辐射照度等其他影响因素相同时，分别选择微风、风速3～4级(其中微风、风速3～4级各5 d)，开展风速对有、无保温结构太阳能集热器水体升温效果影响的对比试验，相关指标的测定与计算方法如上所述。

试验于冬季(2018年12月1日—2019年 1月30日)期间开展，试验期间大连平均气温为2 ℃左右，水体初始温度为(5.5±1) ℃。试验时每天在8:00—16:00期间进行相关数据采集，各监测点的温度由计算机每5 min自动检测、记录和输出；辐射照度由太阳能辐射仪每1 h采集一次；风速由风速计每1 h采集一次。

1.2.2 分析计算方法

试验期间，太阳能集热器的累积得热量由公式(1)[25]计算得到。

q=C×m×Δt

(1)

式中：q—累积得热量，MJ/m2；C—水的比热容，kJ/(kg· ℃)；m—日升温水体质量，kg；△t—集热8 h水体温度差， ℃。

太阳能集热器的日有用得热量由公式(2)[25]计算得到：

(2)

式中：q17—累积太阳辐照量17 MJ/m2对应的日有用得热量，MJ/m2；C—水的比热容， J/(kg· ℃)；m—日升温水体质量，kg；△t—集热8 h水体温度差， ℃；H—测试8 h的累积辐射量，MJ/m2。

2 试验结果

2.1 水体升温效果试验

不同辐射照度(其中主要为晴天和阴天条件)、水体流量为60 L/h时，两种结构陶瓷板太阳能集热器的水体升温效果如图2a所示。晴天时，辐射照度增加，陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度随之升高。无保温结构集热器的水体升温幅度在8：30—11：00期间由0 ℃提升至5.6 ℃，有保温结构集热器的升温幅度由1.5 ℃提升至7.4 ℃，有、无保温结构集热器的水体平均升温幅度分别为5.4 ℃和3.6 ℃，15：00后，辐射照度降低，有、无保温结构集热器水体升温幅度在16：00时分别降至0.4 ℃和-0.3 ℃，两者全天水体平均升温幅度分别为2.3 ℃和0.7 ℃。图2a所示，阴天时，有、无保温结构集热器的水体升温幅度均显著低于晴天时，8：30—16：00，有保温结构集热器的平均升温幅度比无保温结构集热器的水体平均升温幅度高1.9 ℃。

不同水体流量(60、100、120 L/h)、晴天条件下，两种结构太阳能集热器的水体升温效果如图2b所示。两种集热器的水体升温幅度随水体流量的增加均出现不同程度的降低，当水体流量由60 L/h分别增加至100 L/h、120 L/h时，11:30时，有保温结构集热器的水体升温幅度由6.8 ℃分别降至3.7 ℃、2.5 ℃，无保温结构集热器由4.8 ℃分别降至2.8 ℃、2 ℃；14:00—16:00时，水体升温幅度整体降低，有、无保温结构集热器水体平均升温幅度分别降低0.1 ℃、0.4 ℃以及0.5 ℃、1.1 ℃。此外，在对应流量条件下，有保温结构集热器的水体平均升温幅度分别比无保温结构集热器高出37.5%、40.7%和41.2%。

不同室外温度、水体流量为60 L/h时，两种结构太阳能集热器的水体升温效果如图2c所示。当辐射照度较高时，温度升高，陶瓷板太阳能集热器的升温幅度明显升高，其中9:30—14:30，温度零上时，有、无保温结构集热器的水体升温幅度比温度零下时平均高1.6 ℃和0.8 ℃；但当辐射照度较低时，8:30—9:30和14:30之后，温度对于陶瓷板太阳能集热器的升温效果影响较小，甚至出现温度零下时的集热器升温幅度略高的现象。

不同风速，水体流量为60 L/h时，两种结构太阳能集热器的水体升温效果如图2d所示。10:00—14:30，微风条件下集热器水体升温幅度高于风力3～4级条件时，风速升高，有保温结构集热器的平均升温幅度降低27.5%，无保温结构的平均升温幅度降低22.0%；而在8:30—10:00和14:30—16:00期间，风力3～4级条件下的太阳能集热器的水体升温幅度略高于微风条件时，有、无保温结构的集热器平均分别高出0.9 ℃和0.6 ℃。

2.2 太阳能集热器得热量

不同辐射照度、流量为60 L/h时，两种结构太阳能集热器的累积得热量如图3a所示。晴天时，8：30—14：00有保温结构集热器累积得热量以2.65 MJ/(m2h)的增速提升至 15.9 MJ/m2，之后以1.1 MJ/(m2h)的速度在16：00时增至18.6 MJ/m2；相同时间内，无保温结构集热器的累积得热量递增趋势明显低于前者，其平均增速约为1.42 MJ/(m2h)，到16：00时增至11.6 MJ/m2。从图3a可见，阴天时，有保温结构集热器的累积得热量递增趋势缓慢，并且在15：00时开始递减，其平均增速约为0.43 MJ/(m2h)，16：00时，累积得热量仅为3.6 MJ/m2，较晴天条件下低80.6%。此时，试验期间无保温结构集热器的累积得热量一直为负值，16：00时为-13.7 MJ/m2，比有保温结构集热器低84.0%。由图4a可知，阴天时，有、无保温结构集热器的日有用得热量分别比晴天条件下低3.8 MJ/m2、16.8 MJ/m2，另外，在两种条件下，前者的日有用得热量均明显高于后者。

图2 不同工况条件下两种结构太阳能集热器的水体升温效果Fig.2 Water heating effect of two solar collectors under different working conditions

图3b所示，相同天气(晴天)条件下，当水体流量由60 L/h升至100 L/h、120 L/h时，有保温结构集热器在16：00时的累积得热量分别由18.1 MJ/m2下降至17.1 MJ/m2和13.3 MJ/m2；同等流量条件下，无保温结构集热器的累积得热量分别由11.6 MJ/m2降至10.5 MJ/m2和8.1 MJ/m2；并且，在三种流量状态下，无保温结构集热器的累积得热量比有保温结构集热器分别低36.5%、39.4%和40.9%。由图4b可知：当水体流量由60 L/h升至100 L/h、120 L/h时，有保温结构集热器的日有用得热量由7.1 MJ/m2分别增至7.8 MJ/m2和11.8 MJ/m2，无保温结构集热器的日有用得热量由3.1 MJ/m2分别增至5.1 MJ/m2和8.8 MJ/m2，并且有保温结构集热器的日有用得热量比无保温结构集热器分别高57.7%、34.6%和24.6%。

图3c所示，室外温度零上时的集热器累积得热量一直高于温度零下时的集热器，15：00时，温度零下时，有、无保温结构集热器的累积得热量分别为16.24 MJ/m2和7.72 MJ/m2，温度零上时，两者的累积得热量分别为17.53 MJ/m2和11.65 MJ/m2，此后，有保温结构集热器递增趋势减缓，截止到16:00时累积得热量分别为17.32 MJ/m2、18.11 MJ/m2，而无保温结构集热器出现递减趋势，16：00时分别降为7.54 MJ/m2、11.5 MJ/m2。由图4c可知，当室外温度降低时，有、无保温结构集热器的日有用得热量均呈下降的趋势，下降幅度分别为6.9%和61.3%。

图3d所示，相同天气(晴天)、相同流量(60 L/h)条件下，当室外风速由微风变成风速3～4级时，无保温结构集热器的累积得热量由11.6 MJ/m2下降至9.1 MJ/m2，有保温结构集热器的累积得热量由18.1 MJ/m2下降至16.4 MJ/m2。由图4d可知，当风力由微风增至风速3～4级时，有保温结构集热器的日有用得热量降幅为8.3%，无保温结构集热器的日有用得热量降幅为32.3%。

图4 不同工况条件下两种结构集热器的日有用得热量Fig.4 Daily available heat gain of two collectors under different working conditions

3 讨论

3.1 不同工况条件对陶瓷板太阳能集热器集热效果的影响

在本研究中，不同辐射照度下(晴天、阴天条件下)的试验结果表明，有、无保温结构的陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度均与辐射照度呈正比，且保温结构对集热器的水体升温幅度也有显著影响。晴天时，有保温结构集热器的水体最大升温幅度为7.6 ℃、平均升温幅度为3.8 ℃，分别比无保温结构集热器高出37.5%和28.2%，累积得热量比后者提高36.5%，日有用得热量比后者提高56%；阴天时，有保温结构集热器水体平均升温幅度为0.9 ℃，累积得热量为11.5 MJ/m2，而无保温结构集热器两者均为负值，可见无保温结构集热器一直处于散热状态，这主要是由于集热板与外界及夹层间隙空气产生对流和辐射换热，造成了大量的热能损失[26]。并且晴天时有、无保温结构集热器的水体平均升温幅度分别比阴天时高出3.9 ℃和4.1 ℃，这说明无保温结构集热器在运行中更易受辐射照度的制约影响。

不同水体流量下的试验结果表明，流量增大，陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度降低，累积得热量降低，日有用得热量增加，此外，在相同流量条件下，无保温结构集热器的水体升温幅度和得热量均低于有保温结构集热器。当水体流量由60 L/h分别升至100 L/h、120 L/h时，有保温结构集热器的水体平均升温幅度分别降低43.82%和64.6%，累积得热量降低6.1%和27.1%，无保温结构集热器的水体平均升温幅度分别降低46.7%和66.7%，累积得热量降低10.4%和32.2%。这主要是由于流量增加，水体在集热器中的滞留时间减小，使得水体升温幅度减小。试验中，由于冬季室外温度过低，集热器的散热负荷较大，且增大流量会提高集热器换热系数[27]，集热器向外散失的热量进一步增加，使得集热器的散热负荷大于换热负荷，因此当流量增加，集热器的累积得热量减小；此外，有研究表明集热器的热损变化随着流体流量的增加呈现不断减小的趋势，故日有用得热量增加[28]。另从试验结果可知，由于无保温结构集热器的散热负荷较大，流量因素对于集热器集热效果的影响更为明显。综上，在高流量条件下保温结构对提升太阳能集热器的集热性能更有利。

不同室外温度下的试验结果表明，陶瓷板太阳能集热器的升温幅度与得热量随室外温度的升高而增大。温度零上和温度零下时，有保温结构集热器的升温幅度和累积得热量均高于无保温结构集热器，其中，温度零上时，有保温结构集热器的最大水体升温幅度比无保温结构集热器高3.6 ℃，平均水体升温幅度高出2.8 ℃，累积得热量高出56.0%；温度零下时两者升温幅度最大温差为2.8 ℃，平均温差为2.0 ℃，累积得热量相差36.0%。另当温度降低时，有保温结构集热器的水体平均升温幅度降低0.3 ℃，累积得热量下降4.4%，无保温结构集热器水体平均升温幅度降低1.0 ℃，累积得热量下降34.4%。由于环境温度主要影响集热器的热量损失，环境温度升高，集热器与环境的温差减小，热量损失减小，集热器的有用热能增加[29]。由此可以看出，室外空气温度会影响集热器的集热效果，但保温结构可以增强集热器的集热性能，尤其当室外温度较低时，其影响更为明显，保温结构的优越性也更为突出。

不同风速条件下的试验结果表明，陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度和得热量均与风速呈反比。在微风或风速3～4级时，无保温结构集热器的升温幅度均低于有保温结构集热器，两者最大温差分别为2.8 ℃、2.6 ℃，平均温差分别为2.1 ℃、2.3 ℃。当室外风速由微风增至风力3～4级时，无保温结构集热器的水体平均升温幅度降低了20.4%，而有保温结构集热器降低了11.2%。这主要是因为风速增加，集热器与外界空气的对流换热增加，散热量增加，所以水体升温幅度和得热量降低。另外，当室外风速为微风和风速3～4级时，无保温结构集热器比有保温结构集热器的累积得热量分别低36.5%和44.4%，且风力3～4级时，有保温结构集热器的水体升温幅度较无保温结构集热器相对平稳，可见，有保温结构集热器可以削弱风速条件对集热器升温效果的影响，使得升温效果更为稳定。

3.2 与非寒冷期陶瓷板太阳能集热器水体升温试验的对比分析

马远洋等[23]开展了非寒冷期(试验时间2018年5月1日—5月31日)陶瓷板太阳能集热器水体升温试验，对比其试验结果可知，当流量增加，两个时期太阳能集热器的水体升温幅度和日有用得热量的变化趋势一致，但累积得热量的变化趋势相反。分析原因，主要由于非寒冷期的室外气温远高于冬季室外气温，使得非寒冷期集热器的集热量大于散热负荷，累积得热量增加，冬季集热器的散热负荷大于集热量，从而累积得热量降低。该试验结果进一步验证了室外温度对陶瓷板太阳能集热器集热效果影响的试验结果。此外，当流量从60 L/h增至100 L/h时，非寒冷期有、无保温结构集热器的日有用得热量的增量相差20%，冬季两种结构集热器日有用得热量的增量相差80%。由此可以看出流量对无保温结构集热器升温效果的影响明显，尤其当气温较低时，其影响更为显著。

4 结论

试验发现，以保温结构为基础的陶瓷板太阳能集热器在提升养殖水体温度方面具有极大的可行性，尤其在高流量、低温度、大风速的条件下，保温结构可有效减少环境及其他变量因素对水体升温效果的影响，提高集热器的集热性能。当水体流量为120 L/h时，有保温结构集热器的日有用得热量比无保温结构集热器高25.4%；温度零下时，有保温结构集热器的日有用得热量比无保温结构集热器高82.1%；风速为3～4级时，有保温结构集热器的日有用得热量比无保温结构集热器高68.2%。

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