二次换热式太阳能热水器应用分析

邢蕾 XING Lei；王莹 WANG Ying

（银川能源学院，银川 750021）

0 引言

普通太阳能热水器，是采用虹吸原理的一次换热系统，太阳能加热水箱中的水，达到适宜温度后，用户无需换热即可直接使用。这种使用方式，存在用水反复加热、滋生细菌、不防冻等弊端。 二次换热式太阳能热水器供给用户的水是进行了热量交换的水，其中贮水箱中的水将作为热量载体使用，用水通过换热设备将贮水箱中水的热量进行置换，即形成了二次换热式太阳能热水器。二次换热式太阳能热水器可解决一次用水长期蒸煮、滋生细菌等问题。

1 二次换热式全玻璃真空管热水器

1.1 全玻璃真空管结构

全玻璃真空集热管由里面和外面双层玻璃管组成，外管透明，而内管表面涂有吸收太阳辐射能量的吸收膜，内管和外管之间是真空的，就像家用的保温水瓶，如图1 所示，它的两端，一端开口，一端无开口，集热管的内外管都是环状形密封在一起的，形成真空。没有开口的这一端是以半椭圆球状密封的，用可以自由伸缩的弹簧支撑卡片来作为内外管的支撑，目的是防止管子的热胀冷缩。弹簧卡片上有吸收气体的物料，当有气体出现时，此物料就会将其吸收，进而在管内保持真空。

图1 全玻璃真空集热管

1.2 全玻璃真空管工作原理

集热器把太阳辐射到内玻璃管上的吸热膜上的热量。然后热量又传递给内管中的传热介质。因为两管间是被抽真空的，所以热量损失很小，其加热效率很高。

2 二次换热理论在家用太阳能热水器中的应用

2.1 普通家用式太阳能热水器存在的问题

①不防冻：银川地区冬季室外平均温度在-15℃左右，全玻璃真空集热器易冻裂。②易结垢：集热管内空间狭窄，水流速度较慢，银川地区自来水水质较差，集热器易结垢。

2.2 二次换热式太阳能热水器优化方案

二次换热系统的传热工质与贮水箱的水隔开，传热工质吸收热量后通过热交换器将热量传递给贮水箱中的水[1]。由于二次换热家用式全玻璃真空管太阳能集热器结构紧凑，贮水箱在保证有一定储水量的前提下还必须与热水系统装置结合为一体，综合考量整体结构、换热器热性能和成本以及传热工质高效不结垢的等因素。拟采用在直插式全玻璃真空管热水器外水箱内增设一个偏心不锈钢套筒，作为热交换器使用；采用乙二醇溶液代替水作为传热工质，防止集热管冻裂。

3 储能热水系统

一般的二次换热式热水系统没有储能部分，在阴雨天气热水无法供应，若加设储能部分，在阴雨天将储能材料中的热量置换出来用以加热用水，从而解决阴雨天热水供给问题。

3.1 储能机理

在光照充足的天气情况下，当贮水箱满足水温要求时，可将多余的热量通过二次换热的形式存储于相变材料中，在需要时通过换热器将储能相变材料中的热量以热传导的方式传递到盘管热水中[2]。

一般的太阳能热水系统都是用水来作为储热介质的，设备占地面积较大，耗材高。如果采用特殊的相变材料作为储热介质，会大大减小设备的体积、缩短建设周期、减少投资成本。本文拟通过计算系统的热负荷，采光面积等，进行储能式太阳能热水系统实验，通过测试，对系统的性能和储热效果进行评估和分析。

3.2 系统实验方案

实验是在银川地区进行的，在日照充分的条件下储存能量，在阴天的时候，把相变储能材料中的热量传递给水箱用水。

该实验中贮水箱的装水量为120 升，加设了储能设备，用肉豆蔻酸作为相变储能材料。该实验系统中还有循环水泵，利用温差控制加热部分循环回路。

控制阀门1 常开，控制阀门2 常闭，当T1-T2≥7℃时，启动循环泵，当T2达到55℃时，关闭电磁阀1，启动电磁阀2，当T1-T3≤5℃时，停止循环泵运行。T1、T2、T3连接控制器，系统循环水流量为0.045-0.06L/s。

图2 储能式太阳能热水系统原理图

实验装置中增加了储能箱，利用集热器加热贮水箱中的水，当贮水箱中的水达到一定的温度要求后，用多余的热量加热储能箱中的相变材料。在天气情况不利的时候，通过盘管式换热器利用相变材料存储的热量加热用水实现二次换热。

3.2.1 热水系统负荷计算

银川市处于中温带大陆性气候，纬度是38°47′。平均日辐射量18.923MJ。在本实验中每天的生活用水为160升55℃的热水。实验中的贮水的存水量为120 升，剩余40升热水热量利用储能箱进行热量储存。以10℃为水箱的开始水温，在这整个热水加热过程中，当集热管里面的水温和贮水箱中的水温相差大于7℃以上时，自动开启加热直接系统热水的循环回路，让贮水箱中的水在集热管中循环，让其进行加热，一直把贮水箱中的120 升水从10℃加热到55℃。在自动关闭该回路，然后开启储能部分的加热回路，当出现集热管中热水的温度和储能相变材料的温度之间小于4℃的时候，关掉该回路，重新开启直接系统的集热回路，这样进行往复加热循环。

水箱的开始水温为10℃，而该实验中需要加热的温度为55℃。所以ΔT=30℃。根据式太阳能热水系统热负荷的计算公式：

式中，Q：家用式太阳能热水器系统的热负荷，kJ；

C：水的比热容，4.18kJ/（kg·K）

结合试验参数可计算出热水系统的热负荷，如表1所示。

表1 太阳能热水系统热负荷

3.2.2 采光面积计算

在本次实验中的热水系统分为两部分，其中二次换热系统的热负荷是22572 kJ，直接系统热负荷是7524kJ。

采光面积根据集热器采光面积公式：

式中，A：太阳能集热器集热面积，m2；

Q：热水系统的热负荷，kJ；

JT：集热器上月均太阳辐射量，kJ/m2；

ηcd：集热器全日集热效率，无量纲，国际经验值取0.45~0.60；

ηL：管道及储水箱热损失率，无量纲，国际经验值取0.20~0.25；

取银川当地年平均日辐射量JT为18923kJ/m2；取ηcd=0.50，ηL=0.20。根据上述参数可得出采光面积。见表2 所示。

表2 直接系统集热器采光面积

间接系统和直接系统相比，集热器的效率较低。因为间接系统需要进行中间换热，就会造成能量的损失。所以间接系统的集热器面积需要补偿。取ηcd=0.40；ηL=0.30，依据公式（2）进行计算，得出采光面积如表3 所示。

表3 二次换热系统集热器采光面积

3.2.3 储能相变材料的选用

相变储能材料将暂时不用的能量储存起来，到需要时再将其释放，从而可以缓解能量供与求之间的矛盾，节约能源[3]。此次实验中采用的相变储能材料是肉豆蔻酸。

3.2.4 换热器

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备。换热器采用铜管螺旋盘管换热器。在储能箱内布置螺旋盘管，盘管从储能材料中获取热量，加热管内的用水，然后将加热的热水送给用户。

通过金属导热率的对比，选用铜作为换热器材料。

表4 金属热传导率对比表

换热器采用螺旋盘管型，有利于增大换热器的换热面积，从而提高换热器的换热效率。

3.2.5 系统平均日效率和平均热损系数测定

①系统平均日效率测定。

系统有效能量与集热器集热表面的辐射大小的比值就是平均日效率。系统中的有效能量就等于集热器将贮水箱中初始水温加热到标定水温的热量再加上储能箱中储热材料所储存下来的热量。利用式（3）计算：

式中，ηd：平均日效率；

M1：贮水箱容水量，kg；

M2：储能箱内相变材料重量，kg；

H：相变材料熔解潜热，kJ/kg；

cp：水的定压比热容，J/（kg·℃）；

cs：储热体固相比热容，J/（kg·℃）；

c1：储热体液相比热容，J/（kg·℃）；

t0：贮水箱起始水温，℃；

t1：储水箱终止水温，℃；

t2：相变材料储热初始温度，℃；

t3：储能材料的相变温度，℃；

t4：相变材料储热终止温度，℃；

A：太阳能集热器采光面积，m2；

HT：集热器倾斜面上一天累积的太阳辐照量。

经过数据整理，依据式（3）计算系统平均日效率如表5 所示。

表5 太阳能热水器的平均日效率

②系统平均热损系数测定。

因为在该实验中集热器加热贮水箱中的水是没有换热的，是一次加热，而储能水箱的加热系统是二次换热的加热系统。由式（4）~（6）分别计算单位时间，单位采光面积和平均热损失。

式中，UL：平均热损系数，W/（m2·℃）；

tm：平均贮水温度，℃；

ta：平均环境温度，℃；

Δτ：时间间隔，s。

公式中下标的1、2、3、4 表示时间内第几次采集的数据。

结合表2 和表3 计算出两系统的平均热损失。计算结果如表6 和表7 所示。

表6 直接系统平均热损失

表7 二次换热系统平均热损系数

根据式（3） 得出没有储能设备的平均日效率是45.27%。而加设储能设备的平均日效率是52.03%。远高于其普通的没有储热的系统。

储能箱中的热负荷为7524kJ，这些热量可以把40 升的水从10℃加热到55℃。如果使用普通的太阳能热水器，这7524kJ 的热量就会被浪费，阴雨天气使用的热水只能采用其他的加热方式，造成能源的浪费。

4 二次换热储能系统的优越性

储能设备的加装，使得太阳能集热热水系统的平均日效率，从原来的45.27%提高到了52.03%，满足了人们阴雨天气热水的供给要求，更大程度的利用了太阳能，减小了碳排放。实验中应用的是二次换热储能装置，不但解决清洁用水问题还高效利用了多余热量，改善了太阳能热水器热效率，体现了储能式热水系统使用的优越性。