低溫余熱與太陽能的綜合利用

鄧增 肖帥 崔婷婷

（中南大學能源科學與工程學院 湖南長沙 410083）

隨著能源消耗的與日俱增，能源供應越發緊張，而能源的高效利用及回收已成為科學研究的重點內容之一。余熱回收是其中的一個重要項目，目前大多數研究僅針對于高溫煙氣的回收，而對于低溫（40℃～80℃）煙氣卻難以回收利用，如冷凝式燃氣壁掛爐、經過回收后的工廠排氣甚至是空調外排氣等。為了能有效利用該部分能源，本文將其與太陽能結合起來，通過減小太陽能利用設備（如太陽能熱水器）的散熱來增加太陽能利用設備對太陽能的利用率。

1 利用方法簡述

傳統太陽能熱水器[1]的熱量損耗主要為集熱器上部的輻射散熱和對流散熱。目前減小對流散熱的方法[2]主要是增加透明蓋板的層數，而隨著透明蓋板的層數增加，其透光能力會隨之減弱，影響集熱效率。本方法主要是通過增加透明蓋板表面溫度來減小太陽能熱水器的對流散熱，達到提高其效率的目的。根據傳熱學原理[3]知：

本文即通過利用低溫煙氣來增大t∞，從而達到減小對流散熱q的目的。具體實施如下圖所示：

圖1 太陽能熱水器原理原理圖

圖2 改進后太陽能熱水器示意圖

2 理論效率計算

2.1 已知條件

集熱器面積，太陽輻射強度，透明蓋板的透射率，吸熱材料的吸收率[3]，透明蓋板的層數為1，吸熱層溫度，環境溫度，低溫煙氣溫度高于吸熱層溫度，吸熱材料的發射率[5]，透明蓋板的發射率[3],不計空氣流速和底部及側面的散熱。

2.2 計算求解

根據太陽能熱水器的效率計算公式[4]

其中：

Qu——集熱器在規定時間段內輸出的有用能，W；

QA——同一時段內入射在集熱器上的太陽輻照能量，W；

QL——同一時段內集熱器對周圍環境散失的能量，W；

At——集熱器頂部面積，m2；

Ut——頂部熱損系數，W/（m2K）；

Tp，Ta——分別為集熱器內部與四周環境溫度，K；

G——太陽輻照強度，W/m2；

（τα）e——透明蓋板透射比與吸熱體吸收比的有效乘積；

η——集熱器的效率。

為了計算Ut，本文采用了參考文獻[4]給出的克萊恩公式：

式中：

N——透明蓋板層數；

Tp，Ta——分別為集熱器內部與四周環境溫度，K；

εp——吸熱體的發射率，%；

εg——透明蓋板的發射率，%；

f——有蓋板和無蓋板時熱阻的比值；

hw——環境空氣與透明蓋板的對流傳熱系數，W/(m2K)；

v——環境風速，m/s。

帶入已知參數計算得到在無低溫煙氣時太陽能集熱器效率為52.46%，而采用低溫煙氣隔熱時其效率可以達到58.07%。上述結果從理論上表明，在利用太陽能的同時用低溫煙氣減小其對流散熱，可以將太陽能的利用率提高5.61%。

3 結語

雖然單臺太陽能熱水器的能源利用率僅提高5.61%，其效果并不是太明顯，但隨著太陽能的使用越來越廣泛，利用該方法增加的太陽能利用量是相當可觀的。同時，該項技術實施起來比較容易，僅需利用管道即可完成其改裝，對已安裝太陽能熱能利用設備的用戶亦可適用。目前限制該技術發展的瓶頸為這種低溫煙氣難以收集，且難以輸送到太陽能利用設備上，然而而隨著家庭供暖設備，如燃氣壁掛爐等的推廣，越來越多的低溫煙氣將會與太陽能利用設備結合起來利用，這將給該項技術的發展帶來可能。

[1]施鈺川.太陽能原理與技術.西安交通大學出版社.2009，8.

[2]何梓年，朱敦智.太陽能供熱采暖手冊.化學工業出版社.2009，5.

[3]楊世銘，陶文銓.傳熱學.高等教育出版社.2006,8.

[4]羅運俊，陶楨.太陽熱水器及系統.化學工業出版社.2007,1.

[5]鄭瑞澄，路賓，李忠，何濤.太陽能供熱采暖工程應用技術手冊.中國建筑工業出版社.2012，3.