平板型太陽能熱水裝置性能實驗研究

湖州職業技術學院 環保技術研發中心 ■ 高志宏 賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠 王麗萍

0 引言

目前溫室農業冬季供暖主要采用小煤爐[1]，存在消耗常規能源和環境污染的問題。因此，開發利用清潔能源和高效節能技術是溫室農業可持續發展的必然要求。太陽能是清潔可再生能源，熱泵是高效節能技術，兩者的有效應用對解決能源與環境問題具有重要意義[2]。當前國內太陽能光熱產品以真空管式為主，平板型太陽能市場份額較低，但平板型集熱器特別適合于建筑一體化設計[3]，具備使用壽命長、承壓能力強等優點，已在歐美市場廣泛應用。國內部分科研單位已對平板太陽能及其儲熱水箱的性能等方面進行了一定的理論和實驗研究[3-8]。平板型太陽能熱水裝置的性能受自身結構與外界條件影響較大，其對太陽能熱泵供暖系統[9-12]設計及應用有直接影響。對此，結合浙北地區的氣象條件自行設計了一套分體承壓強制循環平板太陽能熱水裝置，并通過實驗探究其主要熱工性能——集熱器集熱效率、裝置平均效率、輻照度、介質循環方式和流量及環境因素對裝置性能的影響，可為太陽能熱泵系統應用于溫室供暖提供設計和配置優化依據。

1 裝置與實驗簡介

太陽能熱水裝置由平板型集熱器、蓄熱水箱(含盤管換熱器)、循環水泵、管閥、儀表等組成，結構示意圖見圖1，實物圖見圖2，表1為裝置各部件的規格參數。裝置的循環方式有單循環與雙循環兩種，單循環時蓄熱水箱中的水作為集熱介質通過集熱器后返回至水箱，如此往復循環；雙循環時集熱介質通過集熱器后進入盤管換熱器加熱水箱中的水，如此往復循環；集熱介質處于封閉的循環狀態。相關的實驗要求和條件如下：

1)每次實驗前蓄熱水箱充滿新水，通過改變閥門開度來調節介質流量；

2)蓄熱水箱的初溫和終溫取4個溫度測點的平均值；

3)實驗過程中，當蓄熱水箱溫度達到最高值后出現明顯下降時，停止實驗；

圖1 裝置結構示意圖

4)實驗過程中相關參數每5 min測試記錄一次；

5)實驗地點位于湖州職業技術學院園藝園內，無建筑物遮擋，采光情況良好。

圖2 裝置實圖

表1 裝置部件規格與所測參數

2 裝置數學模型

2.1 集熱器數學模型

集熱器集熱效率ηc是在一定時間內吸收的有用熱能與入射在集熱器表面上的太陽輻射能之比[13]，公式為：

式中，Q1為集熱器有效利用的能量，J；t為時間，s；AC為集熱器面積，m2；GT為太陽輻照度，W/m2。

式中，qm為集熱介質的質量流量，kg/s；Cp,f為集熱介質的定壓比熱容，J/(kg·K)；T1為集熱器進口溫度，℃；T2為集熱器出口溫度，℃。

2.2 蓄熱水箱數學模型

蓄熱水箱在一定時間內的得熱量計算式為：

式中，Q2為蓄熱水箱得到的熱量，J；ρ0為水的密度，kg/m3；Cp,0為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；Vs為水箱的容積，m3；Te為水箱終溫，℃；Tb為水箱初溫，℃；

2.3 盤管換熱器數學模型

裝置以雙循環方式運行時會使用到盤管換熱器，此時換熱器管內為強迫對流換熱，換熱器與水箱間的水為自然對流換熱，則盤管換熱器的能量輸出平衡方程為：

式中，Q3為盤管換熱器輸出的熱量，J；T3為盤管換熱器進口溫度，℃；T4為盤管換熱器出口溫度，℃。

2.4 裝置平均效率數學模型

在一定時間內裝置平均效率的公式為：

式中，H為集熱器累積太陽輻射量，MJ/m2。

3 結果與分析

3.1 實驗結果

實驗過程中的集熱介質均采用水，實驗時的相關工況與主要參數見表2。由表2可知，實驗時輻照度平均值分布為623～954 W/m2，集熱介質的流量分布為5 ～12 L/min，裝置平均效率分布為34.47%～43.08%，蓄熱水箱的終溫分布為42.2～60.3 ℃。

表2 實驗工況與過程參數

3.2 結果分析

太陽能熱水裝置的性能與太陽輻照度、集熱介質溫度、集熱介質循環方式及流量、環境狀況等相關，以下分析這些因素對裝置性能的影響。

1)輻照度。圖3為太陽輻照度變化圖，秋冬季晴天時的輻照度隨時間變化均呈拋物線形，一般約在11:30達到峰值；輻照度較高時間區間為9:30～14:30，是利用太陽能的較佳時間。圖4為輻照度平均值與裝置平均效率圖，實驗的輻照度平均值分布為623～954 W/m2，裝置的平均效率各有不同，效率并未隨輻照度呈線性關系。因此輻照度對裝置效率的影響不大，只要輻照度高于600 W/m2時裝置效率就會保持在35%以上。

圖3 太陽輻照度變化圖

圖4 輻照度平均值與裝置平均效率

圖5 集熱器瞬時效率與集熱介質溫度

2) 集熱介質溫度。以2015-01-01當天為例，集熱器瞬時效率與集熱介質的溫度變化見圖5，可知隨著集熱介質溫度升高集熱器瞬時效率在逐漸下降，兩者變化趨勢相反，集熱介質溫度對集熱效率有重要影響，集熱介質溫度為18～35 ℃時對應效率為54%～45%，集熱介質溫度為35～48 ℃時對應效率僅為40%～20%，因此較低的集熱介質溫度可保持較高的集熱效率。圖6為集熱器進出口溫差變化圖，此溫差先上升達到峰值后再逐漸下降，其與太陽輻照度的變化同步，在輻照度最大時溫差最大，隨著輻照度的降低溫差逐漸減小。

圖6 集熱器進出口溫差

3)集熱介質循環方式。結合表2可知雙循環的平均效率和水箱終溫總是略低于單循環，因雙循環增加了換熱器使傳熱環節增多，傳熱熱阻增加導致效率有所降低。

4)集熱介質流量。結合表2，集熱面積為1.9 m2的裝置測試時集熱介質流量分布為5 ～12 L/min，流量為5 ～6 L/min時裝置平均效率僅有34%～35%，而流量高于8 L/min時裝置效率能達到40%左右，因此本裝置實測較佳的流量為8 ～12 L/min。

5)環境因素。環境溫度和風力主要影響裝置的散熱，結合表2可知環境風力較大時裝置的平均效率都偏低，風力大會導致裝置的對流散熱損失增加。每次實驗的環境平均溫度分布為3～12 ℃，裝置的平均效率值各有高低，未表現出明顯的變化規律，故環境溫度對裝置性能影響較小。

6)蓄熱水箱溫度。圖7為水箱的溫度變化圖，無論何種工況水溫均呈整體上升趨勢，且初始階段溫升速率較快，隨著水溫的逐漸升高溫升速率逐漸下降，其與集熱介質溫度變化一致，因此太陽能適宜制取40 ℃以下的低溫熱水，此時的太陽能效率較高。不同工況下水箱終溫相差較大，單循環的水箱終溫均高于雙循環的，其中單循環時的最高終溫達到60 ℃，雙循環時最高終溫只有 55 ℃。

圖7 蓄熱水箱溫度變化圖

4 結論

對分體承壓平板型太陽能熱水裝置于浙北地區的實驗研究，可得到如下結論：

1)太陽輻照度對裝置性能影響不大，當輻照度平均值為623～954 W/m2時，裝置的平均效率分布區間為35%～43%，只要輻照度高于600 W/m2，裝置效率就可大于35%。

2)集熱介質溫度對集熱效率和裝置性能有重要影響，較低的集熱介質溫度可保持較高的集熱效率，集熱介質溫度為18～35 ℃時對應的集熱效率為54%～45%。

3)單循環的效率與水箱終溫略高于雙循環，本裝置較優的集熱介質流量為8～12 L/min，此流量下裝置效率能達到40%。

4)環境因素中，環境風力對裝置性能影響較大，環境溫度則較小，要做好裝置的保溫以減少散熱損失。

5)此裝置適宜制取40 ℃以下的低溫熱水，此時的太陽能效率較高。因此對太陽能熱泵供暖系統設計來說，宜選擇串聯式或混聯式系統——以太陽能制取低溫熱水作為熱泵蒸發器的熱源，此時太陽能的效率和熱泵的COP均較高。

[1] 李德堅，唐軒，殷志強，等. 溫室太陽能供暖[J]. 太陽能學報，2002，23(5)：557 － 563.

[2] 曠玉輝，王如竹，于立強.太陽能熱泵供熱系統的實驗研究[J]. 太陽能學報，2002，23(4)：1－6.

[3] 丁祥，高文峰，劉滔，等. 分體承壓陽臺壁掛式太陽熱水器的熱性能分析[J]. 農業工程學報，2011, 27(10)：233－237.

[4] 張喜明, 于秀峰, 戰乃巖, 等. 平板太陽能集熱器性能研究[J]. 吉林建筑工程學院學報，2013, 30(2)：30－32.

[5] 王美地，李明，季旭，等. 平板型太陽能熱水器性能試驗及其模擬對比[J]. 可再生能源，2013, 31(5)：22－25.

[6] 李明，鄭土逢，季旭，等. 立面陽臺式太陽能熱水器的性能特性[J]. 農業工程學報，2011, 27(10)：228－231.

[7] 劉學真，楊遠林. 一種太陽能承壓水箱的儲換熱特性研究[J]. 太陽能學報，2012，33(11)：1926－1929.

[8] 畢文峰，王侃宏，喬華，等. 平板集熱器冬季工況集熱性能分析[J]. 煤礦現代化，2005，1: 57－59.

[9] 陳冰, 羅小林, 畢方琳，等. 溫室太陽能與空氣源熱泵聯合加溫系統的試驗[J].中國農業科報，2011, 13(1): 55－59.

[10] 李舒宏，武文彬，張小松，等. 太陽能熱泵熱水裝置試驗研究與應用分析[J]. 東南大學學報(自然科學版)，2005,35(1)：82－85.

[11] 王鳳印，周一凡，王翠萍，等. 青島熱泵輔助太陽能供熱系統的性能分析[J]. 煤氣與熱力，2010, 30(10)：A17－A20.

[12] 陽季春，季杰，裴剛，等. 間接膨脹式太陽能多功能熱泵單獨制熱水性能實驗研究[J]. 太陽能學報, 2008, 29(6)：678－683.

[13] 張鶴飛, 俞金娣，趙乘龍,等. 太陽能熱利用原理與計算機模擬(第2版)[M]. 西安:西北工業大學出版社, 2004.