水箱高度對太陽能熱水系統效率的影響研究

李想樊越勝申健蔡其聰

1西安建筑科技大學環境與市政工程學院2中冶交通建設集團有限公司3重慶大學城市建設與環境工程學院

水箱高度對太陽能熱水系統效率的影響研究

李想1，2樊越勝1申健1蔡其聰3

1西安建筑科技大學環境與市政工程學院2中冶交通建設集團有限公司3重慶大學城市建設與環境工程學院

在自然循環太陽能熱水系統中，儲水箱與集熱板位置間存在的高差是整個系統循環動力的關鍵因素。本文通過實驗進一步研究了儲水箱與集熱板高差對自然循環太陽能熱水系統效率的影響。實驗中，通過改變儲水箱高度，得到了不同高差條件下系統得熱量與太陽輻照量的關系，同時得到熱水系統的效率平均值分別為：23%、31%、23%、21%。當集熱器頂部與儲熱水箱底部之間高差為86cm時平板式太陽能系統的熱性能最好。

太陽能熱水系統 自然循環 儲水箱位置 實驗研究

隨著太陽能熱水器與建筑一體化研究的不斷發展，分體式太陽能熱水器受到更多的關注。在村鎮住宅太陽能系統中，基于成本的考慮，村鎮地區應用的太陽能熱水系統大部分都是自然循環式的。另外，間接式換熱的二次循環方式不易產生結垢現象，防凍效果良好，又可以提高平板型集熱器的使用壽命，適用性更強。集熱器與儲熱水箱的高差是系統自然循環的動力因素，兩者之間的高差將會影響到集熱器進出口的水溫、流量，進而影響到熱水系統的效率。因此，本文利用間接式平板太陽能熱水系統通過改變集熱器與水箱之間的高差，通過試驗的方法研究系統效率的變化，找到實際應用中的最佳高度。

1 間接式平板太陽能熱水系統模型的搭建

間接式自然循環太陽能熱水系統主要由集熱器、儲水箱、循環管路及閥門組成，如圖1。按照《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》[1]的要求集熱器傾角定于45°，表面無遮擋與陰影投射。集熱板尺寸2000mm（長）×1000mm（寬），集熱器側的循環工質為乙二醇-水防凍液，密度為1.087g/m3，冰點為-68℃，滿足冬季夜間集熱器防凍的需要。為了依靠重力保證自然循環順利進行，水箱放置于集熱器的上方，利用可調節支架固定。循環管及冷熱水管都選用鋁塑管，其特點是具有金屬管堅固耐壓和塑料管抗酸堿耐腐蝕的兩大特點，也便于水箱與集熱器之間的高度調節。

圖1 間接式自然循環太陽能熱水系統裝置圖

2 實驗方法

本實驗分為四組進行測量，為水箱底部距集熱器進口高度分別為116cm、86cm、56cm、36cm。每組實驗包括3天對整個系統全天的室外實驗。實驗的起止時間為每天8:00到16:00共八個小時。每天試驗測得的輸入（照射到系統的太陽輻射）和輸出（系統得到的熱量）繪制在輸入/輸出圖上。

根據GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》的規定，每組實驗時，應滿足tad-tb具有相近的值，其中，tad是日平均環境或周圍空氣的溫度，℃；tb是集熱試驗時貯熱水箱內的水溫，℃。環境溫度應在8～39℃的范圍內。在距離蓋板表面50mm處，空氣流動的平均速率不大于4m/s。

本文在太陽能熱水系統測試中使用的主要儀器包括：PC-2-T太陽輻射監測系統，HOBO Weather Station Logger 15通道氣象站數據采集器，T型熱電偶測量及IMP多通道數據采集器。PC-2-T太陽輻射監測系統可以監測太陽總輻射、散射輻射、直接輻射、反射輻射、凈全輻射，測試范圍在0～4000W/m2內，誤差小于5%；氣象站數據采集器氣壓傳感器測量范圍660～1070mbar，精度±3.0mbar，溫度測量范圍-40～100℃，精度±0.2℃（0～+50℃），相對濕度測量范圍0～100%（-40～+75℃），精度±2.5%（10%～90%典型），風速測量范圍0～45m/s，精度±1.1 m/s；T型熱電偶測量范圍-200℃～350℃，精度±1℃。

3 實驗期間的天氣情況

實驗日期如表1所示。

表1 實驗日期安排

實驗連續進行近一個月時間，選擇天氣情況符合實驗要求的數據進行分析。試驗期間的太陽輻照情況、氣溫變化情況及風速變化情況列于圖2～圖4中。實驗期間，總輻射日累計平均值為2.5MJ，每日輻照量相近，僅2日、4日及20日輻照量偏低；氣溫平均值為22℃，晝夜平均溫差為6℃；風速在0～3.8m/s之間變化，波動較大。

圖2 實驗期間（4月）太陽輻射情況

圖3 實驗期間（4月）氣溫變化圖

圖4 實驗期間（4月）風速變化圖

4 儲水箱高度對系統效率影響實驗結果分析討論

貯熱水箱內水體積Vs中所含的得熱量Qs可用下式計算得到：

式中：Qs為貯熱水箱中水所含的系統得熱量，MJ；ρw為水的密度，kg/m3；cpw為水的比熱容，J/(kg℃)；Vs為貯熱水箱中流體的容積，m3；te為集熱試驗結束時貯熱水箱內的水溫，℃；tb為集熱試驗開始時貯熱水箱內的水溫，℃。

在整個試驗測試期間內，每天開始和結束時貯熱水箱內的溫度列入表2。

表2 貯水箱起止溫度及平均環境溫度表

系統測試期間照射到集熱器表面的總輻射量如表3所示。

表3 集熱器接受太陽能輻照量與得熱量

按照GB/T18708-2002《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》的要求，試驗結果應該由不同H值下的輸入-輸出圖表示。家用單一太陽熱水系統的性能可由下式表示：

其中（tad-tb）在本次試驗的過程中，都近似等于零，因此，可將上式改寫為：

式中：系統的系數a1和a3由試驗結果用最小二乘法來確定。Qs即為貯熱水箱的得熱量，即集熱量。

由試驗結果確定的不同高度下的輸入-輸出關系式為：

1）高差為116cm

2）高差為86cm

3）高差為56cm

4）高差為36cm

將以上四個關系式繪入輸入-輸出關系圖，如圖5所示：

圖5 系統得熱量與太陽輻照量的關系

熱水系統的效率可以定義為系統得熱量與照射到集熱器表面的總太陽輻照量的比值。

由圖5可知，四條線的斜率為Qs/H，由這個值可以清楚地表示出所測試系統在測試期間的效率。對于所測試的集熱器有效吸熱面積1.81m2、水箱80L的太陽能熱水系統中，當高差為86cm時，輸入-輸出關系式曲線的斜率最大，即整個太陽能熱水系統的效率最高。將測試期間內，不同高差系統的平均效率列入表4中。

表4 水箱放集熱器高差對熱水系統效率的影響

從圖6看出，在集熱器與水箱之間循環管徑不變的條件下，當集熱器頂部與水箱底部之間的高差為86cm時，太陽能熱水系統的效率最高，達到31%，其比高差在116cm及56cm時系統的效率高了8%，比高差為36cm時的系統效率高了10%。

圖6 儲水箱高差對熱水系統效率的影響

通過以上的數據分析還可以得出，平板式太陽能熱水系統的得熱量受天氣的影響比較大。當某天的太陽輻射較少或者陰天時，平板集熱器太陽能熱水系統的得熱量就會較少，系統的效率就變得較低。

5 結論

針對間接式自然循環平板式太陽能熱水系統的應用，本文就集熱器與水箱的高差問題進行了實驗研究。將集熱器與水箱之間的高差分別設定為116cm、86cm、56cm、36cm。通過對每組系統的測試發現四種高差下熱水系統的效率分別為23%、32%、23%、21%。當集熱器與水箱之間的高差為86cm時系統的效率最高，并且比最低的高差為36cm時系統的效率高出11%。

[1]家用太陽熱水系統熱性能試驗方法(GB/T18708-2002)[S].北京:中國建筑工業出版社,2002

Effe c t of the Pos ition of Stora ge Ca n on He a t Exc ha nge Effic ie nc y in Sola r He a ting Wa te r Sys te m

LI Xiang1,2,FAN Yue-sheng1,SHEN Jian1,CAI Qi-cong3
1 School of Environmental&Municipal Engineering,Xi’an University of Architecture&Technology 2 MMC Communication Construction Group Co.,Ltd. 3 Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University

The height difference of collector and storage is the driving force of natural circulation system.The height difference have effect on water temperature of inlet and outlet of the collector.In order to study the impact of height difference on the system performance,experimental tests with four kinds of elevation,116cm,86cm,56cm,36cm were applied to study the solar system performance.The test for each height difference were carried out independently.Each height corresponding to the average efficiency of the system are as follows:23%,31%,23%,21%.It was concluded that the best performance was achieved when storage can is 86cm over the collector.

solar water heating system,natural circulation,position of storage can,experimental study

1003-0344（2015）05-070-4

2014-7-18

李想（1982～），男，碩士研究生，高工；北京市東城區安外外館斜街甲1號（100011）；E-mail:mcclixiang@126.com