雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱性能研究

閆崇強，顏士峰，肖勝鑫，張 波，沈其民，盧麗麗，孫奕穎

(1.山東魯源節能認證技術工程有限公司，濟南 250100；2.山東省產品質量檢驗研究院，濟南 250102)

0 引言

在與建筑一體化相結合的太陽能產品中，平板型分體式太陽能熱水系統是兼顧安全和優良性能的產品[1]。雖然與真空管型太陽能熱水系統相比，平板型分體式太陽能熱水系統在能效方面還存在較大差距，但真空管型太陽能熱水系統與高層建筑結合時存在炸管、非承壓等缺點。平板型太陽能集熱器是平板型分體式太陽能熱水系統的核心集熱部件，其性能會直接影響整個太陽能熱水系統的能效。提高平板型太陽能集熱器的熱性能不僅有利于充分利用太陽能，還能夠增加集熱器的可靠性[2-3]。保溫性和吸熱體的吸收率是影響平板型太陽能集熱器熱性能的2個主要因素，現有的吸熱體涂層材料的吸收率基本上已達到0.92以上的水平，提升空間有限[4-5]。因此，提升平板型太陽能集熱器的保溫性是提升其熱性能的關鍵因素。

為探索玻璃蓋板對平板型太陽能集熱器熱性能的影響，本文針對分別采用單層玻璃蓋板和雙層玻璃蓋板的平板型太陽能集熱器的熱性能進行了對比實驗，以期為平板型太陽能集熱器的推廣應用提供參考。

1 實驗平臺的搭建

根據實驗需要，設計制作了分別采用單層玻璃蓋板和雙層玻璃蓋板的平板型太陽能集熱器各1臺，這2臺平板型太陽能集熱器的參數如表1所示。

表1 2臺平板型太陽能集熱器的參數Table 1 Parameters of two flat plate solar collectors

為測試2臺平板型太陽能集熱器的熱性能，搭建了實驗平臺，如圖1所示。平板型太陽能集熱器的工質進、出口溫度由Pt1000溫度傳感器測量，測量精度為±0.1 ℃，分辨率為0.1 ℃；太陽輻射強度采用1級太陽輻照表測量；工質質量流量采用流量計測量；實驗數據采用Agilent 34970A數據采集儀采集，記錄步長為20 s。

本實驗中，以水作為工質，實驗平臺采用主動跟蹤太陽的方式運行，循環系統通過控制器調節電加熱和冷卻機組，將工質進口溫度控制在設定溫度±0.1℃。當太陽光照射平板型太陽能集熱器后，集熱器的吸熱體將吸收的太陽能轉化成熱能，并通過吸熱體與水之間的對流換熱將熱能傳遞給水，由此將太陽輻射能轉化成為可儲存在工質中的熱能。

2 理論分析

根據GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》[6]，平板型太陽能集熱器實際獲得的有用功率QU可表示為：

式中，m為工質質量流量，kg/s；ΔT為工質進、出口溫差，℃；cf為對應于平均工質溫度的傳熱工質比熱容，J/(kg·℃)。

當以采光面積Aa作為參考標準時，平板型太陽能集熱器表面接收的太陽輻射功率為AaI，其中，I為太陽輻射強度。則平板型太陽能集熱器基于采光面積Aa的瞬時效率ηa可表示為[6]：

基于工質進口溫度的歸一化溫差可表示為[6]：

式中，ti為工質進口溫度，℃；ta為環境溫度，℃。

瞬時效率ηa應利用最小二乘法進行曲線一次擬合得出，其公式為[6]：

式中，η0為瞬時效率截距；U為熱損失系數，W/(m2·℃ )。

3 實驗結果與分析

本次實驗地點位于國家節能產品質量監督檢驗中心 (117°14′12′′E、36°39′53′′N)。將 2 臺平板型太陽能集熱器放置在同一個實驗平臺上進行實時測試，實驗參照GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》中對太陽能集熱器瞬時效率的測試方法，在同一個測試日對2臺平板型太陽能集熱器分別設定28.7、41.4、54.2和66.9 ℃這4個工質進口溫度進行實驗。2臺平板型太陽能集熱器的熱性能實驗典型數據如表2所示。

從表2可以看出，在28.7 ℃和41.4 ℃這2個工質進口溫度下，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在54.2 ℃和66.9 ℃這2個工質進口溫度下，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高。這是因為相較于單層玻璃蓋板，雙層玻璃蓋板在削弱了太陽光線透過率的同時，還減少了集熱器的熱損失，因而在較低工質進口溫度時，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在工質進口溫度較高時，單層玻璃蓋板的熱損失明顯增大，從而出現了雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高的情況[7]。綜上所述，在工質進口溫度ti≥54.2 ℃時，更適合采用雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器。

表2 2臺平板型太陽能集熱器的熱性能實驗典型數據Table 2 Typical data of thermal performance for two flat plate solar collectors

2臺平板型太陽能集熱器的采光面積為Aa、工質進口溫度為ti時，基于工質進口溫度的歸一化溫差和瞬時效率ηa的線性擬合曲線如圖2所示。

單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器和雙層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的一次線性擬合公式分別為結合圖2及2臺太陽能集熱器的線性擬合公式可知，單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的瞬時效率截距大于雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率截距，而且單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的線性擬合曲線斜率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的大，因此，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數。當時，2臺平板型太陽能集熱器的瞬時效率相等；當0.0212時，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率大于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率；當時，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率。

4 結論

本文針對單層、雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器進行了熱性能實驗對比，對2臺平板型太陽能集熱器在不同工質進口溫度下的瞬時效率進行了對比分析研究，并根據2臺平板型太陽能集熱器的一次線性擬合曲線及公式對其各自的熱性能優劣進行了比較，得到以下結論：

1) 在28.7 ℃和41.4 ℃這2個工質進口溫度下，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在54.2 ℃、66.9 ℃這2個工質進口溫度下，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高。

2) 單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的瞬時效率截距大于雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率截距，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數。