張喜明

(吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

1 概述

太陽(yáng)能是一種潔凈的能源，被人們稱之為“21世紀(jì)的能源”．目前，我國(guó)大力提倡環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約，使得太陽(yáng)能技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展．太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是目前實(shí)際應(yīng)用最多的太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)．太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能并將水加熱的裝置，與其他熱水系統(tǒng)相比具有節(jié)約能源、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)使用方便安全且經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)．但太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)初投資大，能量密度低，受氣候條件、地理位置影響也比較大［1－2］．太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)按照循環(huán)動(dòng)力分為自然循環(huán)系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)．課題組研發(fā)閉式強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)原理圖．采用水作為載熱介質(zhì)，其循環(huán)流程為:載熱流體流入太陽(yáng)能集熱器與集熱板進(jìn)行熱交換，吸收太陽(yáng)輻射能后，流入容積保溫水箱內(nèi)的銅制換熱器，加熱水箱內(nèi)的生活熱水，最后在循環(huán)泵的作用下流回太陽(yáng)能集熱器重新吸熱．強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的主要設(shè)備是容積水箱和集熱器，因此，對(duì)太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)的理論研究主要集中在容積水箱和集熱器的理論研究上．本文主要對(duì)集熱器進(jìn)行熱平衡分析，建立集熱器的數(shù)學(xué)物理模型，旨在為太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)研發(fā)提供理論指導(dǎo)．

圖1 強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)原理圖

2 集熱器的結(jié)構(gòu)

集熱器吸熱體采用鋼板式散熱器作為太陽(yáng)能集熱板(見圖2)，并對(duì)其表面進(jìn)行除銹、噴涂無(wú)光黑漆(吸收率α =0．9～0．98)，單片集熱板尺寸1 600 mm ×650 mm，透明蓋層采用單層浮法玻璃，玻璃蓋板尺寸1 640 mm×1 340 mm，厚度為5 mm，太陽(yáng)能透過(guò)率 τ=0．88 ～0．91．集熱板背部巖棉厚度為100 mm，側(cè)面巖棉厚度為50 mm．集熱器采用1．5 mm的普通熱軋薄鋼板作為殼體材料．

圖2 平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

3 集熱器的數(shù)理模型

3．1 建立數(shù)物模型的基本假設(shè)

為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，建立數(shù)學(xué)物理模型時(shí)作如下假設(shè):

(1)通過(guò)集熱器蓋層的熱流是一維的;

(2)通過(guò)集熱器蓋層的溫降可以忽略;

(3)通過(guò)集熱器背部隔熱材料的熱流是一維的;

(4)天空可以認(rèn)為是一個(gè)在等效天空溫度下發(fā)射長(zhǎng)波輻射的黑體;

(5)通過(guò)集熱器前面和背面的熱損失都對(duì)于同一環(huán)境溫度的;

(6)集熱器四周的殼體在吸熱板上的陰影可以忽略;

(7)熱物性參數(shù)與溫度無(wú)關(guān)．

3．2 集熱器的熱平衡分析

集熱器是太陽(yáng)能熱泵供水系統(tǒng)的主要部分，分析其熱工性能主要建立在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上進(jìn)行．集熱器的集熱板吸收太陽(yáng)輻射的能量，其中一部分被集熱流體帶走，另一部分通過(guò)集熱器的結(jié)構(gòu)散失到環(huán)境中去．集熱流體帶走的熱量成為集熱器的有用能量，散失到環(huán)境中熱量成為熱損失．用能量平衡方程式來(lái)描述這一熱力過(guò)程:

式中，Ic為集熱面積上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2;Ac為集熱器的面積，m2;(τα)e為有效透過(guò)—吸收積;Qu為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用能量，W;Qcl為單位時(shí)間內(nèi)集熱器的熱損失，W．

集熱器的集熱效率ηc是單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用熱量與投射到集熱面積上的太陽(yáng)輻射能量之比，是衡量集熱器集熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)．計(jì)算公式為:

式中，Ic，AcQu同式(1);

集熱器的熱損失主要由底部散熱損失、側(cè)面散熱損失和頂部散熱損失三部分組成，即:

式中，Qb為集熱器底部散熱損失，W;Qe為集熱器側(cè)面的散熱損失，W;Ql為集熱器頂部的散熱損失，W．在集熱器處于熱平衡的情況下，集熱流體從集熱器獲得的有用能量可表示為:

式中，ml為集熱流體的質(zhì)量流量，kg/s;cl為集熱流體的平均比熱容，J/kg．℃;tc，i，tc，o為集熱器進(jìn)、出口流體溫度，℃．

4 平板集熱器的效率方程

集熱效率ηc可由下式得到:

式中，Ucl為集熱器的熱損失系數(shù)，W/m2．℃．;tp為集熱板的平均溫度，℃;ta為周圍環(huán)境溫度，℃．

由平板集熱器的集熱理論可知，影響平板集熱器效率的因素很多，包括集熱器本身的結(jié)構(gòu)特征、集熱流體的傳熱及流動(dòng)特性、集熱流體的流量、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等．為簡(jiǎn)化計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中，集熱器效率方程通常由廠家提供或由集熱器效率實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定．集熱效率表示為:

式中，A，B為集熱器的的性能常數(shù)．

5 結(jié)語(yǔ)與展望

太陽(yáng)能是地球上一切能的主要來(lái)源，也是一種無(wú)污染的、安全的、無(wú)窮無(wú)盡的自然能源．在能源和環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻的今天，太陽(yáng)能作為一種具有代表性的新能源，被公認(rèn)為是21世紀(jì)以后人類可期待的、最有希望的能源，并得到越來(lái)越廣泛的重視．太陽(yáng)能為人們所利用，主要實(shí)現(xiàn)三種轉(zhuǎn)換，即:光—熱轉(zhuǎn)換、光—化學(xué)轉(zhuǎn)換和光—電轉(zhuǎn)換，其中，以光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)最為成熟．在太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中，最先實(shí)用化的一般是太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(包括太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能供暖系統(tǒng))．因此，太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展?jié)摿薮螅瑧?yīng)該用長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)．2015年，中國(guó)能源消費(fèi)量20．7×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，是現(xiàn)在全世界能源消費(fèi)量的六分之一，照此發(fā)展到2040年，中國(guó)的能源消費(fèi)量將超過(guò)55×108t標(biāo)準(zhǔn)煤，大約是現(xiàn)在中國(guó)能源消費(fèi)量的5倍，接近現(xiàn)在全世界能源消費(fèi)量的一半．這樣大的能源消費(fèi)量無(wú)論如何也是不可能實(shí)現(xiàn)的．因此，中國(guó)經(jīng)濟(jì)要想持續(xù)發(fā)展，必須重視節(jié)能工作和全力探索開發(fā)新能源［3］．

我國(guó)的自然資源總量排世界第七位，能源資源總量居世界第三位．其中可再生能源尤其豐富，可開發(fā)的風(fēng)能資源2．5億kW，水能資源7 540萬(wàn)kW，生物質(zhì)能1．25 kW，地?zé)崮?70 kW，另外，還有巨大的太陽(yáng)能及城市垃圾利用潛力．我國(guó)地處北半球亞歐大陸的東部，幅員遼闊，有豐富的太陽(yáng)能資源．我國(guó)各地太陽(yáng)輻射年總量大約在3．3 ×106kJ/(m2．a(chǎn)) ～8．4 ×106kJ/(m2．a(chǎn))［80 kcal/(cm2．a(chǎn)) ～200 kcal/(cm2．a(chǎn))］之間，其平均值為:5．9×106kJ/(m2．a(chǎn))［140 kcal/(cm2．a(chǎn))］．根據(jù)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的實(shí)際需要，我國(guó)提出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，而節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境是其中最重要的內(nèi)容之一．開發(fā)和研制適合北方地區(qū)分體式強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義．集熱器是分體式強(qiáng)制循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的主要部件，安裝在室外，具有靈活、方便的特點(diǎn)．評(píng)價(jià)集熱器性能的優(yōu)劣、換熱效果好、壞等目標(biāo)，對(duì)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)的選擇、設(shè)計(jì)及施工具有指導(dǎo)意義．今后課題組重點(diǎn)研發(fā)的主要方向:

(1)開發(fā)和研制適合北方氣候條件的太陽(yáng)能集熱器;

(2)建立太陽(yáng)能集熱器和容積水箱的數(shù)理模型(已部分完成);

(3)編制相應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬程序，進(jìn)行理論計(jì)算;

(4)建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究．

［1］ 毛志忠．太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)給水排水，2003，19(3):79－81．

［2］ 曠玉輝．太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］．青島:青島建筑工程學(xué)院，2001．

［3］ 張喜明．太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究［D］．青島:青島建筑工程學(xué)院，2002．