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(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院1，寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)新能源研究中心2，寧夏 銀川 750021；寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院3，寧夏 銀川 750021)

0 引言

開發(fā)利用新能源，是目前節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、實(shí)現(xiàn)能源持續(xù)供給的主要方法[1]，也是解決我國人民生活用熱水的新途徑，其中太陽能熱水器就是途徑之一。太陽能熱水器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。

目前，國內(nèi)的太陽能熱水器應(yīng)用主要以直接系統(tǒng)為主，即用戶消費(fèi)的熱水直接來自熱水器保溫水箱。在直接熱水系統(tǒng)使用過程中，水箱內(nèi)流體經(jīng)反復(fù)循環(huán)和使用易滋生各種細(xì)菌，導(dǎo)致生活熱水被污染，給人們的健康帶來危害。

在太陽能利用過程中，還存在另外一個(gè)主要問題，即由于太陽能的間歇性、能流密度低[2]以及輻射強(qiáng)度的不斷變化，在熱水的取用過程中不能滿足能量連續(xù)性的需求。

為了解決生活熱水水質(zhì)及能量儲存問題，本文在現(xiàn)階段常用普通熱水器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種二次換熱太陽能熱水器。這種太陽能二次換熱系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

① 熱水出水壓力源自冷水壓力，熱水壓力澎湃；

② 冷熱壓力匹配，出水溫度容易調(diào)節(jié)，不會忽冷忽熱；

③ 使用換熱盤管進(jìn)行換熱取水，不使用水箱內(nèi)一次水，自來水經(jīng)過盤管換熱迅速頂出，二次換熱，不含亞硝酸鹽及致病菌團(tuán)，水質(zhì)新鮮，可飲用；

④ 太陽能熱水器不需要人工補(bǔ)水，不會串水；

⑤ 太陽能真空管、水箱內(nèi)無水垢積結(jié)，無需清洗，延長了太陽能熱水器的使用壽命。

針對太陽能二次換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算過程復(fù)雜繁瑣，本文采用Visual Basic 6.0和Access 2007數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。該軟件對指導(dǎo)太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能二次換熱系統(tǒng)屬于間接式系統(tǒng)，是由全玻璃真空太陽集熱管、保溫水箱、內(nèi)置盤管換熱器、集熱器支架、保溫水箱進(jìn)口開關(guān)閥及循環(huán)泵等組成的一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽能二次換熱熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件介紹

2.1 軟件編制語言

本軟件是利用Visual Basic 6.0(以下簡稱VB)語言設(shè)計(jì)開發(fā)的。VB的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)運(yùn)算及程序控制結(jié)構(gòu)等基本概念對于任何語言都是一致的，既易于代碼編寫，又便于界面設(shè)計(jì)，效果更為直觀[3]。另外，VB語言編制屬于面向?qū)ο蟮木幊?。這符合本軟件對不同型號真空管和系統(tǒng)在不同地區(qū)的使用和計(jì)算分析的要求，編程工作更加方便和靈活。

在太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作條件處理大量的數(shù)據(jù)，如用戶平均日用水量、所需熱水的溫度、年平均日太陽輻射量、流體的黏度、流體的密度、雷諾準(zhǔn)數(shù)、普朗特?cái)?shù)、傳熱系數(shù)、盤管傳熱面積、盤管長度等。

這些數(shù)據(jù)的計(jì)算、查表費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，采用Visual Basic 6.0和Access數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。設(shè)計(jì)者只要輸入和選取相應(yīng)的參數(shù)，就能夠得出太陽能二次換熱系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，提高了設(shè)計(jì)效率和計(jì)算精度。

2.2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要利用Visual Basic中常用的控件來完成各種功能，如文本框控件(Text box)、標(biāo)簽控件(Label)、命令按鈕控件(Command button)、單選按鈕控件(Option button)、組合框控件(Combo box)以及一些事件。

本文搭建的全玻璃真空管太陽能二次換熱系統(tǒng)可分為兩大模塊：集熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊和換熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。

2.2.1 集熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

集熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算包括：集熱器總集熱面積的確定、熱水器容量的確定、真空管管數(shù)的確定、真空管最小間距的確定、水箱長度和直徑的確定。

這些設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但每次設(shè)計(jì)都要進(jìn)行查詢、驗(yàn)證等操作，這樣既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且準(zhǔn)確度不能夠保證。因而，將設(shè)計(jì)計(jì)算公式編寫為程序，軟件設(shè)計(jì)者只要輸入和選取相應(yīng)的參數(shù)，就可以得到全玻璃真空管太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

集熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算通過后臺程序完成。在集熱裝置參數(shù)計(jì)算界面，點(diǎn)擊命令按鈕開始計(jì)算，軟件即自動計(jì)算出所需要的設(shè)計(jì)參數(shù)。集熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 集熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程框圖

2.2.2 換熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算

換熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 換熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算流程框圖

換熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算包括：雷諾準(zhǔn)數(shù)的確定、普朗特?cái)?shù)的確定、傳熱系數(shù)確定、盤管傳熱面積的確定、盤管長度的確定。

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊，在VB軟件后臺對設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行編程。設(shè)計(jì)者只要輸入和選取相應(yīng)的參數(shù)，計(jì)算結(jié)果便顯示在界面上，供設(shè)計(jì)者運(yùn)用，這樣既方便又準(zhǔn)確。換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算是通過后臺程序完成的，點(diǎn)擊開始計(jì)算按鈕，軟件自動計(jì)算出所需要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)的管理

數(shù)據(jù)管理的功能分成兩部分：一是數(shù)據(jù)庫功能，二是輔助功能[8]。

數(shù)據(jù)庫功能主要是針對在計(jì)算過程中需要用到的大量數(shù)據(jù)(如各地區(qū)的平均日太陽輻照量、流體的各種屬性等)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫。只要用戶選擇相應(yīng)的名稱,就可在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù),無需自行查找輸入。

輔助功能主要是對軟件計(jì)算處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、存儲、修改、打印、輸出等功能。

目前，有兩種數(shù)據(jù)接口方式：一種是采用數(shù)據(jù)控件(data控件和Adodc1控件)連接Access 2007數(shù)據(jù)庫；一種是采用數(shù)據(jù)訪問對象來連接數(shù)據(jù)庫。另外 Adodc1 適用于Excel 表格、文本文件、圖形文件等數(shù)據(jù)文件。這樣可以完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的儲存數(shù)據(jù)類型以及輸出文件格式。

對于計(jì)算后數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、存儲，采用編寫程序后，點(diǎn)擊保存結(jié)果按鈕，結(jié)果自動保存到Excel表格中，供設(shè)計(jì)者使用。

3 軟件應(yīng)用實(shí)例

以設(shè)計(jì)一套全玻璃真空管集熱系統(tǒng)為例。

集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。已知在銀川地區(qū)某用戶平均日用熱水量300 L，所需要的熱水溫度為65 ℃，進(jìn)入水箱前的冷水溫度為10 ℃。選用長為1 800 mm、外徑為58 mm的真空管，計(jì)算集熱裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)。

換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。已知常溫水在φ16×0.5 mm的管內(nèi)流動用以換熱，流速為0.95 m/s，溫度從10 ℃升至45 ℃，盤管的曲率半徑為0.175 m。

輸入已知條件，選擇相關(guān)參數(shù)后得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 真空管太陽能集熱系統(tǒng)參數(shù)

4 結(jié)束語

針對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜和繁瑣，采用Visual Basic 6.0和Access 2007數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了太陽能二次換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。該軟件解決了太陽能二次換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算效率低、易出錯(cuò)等問題，實(shí)現(xiàn)了選型計(jì)算的智能化，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間，提高了工作效率，保證了計(jì)算的準(zhǔn)確度，是一款具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義的軟件。

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