李想樊越勝申健蔡其聰

1西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院2中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司3重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

水箱高度對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院2中冶交通建設(shè)集團(tuán)有限公司3重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院

在自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，儲(chǔ)水箱與集熱板位置間存在的高差是整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)動(dòng)力的關(guān)鍵因素。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了儲(chǔ)水箱與集熱板高差對(duì)自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)效率的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變儲(chǔ)水箱高度，得到了不同高差條件下系統(tǒng)得熱量與太陽(yáng)輻照量的關(guān)系，同時(shí)得到熱水系統(tǒng)的效率平均值分別為：23%、31%、23%、21%。當(dāng)集熱器頂部與儲(chǔ)熱水箱底部之間高差為86cm時(shí)平板式太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱性能最好。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng) 自然循環(huán) 儲(chǔ)水箱位置 實(shí)驗(yàn)研究

隨著太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化研究的不斷發(fā)展，分體式太陽(yáng)能熱水器受到更多的關(guān)注。在村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能系統(tǒng)中，基于成本的考慮，村鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)大部分都是自然循環(huán)式的。另外，間接式換熱的二次循環(huán)方式不易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)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(qiáng)。集熱器與儲(chǔ)熱水箱的高差是系統(tǒng)自然循環(huán)的動(dòng)力因素，兩者之間的高差將會(huì)影響到集熱器進(jìn)出口的水溫、流量，進(jìn)而影響到熱水系統(tǒng)的效率。因此，本文利用間接式平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過(guò)改變集熱器與水箱之間的高差，通過(guò)試驗(yàn)的方法研究系統(tǒng)效率的變化，找到實(shí)際應(yīng)用中的最佳高度。

1 間接式平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型的搭建

間接式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由集熱器、儲(chǔ)水箱、循環(huán)管路及閥門組成，如圖1。按照《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》[1]的要求集熱器傾角定于45°，表面無(wú)遮擋與陰影投射。集熱板尺寸2000mm（長(zhǎng)）×1000mm（寬），集熱器側(cè)的循環(huán)工質(zhì)為乙二醇-水防凍液，密度為1.087g/m3，冰點(diǎn)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(huán)順利進(jìn)行，水箱放置于集熱器的上方，利用可調(diào)節(jié)支架固定。循環(huán)管及冷熱水管都選用鋁塑管，其特點(diǎn)是具有金屬管堅(jiān)固耐壓和塑料管抗酸堿耐腐蝕的兩大特點(diǎn)，也便于水箱與集熱器之間的高度調(diào)節(jié)。

圖1 間接式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)分為四組進(jìn)行測(cè)量，為水箱底部距集熱器進(jìn)口高度分別為116cm、86cm、56cm、36cm。每組實(shí)驗(yàn)包括3天對(duì)整個(gè)系統(tǒng)全天的室外實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的起止時(shí)間為每天8:00到16:00共八個(gè)小時(shí)。每天試驗(yàn)測(cè)得的輸入（照射到系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射）和輸出（系統(tǒng)得到的熱量）繪制在輸入/輸出圖上。

根據(jù)GB/T 18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)滿足tad-tb具有相近的值，其中，tad是日平均環(huán)境或周圍空氣的溫度，℃；tb是集熱試驗(yàn)時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃。環(huán)境溫度應(yīng)在8～39℃的范圍內(nèi)。在距離蓋板表面50mm處，空氣流動(dòng)的平均速率不大于4m/s。

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

3 實(shí)驗(yàn)期間的天氣情況

實(shí)驗(yàn)日期如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)日期安排

實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行近一個(gè)月時(shí)間，選擇天氣情況符合實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)期間的太陽(yáng)輻照情況、氣溫變化情況及風(fēng)速變化情況列于圖2～圖4中。實(shí)驗(yàn)期間，總輻射日累計(jì)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(fēng)速在0～3.8m/s之間變化，波動(dòng)較大。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間（4月）太陽(yáng)輻射情況

圖3 實(shí)驗(yàn)期間（4月）氣溫變化圖

圖4 實(shí)驗(yàn)期間（4月）風(fēng)速變化圖

4 儲(chǔ)水箱高度對(duì)系統(tǒng)效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

貯熱水箱內(nèi)水體積Vs中所含的得熱量Qs可用下式計(jì)算得到：

式中：Qs為貯熱水箱中水所含的系統(tǒng)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(yàn)結(jié)束時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃；tb為集熱試驗(yàn)開始時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃。

在整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試期間內(nèi)，每天開始和結(jié)束時(shí)貯熱水箱內(nèi)的溫度列入表2。

表2 貯水箱起止溫度及平均環(huán)境溫度表

系統(tǒng)測(cè)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(yáng)能輻照量與得熱量

按照GB/T18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的要求，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該由不同H值下的輸入-輸出圖表示。家用單一太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的性能可由下式表示：

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

式中：系統(tǒng)的系數(shù)a1和a3由試驗(yàn)結(jié)果用最小二乘法來(lái)確定。Qs即為貯熱水箱的得熱量，即集熱量。

由試驗(yàn)結(jié)果確定的不同高度下的輸入-輸出關(guān)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(gè)關(guān)系式繪入輸入-輸出關(guān)系圖，如圖5所示：

圖5 系統(tǒng)得熱量與太陽(yáng)輻照量的關(guān)系

熱水系統(tǒng)的效率可以定義為系統(tǒng)得熱量與照射到集熱器表面的總太陽(yáng)輻照量的比值。

由圖5可知，四條線的斜率為Qs/H，由這個(gè)值可以清楚地表示出所測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試期間的效率。對(duì)于所測(cè)試的集熱器有效吸熱面積1.81m2、水箱80L的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，當(dāng)高差為86cm時(shí)，輸入-輸出關(guān)系式曲線的斜率最大，即整個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的效率最高。將測(cè)試期間內(nèi)，不同高差系統(tǒng)的平均效率列入表4中。

表4 水箱放集熱器高差對(duì)熱水系統(tǒng)效率的影響

從圖6看出，在集熱器與水箱之間循環(huán)管徑不變的條件下，當(dāng)集熱器頂部與水箱底部之間的高差為86cm時(shí)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的效率最高，達(dá)到31%，其比高差在116cm及56cm時(shí)系統(tǒng)的效率高了8%，比高差為36cm時(shí)的系統(tǒng)效率高了10%。

圖6 儲(chǔ)水箱高差對(duì)熱水系統(tǒng)效率的影響

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)分析還可以得出，平板式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的得熱量受天氣的影響比較大。當(dāng)某天的太陽(yáng)輻射較少或者陰天時(shí)，平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的得熱量就會(huì)較少，系統(tǒng)的效率就變得較低。

5 結(jié)論

針對(duì)間接式自然循環(huán)平板式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，本文就集熱器與水箱的高差問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將集熱器與水箱之間的高差分別設(shè)定為116cm、86cm、56cm、36cm。通過(guò)對(duì)每組系統(tǒng)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)四種高差下熱水系統(tǒng)的效率分別為23%、32%、23%、21%。當(dāng)集熱器與水箱之間的高差為86cm時(shí)系統(tǒng)的效率最高，并且比最低的高差為36cm時(shí)系統(tǒng)的效率高出11%。

[1]家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法(GB/T18708-2002)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(qū)安外外館斜街甲1號(hào)（100011）；E-mail:mcclixiang@126.com