牛艷， 高文峰, 劉滔， 林文賢， 陳雪嬌， 段亞丹， 張昱翀

(云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650092)

1 引 言

太陽能熱水器已廣為應(yīng)用，常見的類型主要有真空管太陽熱水器、悶曬型太陽熱水器和平板型太陽熱水器；其中，真空管型太陽熱水器具有良好的防凍抗凍性能和低熱損系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在太陽能熱利用領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[1].

1999年，Shahab Alizadeh[2]研究了臥式儲(chǔ)熱水箱的熱性能，得出使用發(fā)散錐管作為入口噴嘴可以得到更好的熱分層的結(jié)論.2005年，F(xiàn)urbo[3]對(duì)各種換熱器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明立式的夾套水箱的換熱效果比較明顯.2017年，路靈等人[4]提出了一種太陽能熱水器用導(dǎo)流管設(shè)計(jì)方式，這種方式結(jié)構(gòu)合理、簡單高效，可解決現(xiàn)有太陽能熱水器真空管導(dǎo)熱不暢、易炸管等不足.上述研究表明，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)換熱環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)其各方面性能都有極大影響.

夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)，有著水質(zhì)干凈、承壓、換熱面積大以及抗凍的優(yōu)點(diǎn)[5].參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，本文在晴天天氣下對(duì)一款?yuàn)A套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行熱性能實(shí)驗(yàn)，并與普通真空管太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析其熱性能和運(yùn)行特性.

圖1 夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一款?yuàn)A套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)，主要由集熱器、水箱和支架[10]組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：1為水箱外殼；2為全玻璃真空管，主要作用是吸收太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能；3為保溫層；4為夾套換熱水箱內(nèi)的換熱夾套;5為換熱夾套內(nèi)的工作介質(zhì),可在其中加入防凍液，提高系統(tǒng)防凍性能；6為壓力平衡罐；7為水箱內(nèi)膽；8為生活用水；9為支架；10為排污口.

全玻璃真空管穿過水箱外殼伸入換熱夾套中,首先由全玻璃真空管吸收太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱真空管內(nèi)的介質(zhì)，再由真空管內(nèi)的介質(zhì)將熱量傳遞給換熱夾套中的工作介質(zhì)，最后由換熱夾套中的工作介質(zhì)通過水箱內(nèi)壁加熱水箱中的水.

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在云南省昆明市國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行.為使對(duì)比更客觀、準(zhǔn)確，選擇兩個(gè)具有相近的采光面積和水箱水量的熱水系統(tǒng)作為對(duì)比組進(jìn)行試驗(yàn)(如表1).

在普通熱水系統(tǒng)水箱和夾套熱水系統(tǒng)水箱的上部、中部、下部和環(huán)境中各安置一個(gè)溫度傳感器測(cè)量溫度，因?yàn)樗渌疁卮嬖诜謱蝇F(xiàn)象，在水箱上中下安置三個(gè)溫度傳感器能更準(zhǔn)確地測(cè)得水箱內(nèi)的水溫.將風(fēng)速測(cè)量儀器安裝在距離地面1.5 m的位置，對(duì)周圍的風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在兩個(gè)熱水系統(tǒng)集熱器的表面分別安裝總輻射表，總輻射表應(yīng)與集熱器采光面保持平行且不遮擋采光，將所有溫度傳感器和輻射表與記錄儀連接起來.

日有用得熱量q和平均熱損因數(shù)USL的測(cè)試和計(jì)算參考GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[6]和GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》[7]進(jìn)行.

表1 兩個(gè)熱水系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選取其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取數(shù)據(jù)的測(cè)試時(shí)間為2018年1月5日-1月6日.選取的白天測(cè)試時(shí)間為9∶00-17∶00，夜間測(cè)試時(shí)間為20∶00-04∶00.

計(jì)算夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)日有用得熱量和平均熱損因數(shù)，處理結(jié)果見表2.

表2 兩個(gè)熱水系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表

由表可見，夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量分別為10.187 MJ/m2和10.576 MJ/m2，都達(dá)到緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量≥7.7 MJ/m2的要求.因?yàn)閵A套熱水系統(tǒng)有一層夾套，系統(tǒng)在加熱工質(zhì)的同時(shí)損失了一部分能量，所以夾套熱水系統(tǒng)的日有用得熱量比普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量略低，但差別不大.

計(jì)算得夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)平均熱損因數(shù)分別為11.678 W/(m3·K)和9.093 W/(m3·K)，都符合緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)≤16 W/(m3·K)的要求，夾套的平均熱損因數(shù)比普通的大，即普通熱水系統(tǒng)的保溫性能優(yōu)于夾套熱水系統(tǒng).

3.2 運(yùn)行特性分析

3.2.1 整體分析

圖2為2018年1月5日-6日實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的兩種太陽能熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)平均溫度隨時(shí)間變化曲線圖.從圖中可以看出在相同的太陽輻照下，兩者的升溫速率并不一樣.在18∶30左右夾套熱水系統(tǒng)平均溫度與普通熱水系統(tǒng)平均溫度有一個(gè)交點(diǎn)，而普通熱水系統(tǒng)平均溫度的起始溫度比夾套熱水系統(tǒng)高，由此可得，在9∶00-18∶30的升溫階段中普通熱水系統(tǒng)升溫相對(duì)較慢.

圖2兩種太陽能熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)平均溫度隨時(shí)間變化曲線圖

Fig.2 Curve chart of average temperature versus time in two hot water systems

由圖2可得，普通熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)水溫在18∶00達(dá)到最高值并開始降溫，而夾套熱水系統(tǒng)水溫在19∶00達(dá)到最高溫度并開始降溫，夾套熱水系統(tǒng)最高溫度比普通熱水系統(tǒng)高.雖然起始階段普通熱水系統(tǒng)水溫比夾套熱水系統(tǒng)高，但是夜間降溫期間，夾套熱水系統(tǒng)的溫度高于普通熱水系統(tǒng).從圖中可以明顯地看出夜間降溫期間夾套式熱水器的水溫變化曲線傾斜較大，這也驗(yàn)證了表2中夾套熱水系統(tǒng)平均熱損因數(shù)略大的結(jié)論.

3.2.2 白天運(yùn)行特性分析

圖3為白天兩種熱水系統(tǒng)貯熱水箱內(nèi)各點(diǎn)水溫、環(huán)境溫度和太陽輻射值隨時(shí)間變化曲線圖.從實(shí)驗(yàn)開始太陽瞬時(shí)輻照值持續(xù)增長，在13：00達(dá)到最大值并開始下降，直到試驗(yàn)結(jié)束，太陽輻射強(qiáng)度變化為450-1 196 W/m2，累計(jì)輻照量為25.89 MJ(大于17 MJ)，符合實(shí)驗(yàn)規(guī)定.實(shí)驗(yàn)期間，環(huán)境溫度持續(xù)緩慢上升，溫度范圍為9.4-19.6 ℃，平均值為15.29 ℃.

從圖3中可以看出，在9∶00-17∶00夾套熱水系統(tǒng)的水箱溫度始終低于普通熱水系統(tǒng)，因?yàn)檎婵展苄柘葘A套內(nèi)的工質(zhì)加熱后，才能通過水箱內(nèi)壁將熱量傳給內(nèi)水箱.

水箱內(nèi)的水存在分層現(xiàn)象，原因是熱水的密度比冷水的密度小，所以開始時(shí)同一水箱內(nèi)水箱上層的水溫度最高，下層的水溫度最低.同一水箱中下層與中層分層更為明顯些，因?yàn)樗湎聦訙囟仍趯?shí)驗(yàn)開始時(shí)上升緩慢.夾套熱水系統(tǒng)水箱下層與中層分層比普通熱水系統(tǒng)更為明顯，這也是因?yàn)閵A套熱水系統(tǒng)的真空管需先加熱夾套內(nèi)的工質(zhì).

圖3白天水箱溫度、環(huán)境溫度和太陽輻射值變化曲線圖

Fig.3 Variation chart of tank temperature,ambient temperature and solar radiation during daytime

3.2.3 夜間運(yùn)行特性分析

為了更直觀地觀察兩個(gè)系統(tǒng)夜間的運(yùn)行特性變化，選取變化趨勢(shì)更為明顯的17∶00-03∶00的數(shù)據(jù)繪圖分析(如圖4).

圖4夜間的熱水器水溫和環(huán)境溫度變化曲線圖

Fig.4 Curves chart of tank temperature and ambient temperature for night

夜間降溫時(shí)期兩個(gè)熱水系統(tǒng)水箱下層溫度分層較白天更加明顯，普通水箱的下層從18∶00左右開始發(fā)生更明顯的分層現(xiàn)象，夾套換熱水箱從21∶00開始發(fā)生更明顯的分層現(xiàn)象，且夾套換熱水箱依然比普通水箱更明顯.類似于白天升溫過程中下層溫度升溫緩慢的現(xiàn)象，在降溫過程中下層水溫較中上層降得更快從而造成分層明顯的現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

通過對(duì)兩種太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量、平均熱損因數(shù)和運(yùn)行特性曲線進(jìn)行對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

(1)夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)日有用得熱量比普通全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量小，但差距不是很大.夾套換熱水箱熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)相比，平均熱損因數(shù)略大，即普通全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的保溫性能略優(yōu)于夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng).

(2)兩種熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)水溫分層都比較明顯，夾套熱水系統(tǒng)比普通熱水系統(tǒng)水箱分層更為明顯.

雖然夾套熱水系統(tǒng)比普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量略小，熱損略大，但是夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)有承壓、抗凍能力強(qiáng)，并且生活用水干凈等優(yōu)點(diǎn)，夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)仍有其實(shí)用意義.從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，為使這類熱水系統(tǒng)具有更好的性能，還需進(jìn)一步優(yōu)化夾套水箱結(jié)構(gòu).