朱海威， 高文峰， 林文賢， 劉滔， 李澤東

(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)

引 言

影響太陽能熱水器性能的因素有多種[1-3]，而儲熱水箱是平板型家用太陽能熱水器的重要儲能組件，其結(jié)構(gòu)、容量、保溫材料將直接影響熱水器的性能和運(yùn)行質(zhì)量.而對儲熱水箱，上循環(huán)管位置是影響其溫度分層和熱水器熱性能的重要因素.

太陽能熱水器中儲熱水箱各參數(shù)對其熱性能的影響受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注.Morrison[4-6]對自然循環(huán)太陽能熱水器做了大量的研究工作，他采用特殊的處理技巧大大簡化了系統(tǒng)性能模擬和理論分析的復(fù)雜程度,得到了兩種分析自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)的模型，可準(zhǔn)確而完整地模擬分析自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng).Rosen的研究[7]表明冷水與熱水的混合是導(dǎo)致分層程度降低的主要原因，在長期的存儲過程中會產(chǎn)生顯著的混合熱損，并得出立式水箱的性能要比臥式的好.Brinkworth[8]及Andres和Lopez[9]分別對帶有水箱的太陽能集熱器熱性能建立了模型并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.水箱中的溫度分層現(xiàn)象是熱虹吸太陽能熱水器的驅(qū)動力，已經(jīng)有許多研究人員從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法上對其進(jìn)行了分析[10-11]，結(jié)果表明熱虹吸太陽能熱水器的放熱效率高度依賴于溫度分層度.周志培與孫保民[12]及張森等人[13]對太陽能儲熱水箱的保溫和散熱機(jī)理有過研究.云南師范大學(xué)的林文賢[14]及李琳[15]等人對儲熱水箱作過瞬態(tài)過程的模擬研究，林文賢根據(jù)理論計(jì)算機(jī)模擬詳細(xì)探討了水箱的熱水入口位置對帶輔助電加熱器自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響,并揭示出一些以前未知的規(guī)律,為此種系統(tǒng)走向最佳化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；李琳則對不同進(jìn)水速度、不同進(jìn)水溫度下水箱內(nèi)混水特性進(jìn)行了數(shù)值模擬.他們的研究并未涉及平板型家用太陽能熱水器在白天運(yùn)行時(shí)儲熱水箱上循環(huán)管的位置對熱水器儲水箱溫度分層度和熱水器熱性能的影響.本文利用實(shí)驗(yàn)測試的方法，分析了兩種上循環(huán)管位置對儲熱水箱溫度變化、分層和熱水器瞬時(shí)效率的影響.

1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)建及測試方法

自然循環(huán)家用太陽能熱水器由平板集熱器、循環(huán)管道、儲熱水箱構(gòu)成.熱水器依靠平板集熱器和儲水箱中溫差形成熱虹吸水循環(huán)動力，通過循環(huán)水把集熱器產(chǎn)生的熱量帶到儲水箱內(nèi)儲存使用.本文所用儲熱水箱是立式圓柱體結(jié)構(gòu)，置于平板集熱器上方，儲熱水箱有高、低位兩種上循環(huán)管，通過球閥開關(guān)選擇高位上循環(huán)管或低位上循環(huán)管，以測量上循環(huán)管位置對水箱溫度分層和太陽能熱水器瞬時(shí)效率的影響.

為達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模鐖D1所示制作了一臺儲熱水箱有高、低位上循環(huán)管的平板型家用熱水器，S1、S2為球閥開關(guān)，聯(lián)合選擇上循環(huán)管于水箱位置.該系統(tǒng)集熱器排管橫置，集熱器保持45°傾角，集熱器采光面積A為2.0 m2.儲熱水箱采用立式圓柱體水箱，水箱內(nèi)膽直徑為360 mm,高為754 mm，水箱容量為76 L.出入口內(nèi)徑均為25 mm，高位上循環(huán)管距水箱頂部190 mm，低位上循環(huán)管距水箱頂部380 mm，循環(huán)管道外套橡塑保溫棉和錫箔紙.T1、T2、T3、T4、T5分別是置于水箱內(nèi)部的溫度探頭，用來監(jiān)視和采集水箱內(nèi)部水溫分布情況和變化特點(diǎn)；Tin1、Tin2分別監(jiān)測和采集熱水系統(tǒng)高、低兩個(gè)上循環(huán)管的水箱進(jìn)口水溫，溫度探頭緊貼循環(huán)管壁，并用導(dǎo)熱硅膠密封接觸，Tout監(jiān)測和采集下循環(huán)管水箱出口水溫.

圖1 自然循環(huán)熱水系統(tǒng)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of natural circulation solar water heating system

測試地點(diǎn)位于昆明市云南師范大學(xué)國家太陽能產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心測試場地(北緯25.02°，東經(jīng)102.68°).用相同測試方法分別對采用高、低位上循環(huán)管的平板型家用熱水器進(jìn)行多天實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2014年3月到2014年4月天氣晴朗的白天，數(shù)據(jù)測試從早上10:00開始，到18：17結(jié)束.為了盡可能地減少天氣條件對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，最終采用天氣狀況相似的2014年3月19日(實(shí)驗(yàn)裝置采用高位上循環(huán)管)和4月2日(實(shí)驗(yàn)裝置采用低位上循環(huán)管)測試結(jié)果進(jìn)行分析.由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和天氣條件的限制，測試結(jié)果不可避免存在一些誤差.

輻照量G、環(huán)境溫度Ta、風(fēng)速V采用TRM-2采集儀采集.測量過程中由于水溫在短時(shí)間內(nèi)變化不明顯，因此Δt取為10分鐘；G取10分鐘內(nèi)輻照平均值，水箱自然循環(huán)進(jìn)出口水溫取10分鐘內(nèi)平均水溫；水箱內(nèi)水溫取10分鐘始末5個(gè)溫度探頭所測水溫的平均值.

2 自然循環(huán)瞬時(shí)效率

集熱器的進(jìn)口水溫取決于儲熱水箱中的溫度分布，而儲熱水箱中水溫又隨時(shí)間變化.因此，在研究分析儲熱水箱工作性能時(shí)，需要作出以下必要假設(shè)[16]：

(1)儲熱水箱內(nèi)溫度分布為線性；

(2)儲熱水箱箱體熱容和熱損均很小，可以忽略不計(jì).

根據(jù)上述假設(shè)，某一時(shí)刻水箱內(nèi)水溫為布置在水箱內(nèi)五個(gè)探頭所監(jiān)測水溫的平均值，Tn(t)表示t時(shí)刻水箱內(nèi)第n個(gè)溫度探頭的溫度值，M表示水箱內(nèi)水的總質(zhì)量，Cp為水的比熱容.則在t時(shí)刻，水箱內(nèi)的平均水溫可以表示為：

(1)

在Δt時(shí)間段內(nèi)水箱儲存熱量的增量為：

(2)

自然循環(huán)瞬時(shí)效率定義：在某時(shí)間段水箱內(nèi)存儲熱量的增量與該時(shí)間段內(nèi)集熱器所接收到的太陽輻照量的比值[16]:

(3)

其中A為集熱器采光面積，單位為m2；G為太陽輻照度，單位為W/m2.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 水箱溫升曲線(高位上循環(huán)管)

Fig.2 Temperature curve of water tank (upper connecting pipe at high position)

從圖2中可看出：14∶45以前隨著平板集熱器接收太陽輻照時(shí)間增加，水箱內(nèi)水溫升高.同一時(shí)刻五個(gè)傳感器的溫度T1

圖3 水箱溫差曲線(高位上循環(huán)管)

Fig.3 Temperature difference curve of water tank (upper connecting pipe at high position)

圖3是采用高位上循環(huán)管的儲熱水箱每十分鐘各層溫度T1、T2、T3、T4、T5的始末溫差曲線.由圖可看出13∶07以前儲熱水箱內(nèi)各層水溫升溫幅度并不同步，存在一定的先后順序，因此出現(xiàn)圖2中比較好的溫度分層.13∶07以后由于水箱內(nèi)水溫較高和太陽輻照強(qiáng)度降低，升溫幅度會有所減弱直至水箱開始降溫，水溫分層程度減弱.

圖4 水箱溫升圖(低位上循環(huán)管)

Fig.4 Temperature curve of water tank (upper connecting pipe at low position)

圖4是采用低位上循環(huán)管的儲熱水箱內(nèi)水溫變化曲線.由圖可看出，當(dāng)上循環(huán)管的接管位置下移，水箱內(nèi)五個(gè)探頭同一時(shí)刻的溫度比較接近，水溫分層沒有高位上循環(huán)管運(yùn)行情況下明顯.

圖5 水箱溫差曲線(低位上循環(huán)管)

Fig.5 Temperature difference curve of water tank (upper connecting pipe at low position)

圖5是采用低位上循環(huán)管的儲熱水箱每十分鐘各層溫度T1、T2、T3、T4、T5的始末溫差曲線，由曲線可知水箱內(nèi)水溫升溫趨勢與太陽輻照強(qiáng)度走勢比較一致.低位上循環(huán)管儲熱水箱內(nèi)各層水溫升溫幅度都比較同步，升溫幅度比較小，最大升溫幅度不超1.5 ℃/10 min，水箱溫度分層不明顯，原因是上循環(huán)管在水箱上的位置比較低，在發(fā)生循環(huán)時(shí)，水箱內(nèi)冷熱水摻混程度更高，導(dǎo)致水箱內(nèi)部水溫升高比較均勻一致.

圖6 高位和低位上循環(huán)管的循環(huán)瞬時(shí)效率曲線

Fig.6 Instantaneous efficiency curve of upper connecting tube at high and low position

圖6是儲熱水箱采用高位和低位上循環(huán)管時(shí)熱水器的自然循環(huán)瞬時(shí)效率曲線.兩種循環(huán)管下的循環(huán)瞬時(shí)效率都是先增加后減少，直至水箱降溫出現(xiàn)負(fù)的循環(huán)瞬時(shí)效率.由圖可看出：達(dá)到系統(tǒng)平衡溫度前，高位上循環(huán)管熱水器瞬時(shí)循環(huán)效率要比低位上循環(huán)管熱水器循環(huán)瞬時(shí)效率高，尤其高位上循環(huán)管在12∶39前的循環(huán)效率明顯高于低位上循環(huán)管，效率差值最大達(dá)到15%.原因是水箱各層水溫升溫幅度并不同步，存在一定的先后順序，采用上循環(huán)管的水箱內(nèi)部有著更好地溫度分層.水箱下部的水溫保持在較低水平，可以保證較低溫度的水自然循環(huán)流入集熱器，因此集熱器入口溫度較低，效率相對較高.而低位上循環(huán)管在到達(dá)系統(tǒng)平衡溫度前，整個(gè)水箱內(nèi)水溫升高步調(diào)比較一致，導(dǎo)致熱水器瞬時(shí)效率較高位循環(huán)管下的瞬時(shí)集熱效率低.達(dá)到系統(tǒng)平衡溫度后，因?yàn)閮煞N循環(huán)管下的水箱內(nèi)冷熱水的摻混都比較劇烈，溫度分層程度都比較弱，所以兩種循環(huán)管下的集熱效率很接近.但是從總體來說高位上循環(huán)管熱水器的自然循環(huán)瞬時(shí)效率比低位上循環(huán)管熱水器的瞬時(shí)效率高.

4 結(jié) 論

搭建了平板型家用太陽能熱水器實(shí)驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)測試，分析了兩種上循環(huán)管位置對儲熱水箱溫度變化、分層和熱水器瞬時(shí)效率的影響.得出以下結(jié)論：

采用高位上循環(huán)管的水箱在到達(dá)系統(tǒng)平衡溫度前有較好的水溫分層.隨著上循環(huán)管在水箱上接口位置下移，水箱內(nèi)部水溫升高比較均勻一致，水箱內(nèi)水溫分層不明顯.到達(dá)系統(tǒng)平衡溫度后，兩種循環(huán)管下的水箱內(nèi)冷熱水的摻混劇烈，水溫分層程度減弱.

在到達(dá)系統(tǒng)平衡溫度前，高位上循環(huán)管熱水器的自然循環(huán)瞬時(shí)效率比低位上循環(huán)管熱水器高；而到達(dá)系統(tǒng)平衡溫度后，兩種循環(huán)管的水箱內(nèi)冷熱水的摻混程度一致，熱水器的自然循環(huán)瞬時(shí)效率很接近.因此，高位上循環(huán)管熱水器的自然循環(huán)瞬時(shí)效率比低位上循環(huán)管熱水器高.

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