邢蕾 XING Lei；王瑩 WANG Ying

（銀川能源學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

普通太陽能熱水器，是采用虹吸原理的一次換熱系統(tǒng)，太陽能加熱水箱中的水，達(dá)到適宜溫度后，用戶無需換熱即可直接使用。這種使用方式，存在用水反復(fù)加熱、滋生細(xì)菌、不防凍等弊端。 二次換熱式太陽能熱水器供給用戶的水是進(jìn)行了熱量交換的水，其中貯水箱中的水將作為熱量載體使用，用水通過換熱設(shè)備將貯水箱中水的熱量進(jìn)行置換，即形成了二次換熱式太陽能熱水器。二次換熱式太陽能熱水器可解決一次用水長期蒸煮、滋生細(xì)菌等問題。

1 二次換熱式全玻璃真空管熱水器

1.1 全玻璃真空管結(jié)構(gòu)

全玻璃真空集熱管由里面和外面雙層玻璃管組成，外管透明，而內(nèi)管表面涂有吸收太陽輻射能量的吸收膜，內(nèi)管和外管之間是真空的，就像家用的保溫水瓶，如圖1 所示，它的兩端，一端開口，一端無開口，集熱管的內(nèi)外管都是環(huán)狀形密封在一起的，形成真空。沒有開口的這一端是以半橢圓球狀密封的，用可以自由伸縮的彈簧支撐卡片來作為內(nèi)外管的支撐，目的是防止管子的熱脹冷縮。彈簧卡片上有吸收氣體的物料，當(dāng)有氣體出現(xiàn)時(shí)，此物料就會(huì)將其吸收，進(jìn)而在管內(nèi)保持真空。

圖1 全玻璃真空集熱管

1.2 全玻璃真空管工作原理

集熱器把太陽輻射到內(nèi)玻璃管上的吸熱膜上的熱量。然后熱量又傳遞給內(nèi)管中的傳熱介質(zhì)。因?yàn)閮晒荛g是被抽真空的，所以熱量損失很小，其加熱效率很高。

2 二次換熱理論在家用太陽能熱水器中的應(yīng)用

2.1 普通家用式太陽能熱水器存在的問題

①不防凍：銀川地區(qū)冬季室外平均溫度在-15℃左右，全玻璃真空集熱器易凍裂。②易結(jié)垢：集熱管內(nèi)空間狹窄，水流速度較慢，銀川地區(qū)自來水水質(zhì)較差，集熱器易結(jié)垢。

2.2 二次換熱式太陽能熱水器優(yōu)化方案

二次換熱系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)與貯水箱的水隔開，傳熱工質(zhì)吸收熱量后通過熱交換器將熱量傳遞給貯水箱中的水[1]。由于二次換熱家用式全玻璃真空管太陽能集熱器結(jié)構(gòu)緊湊，貯水箱在保證有一定儲(chǔ)水量的前提下還必須與熱水系統(tǒng)裝置結(jié)合為一體，綜合考量整體結(jié)構(gòu)、換熱器熱性能和成本以及傳熱工質(zhì)高效不結(jié)垢的等因素。擬采用在直插式全玻璃真空管熱水器外水箱內(nèi)增設(shè)一個(gè)偏心不銹鋼套筒，作為熱交換器使用；采用乙二醇溶液代替水作為傳熱工質(zhì)，防止集熱管凍裂。

3 儲(chǔ)能熱水系統(tǒng)

一般的二次換熱式熱水系統(tǒng)沒有儲(chǔ)能部分，在陰雨天氣熱水無法供應(yīng)，若加設(shè)儲(chǔ)能部分，在陰雨天將儲(chǔ)能材料中的熱量置換出來用以加熱用水，從而解決陰雨天熱水供給問題。

3.1 儲(chǔ)能機(jī)理

在光照充足的天氣情況下，當(dāng)貯水箱滿足水溫要求時(shí)，可將多余的熱量通過二次換熱的形式存儲(chǔ)于相變材料中，在需要時(shí)通過換熱器將儲(chǔ)能相變材料中的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到盤管熱水中[2]。

一般的太陽能熱水系統(tǒng)都是用水來作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的，設(shè)備占地面積較大，耗材高。如果采用特殊的相變材料作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，會(huì)大大減小設(shè)備的體積、縮短建設(shè)周期、減少投資成本。本文擬通過計(jì)算系統(tǒng)的熱負(fù)荷，采光面積等，進(jìn)行儲(chǔ)能式太陽能熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)的性能和儲(chǔ)熱效果進(jìn)行評(píng)估和分析。

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)是在銀川地區(qū)進(jìn)行的，在日照充分的條件下儲(chǔ)存能量，在陰天的時(shí)候，把相變儲(chǔ)能材料中的熱量傳遞給水箱用水。

該實(shí)驗(yàn)中貯水箱的裝水量為120 升，加設(shè)了儲(chǔ)能設(shè)備，用肉豆蔻酸作為相變儲(chǔ)能材料。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還有循環(huán)水泵，利用溫差控制加熱部分循環(huán)回路。

控制閥門1 常開，控制閥門2 常閉，當(dāng)T1-T2≥7℃時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵，當(dāng)T2達(dá)到55℃時(shí)，關(guān)閉電磁閥1，啟動(dòng)電磁閥2，當(dāng)T1-T3≤5℃時(shí)，停止循環(huán)泵運(yùn)行。T1、T2、T3連接控制器，系統(tǒng)循環(huán)水流量為0.045-0.06L/s。

圖2 儲(chǔ)能式太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

實(shí)驗(yàn)裝置中增加了儲(chǔ)能箱，利用集熱器加熱貯水箱中的水，當(dāng)貯水箱中的水達(dá)到一定的溫度要求后，用多余的熱量加熱儲(chǔ)能箱中的相變材料。在天氣情況不利的時(shí)候，通過盤管式換熱器利用相變材料存儲(chǔ)的熱量加熱用水實(shí)現(xiàn)二次換熱。

3.2.1 熱水系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

銀川市處于中溫帶大陸性氣候，緯度是38°47′。平均日輻射量18.923MJ。在本實(shí)驗(yàn)中每天的生活用水為160升55℃的熱水。實(shí)驗(yàn)中的貯水的存水量為120 升，剩余40升熱水熱量利用儲(chǔ)能箱進(jìn)行熱量儲(chǔ)存。以10℃為水箱的開始水溫，在這整個(gè)熱水加熱過程中，當(dāng)集熱管里面的水溫和貯水箱中的水溫相差大于7℃以上時(shí)，自動(dòng)開啟加熱直接系統(tǒng)熱水的循環(huán)回路，讓貯水箱中的水在集熱管中循環(huán)，讓其進(jìn)行加熱，一直把貯水箱中的120 升水從10℃加熱到55℃。在自動(dòng)關(guān)閉該回路，然后開啟儲(chǔ)能部分的加熱回路，當(dāng)出現(xiàn)集熱管中熱水的溫度和儲(chǔ)能相變材料的溫度之間小于4℃的時(shí)候，關(guān)掉該回路，重新開啟直接系統(tǒng)的集熱回路，這樣進(jìn)行往復(fù)加熱循環(huán)。

水箱的開始水溫為10℃，而該實(shí)驗(yàn)中需要加熱的溫度為55℃。所以ΔT=30℃。根據(jù)式太陽能熱水系統(tǒng)熱負(fù)荷的計(jì)算公式：

式中，Q：家用式太陽能熱水器系統(tǒng)的熱負(fù)荷，kJ；

C：水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）

結(jié)合試驗(yàn)參數(shù)可計(jì)算出熱水系統(tǒng)的熱負(fù)荷，如表1所示。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)熱負(fù)荷

3.2.2 采光面積計(jì)算

在本次實(shí)驗(yàn)中的熱水系統(tǒng)分為兩部分，其中二次換熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷是22572 kJ，直接系統(tǒng)熱負(fù)荷是7524kJ。

采光面積根據(jù)集熱器采光面積公式：

式中，A：太陽能集熱器集熱面積，m2；

Q：熱水系統(tǒng)的熱負(fù)荷，kJ；

JT：集熱器上月均太陽輻射量，kJ/m2；

ηcd：集熱器全日集熱效率，無量綱，國際經(jīng)驗(yàn)值取0.45~0.60；

ηL：管道及儲(chǔ)水箱熱損失率，無量綱，國際經(jīng)驗(yàn)值取0.20~0.25；

取銀川當(dāng)?shù)啬昶骄蛰椛淞縅T為18923kJ/m2；取ηcd=0.50，ηL=0.20。根據(jù)上述參數(shù)可得出采光面積。見表2 所示。

表2 直接系統(tǒng)集熱器采光面積

間接系統(tǒng)和直接系統(tǒng)相比，集熱器的效率較低。因?yàn)殚g接系統(tǒng)需要進(jìn)行中間換熱，就會(huì)造成能量的損失。所以間接系統(tǒng)的集熱器面積需要補(bǔ)償。取ηcd=0.40；ηL=0.30，依據(jù)公式（2）進(jìn)行計(jì)算，得出采光面積如表3 所示。

表3 二次換熱系統(tǒng)集熱器采光面積

3.2.3 儲(chǔ)能相變材料的選用

相變儲(chǔ)能材料將暫時(shí)不用的能量儲(chǔ)存起來，到需要時(shí)再將其釋放，從而可以緩解能量供與求之間的矛盾，節(jié)約能源[3]。此次實(shí)驗(yàn)中采用的相變儲(chǔ)能材料是肉豆蔻酸。

3.2.4 換熱器

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實(shí)現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備。換熱器采用銅管螺旋盤管換熱器。在儲(chǔ)能箱內(nèi)布置螺旋盤管，盤管從儲(chǔ)能材料中獲取熱量，加熱管內(nèi)的用水，然后將加熱的熱水送給用戶。

通過金屬導(dǎo)熱率的對(duì)比，選用銅作為換熱器材料。

表4 金屬熱傳導(dǎo)率對(duì)比表

換熱器采用螺旋盤管型，有利于增大換熱器的換熱面積，從而提高換熱器的換熱效率。

3.2.5 系統(tǒng)平均日效率和平均熱損系數(shù)測(cè)定

①系統(tǒng)平均日效率測(cè)定。

系統(tǒng)有效能量與集熱器集熱表面的輻射大小的比值就是平均日效率。系統(tǒng)中的有效能量就等于集熱器將貯水箱中初始水溫加熱到標(biāo)定水溫的熱量再加上儲(chǔ)能箱中儲(chǔ)熱材料所儲(chǔ)存下來的熱量。利用式（3）計(jì)算：

式中，ηd：平均日效率；

M1：貯水箱容水量，kg；

M2：儲(chǔ)能箱內(nèi)相變材料重量，kg；

H：相變材料熔解潛熱，kJ/kg；

cp：水的定壓比熱容，J/（kg·℃）；

cs：儲(chǔ)熱體固相比熱容，J/（kg·℃）；

c1：儲(chǔ)熱體液相比熱容，J/（kg·℃）；

t0：貯水箱起始水溫，℃；

t1：儲(chǔ)水箱終止水溫，℃；

t2：相變材料儲(chǔ)熱初始溫度，℃；

t3：儲(chǔ)能材料的相變溫度，℃；

t4：相變材料儲(chǔ)熱終止溫度，℃；

A：太陽能集熱器采光面積，m2；

HT：集熱器傾斜面上一天累積的太陽輻照量。

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，依據(jù)式（3）計(jì)算系統(tǒng)平均日效率如表5 所示。

表5 太陽能熱水器的平均日效率

②系統(tǒng)平均熱損系數(shù)測(cè)定。

因?yàn)樵谠搶?shí)驗(yàn)中集熱器加熱貯水箱中的水是沒有換熱的，是一次加熱，而儲(chǔ)能水箱的加熱系統(tǒng)是二次換熱的加熱系統(tǒng)。由式（4）~（6）分別計(jì)算單位時(shí)間，單位采光面積和平均熱損失。

式中，UL：平均熱損系數(shù)，W/（m2·℃）；

tm：平均貯水溫度，℃；

ta：平均環(huán)境溫度，℃；

Δτ：時(shí)間間隔，s。

公式中下標(biāo)的1、2、3、4 表示時(shí)間內(nèi)第幾次采集的數(shù)據(jù)。

結(jié)合表2 和表3 計(jì)算出兩系統(tǒng)的平均熱損失。計(jì)算結(jié)果如表6 和表7 所示。

表6 直接系統(tǒng)平均熱損失

表7 二次換熱系統(tǒng)平均熱損系數(shù)

根據(jù)式（3） 得出沒有儲(chǔ)能設(shè)備的平均日效率是45.27%。而加設(shè)儲(chǔ)能設(shè)備的平均日效率是52.03%。遠(yuǎn)高于其普通的沒有儲(chǔ)熱的系統(tǒng)。

儲(chǔ)能箱中的熱負(fù)荷為7524kJ，這些熱量可以把40 升的水從10℃加熱到55℃。如果使用普通的太陽能熱水器，這7524kJ 的熱量就會(huì)被浪費(fèi)，陰雨天氣使用的熱水只能采用其他的加熱方式，造成能源的浪費(fèi)。

4 二次換熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)越性

儲(chǔ)能設(shè)備的加裝，使得太陽能集熱熱水系統(tǒng)的平均日效率，從原來的45.27%提高到了52.03%，滿足了人們陰雨天氣熱水的供給要求，更大程度的利用了太陽能，減小了碳排放。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的是二次換熱儲(chǔ)能裝置，不但解決清潔用水問題還高效利用了多余熱量，改善了太陽能熱水器熱效率，體現(xiàn)了儲(chǔ)能式熱水系統(tǒng)使用的優(yōu)越性。