DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1152 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0174-08

摘 要：為進(jìn)一步改善平板太陽(yáng)能集熱器（FPSC）冬季水溫提升能力的不足，通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)FPSC冬季運(yùn)行策略展開(kāi)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，分析不同運(yùn)行模式所對(duì)應(yīng)的集熱性能以及適用條件，為平板集熱器更高效利用提供參考方案。研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)螇KFPSC高流速運(yùn)行的集熱效率可達(dá)63.74%，各項(xiàng)熱性能指標(biāo)參數(shù)優(yōu)異，但水箱溫度偏低；串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的水溫提升能力較單塊模式顯著增強(qiáng)，全天溫升超過(guò)30 ℃，效率達(dá)到5.15%。其中，并聯(lián)系統(tǒng)的熱效率、對(duì)流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)分別為51.52%、41.95 W/（m2·K）、4.74 W/（m2·K），明顯優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)的45.33%、38.74 W/（m2·K）、4.81 W/（m2·K），集熱性能更佳；系統(tǒng)冬季低流速運(yùn)行將出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，同時(shí)水箱內(nèi)部溫度分層明顯；高流速運(yùn)行工況下，降低水箱容積將縮短有效集熱時(shí)間，無(wú)法充分吸收太陽(yáng)輻照能；增大水箱容積雖能減少集熱損失，但系統(tǒng)溫升下降造成熱能品質(zhì)降低。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；集熱器；熱能；；效率

中圖分類號(hào)：TK519"""""""""""" """"""""" """"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

平板太陽(yáng)能集熱器（flat plate solar collector， FPSC）是一種能采集與轉(zhuǎn)換太陽(yáng)輻照能的簡(jiǎn)易裝置，因其外形美觀、成本低廉、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)在可再生能源領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］，極大地滿足了熱水、采暖、制冷、干燥、烹飪、脫鹽等工藝的能源需求［2］。

水作為換熱工質(zhì)能存儲(chǔ)更多的熱能，因此吸引了學(xué)者們對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)［3-4］、運(yùn)行參數(shù)［5-6］、外部環(huán)境［7-8］等性能影響因素展開(kāi)大量的研究工作，以期實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效熱利用。除此以外，微型通道［9］、納米流體［10］、相變材料［11］等新型傳熱方式的提出則進(jìn)一步豐富了集熱器類型的選擇，但流動(dòng)阻力的增加會(huì)造成流體物理化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定，高昂的制作成本也將制約系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)合上述，F(xiàn)PSC無(wú)論是采用復(fù)雜的換熱結(jié)構(gòu)還是改變系統(tǒng)的運(yùn)行工況，其目的在于提升集熱效率。為產(chǎn)出高溫的清潔熱水，系統(tǒng)通常采取低流速或降容積的運(yùn)行策略以獲取更高的水流溫升。然而，低流速工況下隨著集熱過(guò)程的進(jìn)行，水箱內(nèi)部壓強(qiáng)逐漸增大甚至超過(guò)水泵出力從而影響到水的持續(xù)流動(dòng)。特別在冬季，較大的環(huán)境熱損失使得水箱與集熱管道間的壓差阻力更為明顯，斷流現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，水溫難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)的全年實(shí)用性需進(jìn)一步得到改善。不僅如此，中國(guó)建筑采用的平板太陽(yáng)能集熱器多為排管式換熱結(jié)構(gòu)，有關(guān)集熱器冬季高流速運(yùn)行的可行性研究以及提高水溫的針對(duì)性運(yùn)行策略也還少有提及，同時(shí)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的大面積聯(lián)用也將是太陽(yáng)能與建筑一體化發(fā)展的重要趨勢(shì)。

為解決上述問(wèn)題，本文首先對(duì)FPSC的單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種運(yùn)行模式展開(kāi)性能對(duì)比測(cè)試，結(jié)合對(duì)流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)、效率等數(shù)據(jù)全面地評(píng)估各運(yùn)行模式的工作特性；其次，借助并聯(lián)系統(tǒng)的流量實(shí)驗(yàn)闡述斷流現(xiàn)象的存在及特征，并驗(yàn)證系統(tǒng)高流速運(yùn)行的可行性；再次，通過(guò)調(diào)節(jié)水箱容積探究循環(huán)水量對(duì)系統(tǒng)效率與集熱性能的影響，找出定流速運(yùn)行的最佳配水量；最后，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)FPSC實(shí)際運(yùn)行策略提出優(yōu)選建議，以期為系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造升級(jí)提供實(shí)驗(yàn)參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

1.1 集熱器結(jié)構(gòu)與組件參數(shù)

FPSC的主要部件包括：玻璃蓋板、吸熱板、換熱銅管以及保溫邊框。其中，玻璃蓋板與吸熱板間留有25 mm的空氣夾層，7根豎排銅管通過(guò)激光焊接技術(shù)與吸熱板緊密貼合，F(xiàn)PSC整體構(gòu)造簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，底部及側(cè)面均采用聚酯棉保溫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。表1列出了各組件的規(guī)格參數(shù)。

1.2 測(cè)試平臺(tái)及運(yùn)行原理

測(cè)試平臺(tái)位于安徽建筑大學(xué)南校區(qū)（31°52′N，117°17′E），主要由集熱器本體及支架、水箱、氣象站等基本設(shè)備構(gòu)成。通過(guò)圖2a所示的實(shí)驗(yàn)裝置分布情況可知，集熱器朝南橫放置在傾角為35°的支撐架臺(tái)上，放置方式與日常生活中一致，以便實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供更高的實(shí)用價(jià)值；集熱管道的進(jìn)出口、水箱內(nèi)部沿高度方向均勻布置多個(gè)精密溫度傳感器用于傳輸水流溫度數(shù)據(jù)，取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)的平均值評(píng)價(jià)FPSC的工作性能；安裝在吸熱板前端、中間、尾部以及銅管與吸熱板焊接處的多組熱電偶則用于反饋銅管壁面全天溫度的實(shí)時(shí)變化。

FPSC的單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種不同工作模式的運(yùn)行是通過(guò)控制循環(huán)水管路上閥門(mén)的開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)試期間，串聯(lián)與并聯(lián)系統(tǒng)由2塊完全相同的FPSC組建而成，水流在增壓泵作用下以下進(jìn)上出的方式進(jìn)出集熱器。結(jié)合流程原理圖2b，不同運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)閉情況如下。單塊模式：開(kāi)啟閥門(mén)1、2，關(guān)閉閥門(mén)3、4、5、6；串聯(lián)模式：開(kāi)啟閥門(mén)1、4、5、6，關(guān)閉閥門(mén)2、3；并聯(lián)模式：開(kāi)啟閥門(mén)1、2、3、5、6，關(guān)閉閥門(mén)4。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)性能測(cè)試儀（TRM-2B，錦州陽(yáng)光氣象科技有限公司）的正常工作是實(shí)驗(yàn)開(kāi)展的重要保障，表2列出了系統(tǒng)所包含測(cè)量?jī)x器的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于風(fēng)速、濕度等環(huán)境參數(shù)可通過(guò)氣象站直接導(dǎo)出，而各測(cè)溫點(diǎn)的變化趨勢(shì)利用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)收集，更新頻率為60 s。

2 理論計(jì)算

2.1 集熱效率

太陽(yáng)輻照透過(guò)玻璃蓋板將能量傳遞至吸熱板，因此吸收的太陽(yáng)輻照能表達(dá)式為：

[Qsun=Aab?（τα）e?Sin=Aab?t1t2（GΔt）]" （1）

式中：[Qsun]——吸收的太陽(yáng)輻照能，MJ；[Aab]——吸熱板面積，對(duì)于串聯(lián)/并聯(lián)系統(tǒng)吸熱板面積為單塊FPSC面積的2倍，m2；[（τα）e]——有效透射率-吸收率乘積，簡(jiǎn)稱有效乘積；[Sin]——單位面積的入射輻照能量，MJ/m2；[t1、t2]、[Δt]——計(jì)算輻照量的起始、結(jié)束、系統(tǒng)全天運(yùn)行的時(shí)間，s；[G]——瞬時(shí)有效輻照度，W/m2。

對(duì)于有效乘積[（τα）e]的補(bǔ)充為：

[（τα）e=（τα）+（1-τa）i=1naiτi-1]" （2）

式中：[τ、τa]——最外層玻璃蓋板的透射率；[α]——吸熱面的吸收率；ai——頂部損失系數(shù)[Ut]與第[i]層玻璃蓋板到環(huán)境熱損失系數(shù)之比，即[ai=Ut/Ue，i-a]，受吸熱面溫度、環(huán)境溫度、吸熱面發(fā)射率以及風(fēng)速等因素的影響，本文集熱器為單層玻璃蓋板結(jié)構(gòu)。

FPSC熱效率定義為：

[ηi=Mi?Cw?ΔTQsun=Mi?Cw?（Tmax-Tmin）t1t2G?Aab] （3）

式中：[ηi]——熱效率，分為系統(tǒng)熱效率[ηst]、水箱熱效率[ηnet]，%；[Mi]——循環(huán)水質(zhì)量，分為系統(tǒng)內(nèi)水的總質(zhì)量[Mst]、水箱內(nèi)水的總質(zhì)量[Mnet]，kg；[Cw]——水的比熱容，J/（kg·K）；[Tmax]、[Tmin]——水流的最高和最低溫度，K。

熱損失率用來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的集熱程度，計(jì)算式為：

[ξ=Qsun-QwQsun]""""" （4）

式中：[ξ]——熱損失率，%；[Qw]——全天吸熱量，J。

效率能反映能量品質(zhì)的高低，計(jì)算簡(jiǎn)化為：

[Eth=m?Cw?（To-Ti）-Tamb?lnToTi] （5）

[Esun=ψ?Aab?G=1-43TambTsun+13TambTsun4?Aab?G]""""" （6）

[εth=t1t2Etht1t2Esun=Mnet?Cw?（Tmax-Tmin）-Tamb?lnTmaxTminψ?Qsun]""""" （7）

式中：[Eth]——單位時(shí)間的熱量，W；[m]——水的質(zhì)量流量，kg/s；[Ti、To]——水流瞬時(shí)進(jìn)、出口水溫度，K；[Tamb]——環(huán)境溫度，K；[Esun]——單位時(shí)間的輻照，W；[ψ]——輻照系數(shù)，%；[Tsun]——太陽(yáng)假設(shè)為黑體的等效溫度，取5777 K。

2.2 傳熱分析

傳熱分析基于以下兩點(diǎn)假設(shè)：

1）由于銅管尺寸較小且與吸熱板緊密貼合，因此假設(shè)對(duì)流換熱過(guò)程中，銅管壁面溫度近似等于對(duì)應(yīng)處吸熱板溫度。

2）換熱面積近似為銅管的表面積。

循環(huán)水通過(guò)與銅管壁進(jìn)行對(duì)流傳熱獲取熱量，單位時(shí)間內(nèi)熱傳遞量的計(jì)算如式（8）～式（12）所示：

[Qc=Qw/t]""""" （8）

[Qc=hc?Atube?（Tp-Tw）] （9）

[m?Cw?（To-Ti）=hc?Atube?（Tp-Tw）]""""" （10）

[Tw=To+Ti2]" （11）

[Tp=T1+T2+T33]"" （12）

式中：[Qc]——單位時(shí)間的對(duì)流換熱量，W；[t]——系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，s；[hc]——對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Atube]——過(guò)流斷面面積，取7根銅管橫截面積，m2；[Tp]——銅管與吸熱板銜接處3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度平均值，K；[Tw]——水流平均溫度，K。

化簡(jiǎn)后對(duì)流換熱系數(shù)的一般計(jì)算式為：

[hc=m?Cw?（To-Ti）Atube?（Tp-Tw）]"""""" （13）

對(duì)于圓銅管需補(bǔ)充計(jì)算式（14）、式（15）：

[Atube=π?De?Ltube]""""" （14）

[De=4R=4Atubeχ]"""""" （15）

對(duì)流換熱系數(shù)的平均值表示為：

[ha=t1t2hcN]" （16）

式中：[De、R]——水力直徑、水力半徑，m；[Ltube]——銅管長(zhǎng)度，m；[χ]——過(guò)流壁面上流體與固體接觸的周界，即濕周（注：銅管內(nèi)是滿水流動(dòng)，濕周取銅管圓周長(zhǎng)），m；[N]——數(shù)量。

銅管內(nèi)水的流動(dòng)狀態(tài)通過(guò)雷諾數(shù)判斷：

[Re=vρDeμ]"""""" （17）

式中：[v]——水流速度，m/s；[ρ]——流體密度，kg/m3；[μ]——流體黏度，Pa·s。

FPSC主要通過(guò)頂部（[Ut]）、底部（[Ub]）和側(cè)面（[Ue]）向周圍環(huán)境傳遞熱量，總的熱損失系數(shù)計(jì)算方法如式（18）所示：

[Uo=Ut+Ub+Ue]""" （18）

根據(jù)文獻(xiàn)［12］的經(jīng)驗(yàn)公式，單層玻璃蓋板集熱器的頂部熱損失系數(shù)按式（19）～式（23）計(jì)算。

[Ut=1hw+1CTabsTabs-Tamb1+fe-1+"""""""" σ（Tabs+Tamb）（Tabs2+Tamb2）（εabs+0.00591hw）-1+1+f+0.133εabsεg-1]"""""" （19）

其中，經(jīng)驗(yàn)因子[C、e、f]的計(jì)算過(guò)程通過(guò)式（20）～式（22）開(kāi)展：

[C=520（1-0.00005β2）] （20）

[e=0.431-100Tabs] （21）

[f=1.07866?[1+（0.089-0.1166εabs）hw]]"""""" （22）

[hw=5.7+3.8Vw]"" （23）

式中：[hw]——玻璃蓋板頂部與外部環(huán)境的對(duì)流、輻射換熱總系數(shù)，W/（m2·K）；[Tabs]——吸熱板溫度，K；[σ]——Stefan Boltzmann常數(shù)，取值5.67×10-8 W/（m2·K4）；[εabs]——吸熱板發(fā)射率，取0.1；[εg]——玻璃蓋板發(fā)射率，取0.88；[β]——集熱器傾角，本實(shí)驗(yàn)為35°；[Vw]——環(huán)境風(fēng)速，m/s。

底部和側(cè)面熱損失通過(guò)式（24）、式（25）計(jì)算：

[Ub=κiδb]"" （24）

[Ue=κiδe?AeAab]"" （25）

式中：[κi]——隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[δb]、[δe]——底部和側(cè)面聚酯棉厚度，m；[Ae]——集熱器兩邊的側(cè)面積，m2。

2.3 不確定性分析

計(jì)算不確定度是為了找出測(cè)量過(guò)程以及儀器精度所引起的誤差，參數(shù)不確定度的計(jì)算原理為：

[Er=?r?x1?A12+?r?x2?A22+???+?r?xn?An12]""""" （26）

式中：[r]——一般變量；[x1，x2，···，xn]——自變量；A1， A2， ···， An——因變量的不確定性。

熱效率及效率的不確定度采用式（27）～式（30）計(jì)算：

[ΔQwQw=ΔMM2+ΔTmaxTmax2+ΔTminTmin12"""""""""""""""""""" =ΔMM2+2?ΔTT212]""""" （27）

[ΔQsunQsun=ΔII2+ΔAabAab212]""" （28）

[Δηthηth=ΔQwQw2+ΔQsunQsun212×100%"""""""" =（0.03）2+2?（0.02）2+（0.02）2+（0.01）212×100%=4.69%]

（29）

[Δεexεex=ΔQwQw2+ΔQsunQsun2+ΔTaTa212×100%""""""" =（0.03）2+2?（0.02）2+（0.02）2+（0.01）2+（0.01）212×100%"nbsp;""""" =4.80%]" （30）

進(jìn)一步地，對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)與頂部熱損失系數(shù)的誤差計(jì)算通過(guò)式（31）、式（32）進(jìn)行：

[Δhh=Δmm2+ΔAtubeAtube2+ΔTT212×1 00%"""""" =（0.03）2+（0.01）2+（0.02）212×100%=3.74%]""" （31）

[ΔUtUt=ΔVwVw2+ΔTT2+ΔT2T2212×100%""""""" =（0.005）2+（0.02）2+（0.022）212×100%=2.06%] （32）

各項(xiàng)測(cè)量參數(shù)的不確定性計(jì)算結(jié)果均在2%～5%之間，由此表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度是可信的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 FPSC不同運(yùn)行模式實(shí)驗(yàn)

2022年1月1—3日開(kāi)展FPSC單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種不同運(yùn)行模式的性能對(duì)比測(cè)試，考慮到冬季環(huán)境溫度較低，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間為每天09：00，對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)變化曲線如圖3所示。實(shí)驗(yàn)前期，循環(huán)流速、水箱容積分別設(shè)定為0.15 kg/s、140 L，輻照度、風(fēng)速等參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后在表3中列出。由于數(shù)據(jù)處理的取值區(qū)間為水箱全天最低與最高溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，因此表中會(huì)出現(xiàn)日均輻照度高，而輻照總量低的現(xiàn)象，表明系統(tǒng)全天有效集熱時(shí)間較短。對(duì)比可知，3種模式環(huán)境因素的影響較為接近，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比信度、參考價(jià)值可得到有效保證。

通過(guò)圖4所示的吸熱板和水箱溫度變化趨勢(shì)可見(jiàn)，吸熱板在無(wú)水工況下的溫度明顯高于有水工況，12：05時(shí)吸熱板溫度達(dá)到最高，為117.60 ℃，全天平均溫度為92.14 ℃；而吸熱板溫度（有水）的全天平均值僅有59.69 ℃，最高溫度出現(xiàn)在12：33，為79.70 ℃。分析可知，兩種工況下吸熱板間的溫差是由于水流動(dòng)吸熱造成的，吸熱板溫度更低表明更多的熱量被收集，因此集熱過(guò)程中如何維持吸熱板溫度處于較低水平是提高集熱效率的重要途徑。結(jié)合圖4還可發(fā)現(xiàn)，單塊FPSC運(yùn)行，水箱溫度從最初的8.25 ℃提升至最高的31.92 ℃，全天溫升23.67 ℃，系統(tǒng)熱效率達(dá)到63.74%，系統(tǒng)在冬季的集熱性能表現(xiàn)優(yōu)異。

基于表3中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，表4匯總了不同運(yùn)行模式的測(cè)試結(jié)果，由表4可知，單塊模式的對(duì)流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)分別為3種模式中的最大值47.08 W/（m2·K）和最小值4.66 W/（m2·K），由此可見(jiàn)單塊FPSC的傳熱效果最佳，這一點(diǎn)通過(guò)對(duì)比熱損失率也可得到驗(yàn)證。此外，系統(tǒng)選擇高流速運(yùn)行（0.15 kg/s），而未選擇低流速運(yùn)行，是為進(jìn)一步增強(qiáng)水流與銅管壁面的對(duì)流換熱，使得水流在銅管內(nèi)為紊態(tài)流動(dòng)，增大換熱量的同時(shí)降低吸熱板溫度，從而達(dá)到增大對(duì)流換熱系

數(shù)、提升集熱效率的目的。進(jìn)一步結(jié)合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雖然單塊運(yùn)行模式的水箱熱效率可達(dá)到52.49%，但不足之處在于最終水溫未超過(guò)32 ℃，尚未達(dá)到淋浴水溫，還需借助輔助熱源才能滿足用熱需求，這將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性大大降低，因而對(duì)FPSC冬季運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化是十分有必要的。

表4中串聯(lián)、并聯(lián)模式運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)PSC的串聯(lián)或并聯(lián)系統(tǒng)能大幅提高水箱溫升，可有效改善單塊FPSC運(yùn)行集熱能力的欠缺，水溫至少可多提高7.09 ℃。不僅如此，串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的效率要高于單塊模式，更高的熱能品質(zhì)拓寬了系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的熱損失率相比于單塊FPSC明顯增大，這主要與集熱面積的大幅增加有關(guān)，這也導(dǎo)致了串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)流換熱系數(shù)的降低和熱損失系數(shù)的升高。值得注意的是，并聯(lián)系統(tǒng)的吸熱板溫度要低于串聯(lián)系統(tǒng)1.45 ℃，說(shuō)明近似工況下，并聯(lián)系統(tǒng)能吸收更多的輻照能量用以提升水溫，兩者集熱效率的差異也表明串聯(lián)系統(tǒng)的熱量損失更大，而并聯(lián)系統(tǒng)的集熱能力更為突出。

聯(lián)系實(shí)際，F(xiàn)PSC一般安裝于建筑的南墻陽(yáng)臺(tái)，此處的長(zhǎng)度空間一般可達(dá)3～4 m，因此完全可將FPSC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)增加集熱面積、延長(zhǎng)換熱管道等方式提高現(xiàn)有FPSC的集熱水平。由于并聯(lián)系統(tǒng)的集熱性能優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)，在保證集熱面積的前提下將管道結(jié)構(gòu)改為并聯(lián)模式是可取的，但需考慮并聯(lián)系統(tǒng)將會(huì)消耗更多的銅管材料，制造成本必然高于只需延長(zhǎng)管道長(zhǎng)度的串聯(lián)系統(tǒng)。綜上，冬季用熱溫度不高的區(qū)域建議采用串聯(lián)系統(tǒng)，而如果需要更高的熱能品質(zhì)，并聯(lián)系統(tǒng)更為合適，改造后的系統(tǒng)將大幅提升水溫，并實(shí)現(xiàn)全年的高效集熱。

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)性能驗(yàn)證

2021年12月20—22日對(duì)FPSC并聯(lián)系統(tǒng)展開(kāi)變流量實(shí)驗(yàn)，旨在通過(guò)集熱性能的數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證系統(tǒng)高流速運(yùn)行的可行性。實(shí)驗(yàn)中，水箱容積為160 L，循環(huán)流速?gòu)?.05 kg/s增加至0.15 kg/s。此外，23、29日還開(kāi)展了定流量工況下并聯(lián)系統(tǒng)不同水箱容積的性能測(cè)試，并結(jié)合流量實(shí)驗(yàn)對(duì)比優(yōu)化系統(tǒng)冬季運(yùn)行的最佳循環(huán)水量。實(shí)驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)的處理結(jié)果如表5所示。

圖5反映了并聯(lián)系統(tǒng)不同流速工況下吸熱板與水箱溫度的變化情況。可看出，流速0.15 kg/s對(duì)應(yīng)的吸熱板溫度明顯低于0.05 kg/s的流速工況，表明同等的循環(huán)水體積，高流速運(yùn)行能吸收更多的熱量。進(jìn)一步結(jié)合圖5可知，系統(tǒng)以0.05 kg/s流速運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。這是由于隨著集熱過(guò)程的進(jìn)行，水流溫度不斷升高，水箱內(nèi)部壓強(qiáng)逐漸增大阻礙水的循環(huán)流動(dòng)所造成的。直至水流壓力恢復(fù)正常，水箱內(nèi)低溫的水再次流過(guò)吸熱板，使得吸熱板溫度大幅降低，因而出現(xiàn)了圖5中的斷流階段。由此可見(jiàn)，F(xiàn)PSC冬季采取低流速運(yùn)行并不是合理的選擇，反而會(huì)造成大量熱能的浪費(fèi)。相比而言，高流速運(yùn)行，吸熱板溫度能維持在較低的溫度，全天變化較為穩(wěn)定，同時(shí)可避免斷流現(xiàn)象的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換。

水箱內(nèi)部設(shè)置的5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)用于監(jiān)測(cè)不同高度段水流的溫度變化，由于水箱采用下出上進(jìn)的方式，因此頂部熱電偶的溫度示數(shù)更高。對(duì)比表6的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)低流速運(yùn)行，水箱內(nèi)部溫度分層現(xiàn)象十分明顯，原因在于低流速運(yùn)行對(duì)應(yīng)的水循環(huán)動(dòng)力較小，所以回流的熱水對(duì)水箱內(nèi)水體的擾動(dòng)性不足致使水體間的換熱效果較差，測(cè)點(diǎn)間的溫差因此增大；對(duì)于高流速運(yùn)行，較強(qiáng)的流體驅(qū)動(dòng)力使得水體間內(nèi)部換熱更為充分，溫度場(chǎng)更加均勻，因此測(cè)點(diǎn)溫度較為接近。

通過(guò)并聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表7可知，增大工作流速，吸熱板溫度明顯下降，對(duì)流換熱系數(shù)得到提高，并降低了熱損失系數(shù)，同時(shí)熱效率和效率大幅的提升也意味著能量收集的品質(zhì)更高，顯著改善系統(tǒng)的集熱性能，因此高流速運(yùn)行方案是FPSC冬季提高集熱水溫的可參考措施。與此同時(shí)，對(duì)比第3、4、5組以及表4中并聯(lián)數(shù)據(jù)的結(jié)果可知，高流速運(yùn)行條件下水箱容積的大小影響著集熱效果。第5組實(shí)驗(yàn)中，水箱容積為120 L，其對(duì)流換熱系數(shù)最低僅為35.55 W/（m2·K），而熱損失系數(shù)達(dá)到了5.35 W/（m2·K），熱損失率為55.91%，且實(shí)驗(yàn)當(dāng)天水箱溫度于14：58時(shí)便達(dá)到最高值，有效集熱時(shí)間較對(duì)照實(shí)驗(yàn)組提前近30 min結(jié)束，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性顯然不足。第4組實(shí)驗(yàn)中，水箱容積增加至180 L，雖吸熱板溫降到了最低的60.74 ℃，但水箱溫升是同等工況下最低的，熱能的品質(zhì)出現(xiàn)下降。相對(duì)而言，將水箱容積設(shè)置為

160 L，對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)傳熱性能參數(shù)均為對(duì)比組中的最高值，運(yùn)行過(guò)程熱量損失程度最小，收集熱量的等效電能可達(dá)8.68 kWh，節(jié)能效益顯著，160 L的水量能滿足日常家庭冬季淋浴用熱需求。因此，定流速工況下循環(huán)水量的對(duì)照實(shí)驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)一步優(yōu)化FPSC的冬季運(yùn)行策略。

4 結(jié) 論

本文對(duì)FPSC的3種運(yùn)行模式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析系統(tǒng)的集熱性能，得到以下主要結(jié)論：

1）FPSC單塊模式的集熱效率明顯高于串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)，較低的吸熱板溫度以及熱損失系數(shù)展現(xiàn)出更佳的集熱性能，但水箱溫度相對(duì)偏低。

2）串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的水溫提升能力較單塊模式顯著提高，其中并聯(lián)系統(tǒng)的熱性能參數(shù)更優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)。

3）對(duì)于并聯(lián)系統(tǒng)，低流速運(yùn)行將會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，同時(shí)水箱內(nèi)部溫度分層明顯，不利于系統(tǒng)高溫?zé)崴睦?；提高運(yùn)行流速，系統(tǒng)的運(yùn)行的平穩(wěn)性得到大幅提升，高流速相比于低流速更能提高集熱效率。

4）高流速（0.15 kg/s）條件下，循環(huán)水量的不同影響著系統(tǒng)的工作性能，降低水箱容積運(yùn)行將縮短有效集熱過(guò)程，無(wú)法充分吸收太陽(yáng)輻照能；增大水箱容積運(yùn)行雖能減少集熱損失，但系統(tǒng)溫升下降熱能品質(zhì)出現(xiàn)降低。水量160 L，系統(tǒng)集熱量最大，可等效節(jié)能8.68 kWh。

5）針對(duì)建筑物南墻陽(yáng)臺(tái)的長(zhǎng)度，在保證充分利用集熱面積的前提下，建議進(jìn)一步優(yōu)化FPSC運(yùn)行策略。根據(jù)用熱需求，集熱管道可改造為并聯(lián)或串聯(lián)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)FPSC全年的高效熱利用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" FAISAL AHMED S， KHALID M， VAKA M， et al. Recent progress in solar water heaters and solar collectors： a comprehensive review［J］. Thermal science and engineering progress， 2021， 25： 100981.

［2］"""" VENGADESAN E， SENTHIL R. Experimental thermal performance and enviroeconomic analysis of serpentine flow"" channeled"" flat"" plate""" solar""" water""" collector［J］. Environmental science and pollution research， 2022， 29（12）： 17241-17259.

［3］"""" BARBOSA E G， DE ARAUJO M E V， DE MORAES M J， et al. Influence of the absorber tubes configuration on the performance of low cost solar water heating systems［J］. Journal of cleaner production， 2019， 222： 22-28.

［4］"""" 范滿， 由世俊， 張歡， 等. V型多通道平板太陽(yáng)能集熱器的熱性能研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（1）： 478-483.

FAN M， YOU S J， ZHANG H， et al. Study on thermal performance of V-corrugated flat plate solar collector［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（1）： 478-483.

［5］"""" GARCIA R P， DEL RIO OLIVEIRA S， SCALON V L. Thermal efficiency experimental evaluation of solar flat plate collectors when introducing convective barriers［J］. Solar energy， 2019， 182： 278-285.

［6］"""" 張立琋， 王康博， 賈奕， 等. 非金屬管式平板太陽(yáng)能集熱器研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（1）： 497-502.

ZHANG L X， WANG K B， JIA Y， et al. Research on non-metallic tubular flat plate solar collector［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（1）： 497-502.

［7］"""" HOHNE P A， KUSAKANA K， NUMBI B P. A review of water heating technologies： an application to the South African context［J］. Energy reports， 2019， 5： 1-19.

［8］"""" 楊魯偉， 李明， 王富強(qiáng)， 等. 平板太陽(yáng)能集熱器熱損系數(shù)及穩(wěn)定性研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（2）： 268-275.

YANG L W， LI M， WANG F Q， et al. Research on heat loss coefficient and stability for flat-plate solar collectors［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（2）： 268-275.

［9］"""" MOSS R W， SHIRE G S F， HENSHALL P， et al. Optimal passage size for solar collector microchannel and tube-on-plate absorbers［J］. Solar energy， 2017， 153： 718-731.

［10］""" AKRAM N， MONTAZER E， KAZI S N， et al. Experimental investigations of the performance of a flat-plate solar collector using carbon and metal oxides based nanofluids［J］. Energy， 2021， 227： 120452.

［11］""" WANG D J， WANG X W， CHEN Y Y， et al. Experimental study on performance test of serpentine flat plate collector with different pipe parameters and a new phase change collector［J］. Energy procedia， 2019， 158： 738-743.

［12］""" KLEIN S A. Calculation of flat-plate collector loss coefficients［J］. Solar energy， 1975， 17（1）： 79-80.

EXPERIMENT ON OPTIMIZATION OF OPERATION STRATEGY AND COMPARATIVE STUDY ON THERMAL PERFORMANCE OF

FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR IN WINTER

Fang Hao1，Ma Jinwei1，Chen Qianqian1，Chen Haifei2，Luo Chenglong3，Du Tao4

（1. School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China；

2. School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou 213016， China；

3. School of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；

4. College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China ）

Abstract：In order to further enhance the ability of the flat plate solar collector （FPSC） to improve the water temperature in winter，a series of experiments on the winter operation strategy of the FPSC were conducted through building experimental platform，and the heating performance as well as the applicable conditions corresponding to different operation modes，which provided a reference for the more efficient utilization of FPSC. The experimental results show that the thermal efficiency of the single FPSC can reach 63.74% under the high mass flow rate，and the index parameters of the thermal performance are excellent. However，the temperature of the water tank is low. The water temperature rise capacity of the series or parallel system is significantly higher than that of the single mode. The temperature rise exceeds 30 ℃ throughout the day，and the exergy efficiency is up to 5.15%. The thermal efficiency，convective heat transfer coefficient，and heat loss coefficient of the parallel system are 51.52%，41.95 W/（m2·K），and 4.74 W/（m2·K），respectively，which are significantly better than those of the series system， which are 45.33%，38.74 W/（m2·K），and 4.81 W/（m2·K），and the thermal performance of the parallel system is better. The operation of the system under the low mass flow rate in winter will lead to the occurrence of water flow cut-off. The internal temperature of the water tank is stratified，which is not conducive to employing high-temperature hot water. Moreover，under the high mass flow rate conditions of FPSC， reducing the water volume will shorten the available heating time and fail to absorb solar irradiation fully. Although increasing the water volume can reduce the heating loss，the temperature rise of the system will decrease，resulting in a decrease in the quality of thermal energy.

Keywords：solar energy； solar collectors； thermal energy； exergy； collector efficiency

收稿日期：2022-08-01

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳高校研究生科學(xué)研究項(xiàng)目（YJS20210503）；中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀中外青年交流計(jì)劃（2019）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

（51906020）；安徽省教育廳高校優(yōu)秀拔尖人才培育項(xiàng)目（2020）

通信作者：馬進(jìn)偉（1986—），男，博士、副教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事太陽(yáng)能綜合利用方面的研究。majw@mail.ustc.edu.cn