平板太陽(yáng)能集熱器性能研究*

張喜明于秀峰戰(zhàn)乃巖于立強(qiáng)

(1:吉林建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118;2:長(zhǎng)春中海地產(chǎn)有限公司，長(zhǎng)春 130021;3:青島理工大學(xué)，青島 266033)

太陽(yáng)能為人們所利用主要實(shí)現(xiàn)三種轉(zhuǎn)換，即:光—熱轉(zhuǎn)換，光—化學(xué)轉(zhuǎn)換和光—電轉(zhuǎn)換.其中，以光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)最為成熟.在太陽(yáng)能熱利用系統(tǒng)中，最先實(shí)用化的一般是太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)(包括太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)).目前，太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)主要集中在太陽(yáng)能熱水器的開(kāi)發(fā)和研制上，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)一般也多數(shù)集中在被動(dòng)式采暖系統(tǒng)上，對(duì)既能實(shí)現(xiàn)冬季供暖又能實(shí)現(xiàn)全年供熱水的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)研究較少.在這種背景下，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，提出了一種使用效率高、節(jié)能的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)—太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)(Solar Assisted Heat Pump)，此系統(tǒng)建設(shè)在原青島建筑工程學(xué)院的多功能熱泵實(shí)驗(yàn)室中[1－2].在非采暖季，可利用太陽(yáng)能集熱器和室內(nèi)供熱水箱向建筑物提供生活用水;在采暖季，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能直接供暖或與熱泵聯(lián)合供熱.課題組開(kāi)發(fā)了一種適合北方地區(qū)低溫平板太陽(yáng)能集熱器，并考察了在太陽(yáng)能直接供暖工況下的工作性能.

1 平板型太陽(yáng)能集熱器性能的研究

1.1 集熱器結(jié)構(gòu)

集熱器吸熱體采用鋼板式散熱器作為太陽(yáng)能集熱板，并對(duì)其表面進(jìn)行除銹、噴涂無(wú)光黑漆(吸收率α=0.9～0.98)，單片集熱板尺寸1600 mm×650 mm，透明蓋層采用單層浮法玻璃，玻璃蓋板尺寸1640 mm×1340 mm，厚度為5 mm，太陽(yáng)能透過(guò)率τ=0.88 ～ 0.91.集熱板背部巖棉厚度為 100 mm，側(cè)面巖棉厚度為50 mm.集熱器采用1.5 mm的普通熱軋薄鋼板作為殼體材料.平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1 平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要包括溫度測(cè)試系統(tǒng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)和流量測(cè)試系統(tǒng).

1.2.1 溫度測(cè)試系統(tǒng)

溫度測(cè)試系統(tǒng)由溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元、插入式模塊、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)組成.

(1)為研究系統(tǒng)的供熱性能以及系統(tǒng)各設(shè)備的工作性能，本實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置大量的溫度測(cè)點(diǎn).根據(jù)測(cè)溫范圍、熱電偶的靈敏度以及測(cè)量誤差的要求，選擇銅—康銅熱電偶作為溫度傳感器.本實(shí)驗(yàn)利用直流電弧焊裝置自制了24對(duì)銅—康銅熱電偶，然后對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定，得出各個(gè)熱電偶的溫度修正系數(shù)，并利用HP 34970 A數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元的定標(biāo)功能對(duì)測(cè)量值加以修正，從而提高了測(cè)量的精度;

(2)將制作和布置好的熱電偶正確地連接到模塊內(nèi)通道的測(cè)量螺旋端子上，利用RS－232接口及連接電纜使儀器與計(jì)算機(jī)的串行接口相連，通過(guò)前面板或遠(yuǎn)程接口操作進(jìn)行溫度測(cè)量設(shè)置.HP 34970 A數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元具有精確的測(cè)量能力、方便的數(shù)據(jù)記錄特性及靈活的數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)特性.儀器后部?jī)?nèi)置三個(gè)模塊插槽，實(shí)用于任何數(shù)據(jù)采集或開(kāi)關(guān)模塊的組合.可利用熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器及熱敏電阻來(lái)測(cè)量溫度，也可直接測(cè)量直流/交流電壓、電流、頻率和周期，并可存儲(chǔ)多達(dá)50000個(gè)帶有時(shí)間標(biāo)記的間隔掃描讀數(shù).通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的HP－IB或RS－232接口可將儀器與計(jì)算機(jī)連接，然后在Windows下運(yùn)行HP Bench Link Data Logger程序就可方便地進(jìn)行測(cè)試設(shè)置、采集和歸檔數(shù)據(jù)及對(duì)輸入的測(cè)試數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)顯示和分析;

(3)插入式模塊為HP 34901 A 20 t通道銜鐵繼電器多路轉(zhuǎn)換器.該模塊具有T/C補(bǔ)償功能，內(nèi)置式絕熱塊(熱電偶參考結(jié))，可在測(cè)量熱電偶時(shí)最大限度地減少因溫度梯度產(chǎn)生的誤差，測(cè)量誤差＜0.03℃.20個(gè)通道均切換HI和LO輸入，因此可為內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表提供完全隔離的輸入，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)每秒60個(gè)通道.

1.2.2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的測(cè)定

輻射測(cè)量的方法，是將入射到受光面的太陽(yáng)輻射能全部吸收，然后使之轉(zhuǎn)換成其他形式的能量并進(jìn)行測(cè)量.投射到集熱面上的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度(光譜范圍為0.3 μm～3 μm)由TBQ—2總輻射表按熱電效應(yīng)原理測(cè)定.感應(yīng)元件為表面涂有高吸收率黑色涂層的繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆.熱結(jié)點(diǎn)在感應(yīng)面上，冷結(jié)點(diǎn)位于機(jī)體內(nèi)，通過(guò)測(cè)量冷熱結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的溫差電勢(shì)即可換算得出太陽(yáng)輻射強(qiáng)度.為減小溫度的影響，表內(nèi)配有溫度補(bǔ)償線路;為減小室外環(huán)境的影響，表面采用雙層石英玻璃罩.該表的靈敏度為7.464 μV/W.m－2，感應(yīng)時(shí)間≤30 s，穩(wěn)定性和非線性均達(dá)到±2%，在線性范圍內(nèi)其輸出信號(hào)與太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度成正比.輻射表的安裝與集熱器傾角相同.根據(jù)輻射表的熱電勢(shì)測(cè)量原理，將輻射表的正負(fù)接線分別連接到HP 34901 A 20模塊內(nèi)的測(cè)量螺旋端子上，通過(guò)前面板或遠(yuǎn)程接口操作進(jìn)行直流電壓測(cè)量設(shè)置，并利用HP 34970 A數(shù)據(jù)采集/開(kāi)關(guān)單元的定標(biāo)功能將測(cè)量的溫差電勢(shì)值轉(zhuǎn)換成太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值.太陽(yáng)輻射強(qiáng)度按一定的時(shí)間間隔自動(dòng)測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果保存到計(jì)算機(jī)中.

1.2.3 熱流量及流量的測(cè)定

為了較準(zhǔn)確、直觀地測(cè)定集熱器地集熱量，在集熱器進(jìn)、出口管路上之安裝了德國(guó)產(chǎn)WMSli 2513020型熱能表.該表將multidataS1熱計(jì)量?jī)x與DN20口徑的ETHI－XL流量計(jì)配套使用，采用鉑電阻Pt100作為溫度傳感器，測(cè)量靈敏度＜0.01.輕觸菜單功能鍵INFO，即可方便地讀取累積熱流量、累積流量、供回水溫度、溫差、瞬時(shí)熱流量、瞬時(shí)流量和運(yùn)行時(shí)間.每隔一定時(shí)間人工讀取數(shù)據(jù)并記錄整理.

室內(nèi)、外循環(huán)管路中流體的累積流量由瑞典產(chǎn)的MCE 08－787型累積式流量計(jì)測(cè)定，瞬時(shí)流量由國(guó)產(chǎn)的LZB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定.

1.3 集熱器性能

太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)集熱量由(1)計(jì)算得到.

式中，qu為太陽(yáng)能集熱器的瞬時(shí)集熱量，kW;ρl為集熱流體的平均密度，kg/L;cl為集熱流體的平均比熱，kJ/kg·℃;Vl，s為集熱流體的瞬時(shí)流量，L/h;tc，i，tc，o分別為集熱器進(jìn)出口流體溫度，℃ .

圖2給出了集熱器進(jìn)、出口流體的溫度隨時(shí)間的變化情況.由圖2可以看出:①集熱器的出口溫度在8:00以后均大于集熱器的進(jìn)口溫度，這說(shuō)明集熱器白天絕大部分時(shí)間吸收太陽(yáng)的輻射熱量，集熱量為正值;②集熱器進(jìn)、出口流體的溫度變化趨勢(shì)基本相同，隨時(shí)間的推移先增加然后降低，在13:30達(dá)到極大值;③二者的溫差大小反映集熱器吸收太陽(yáng)輻射熱量能力的大小，溫差大時(shí)，吸收太陽(yáng)輻射熱的能力強(qiáng);溫差小時(shí)，吸收太陽(yáng)輻射的能力弱;④集熱器在8:00以前向外散失熱熱量大于收集到的熱量，這時(shí)可調(diào)節(jié)集熱器，使其在8:00以后再開(kāi)始工作;⑤集熱器進(jìn)口流體的平均溫度為27.39℃，集熱器出口流體的平均溫度31.35℃，平均溫差為 3.96℃，集熱器在較高溫度下工作，集熱器的熱損失較大.

圖2集熱器進(jìn)、出口流體溫度(以晴天為準(zhǔn))

圖3 給出了瞬時(shí)集熱量和太陽(yáng)輻射量隨時(shí)間的變化情況.由圖3可以看出:①瞬時(shí)集熱量與太陽(yáng)輻射量的變化趨勢(shì)相同，近似于正弦曲線變化;②圖中兩個(gè)曲線下的積分分別代表日總太陽(yáng)輻射量(55.78 kWh)和日總集熱量(26.62 kWh);③太陽(yáng)輻射量的平均值(6:30～17:30)為5.34 kW，集熱器瞬時(shí)集熱量的平均值(6:30～17:30)為2.75 kW.

圖3 瞬時(shí)集熱量(以晴天為準(zhǔn))

2 結(jié)論及展望

根據(jù)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)的實(shí)際需要，我國(guó)提出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，而節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境是其中最重要的內(nèi)容之一.因此，太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展?jié)摿薮螅瑧?yīng)該用長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià).開(kāi)發(fā)和研制適合北方地區(qū)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義.性能良好的太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，課題組開(kāi)發(fā)的低溫平板太陽(yáng)能集熱器適合太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng).在太陽(yáng)能直接供暖工況下，工作溫度穩(wěn)定，熱效率高，性能穩(wěn)定.今后課題組重點(diǎn)研發(fā)的主要方向:

(1)建立太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)物理模型;

(2)編制相應(yīng)計(jì)算機(jī)模擬程序，進(jìn)行理論計(jì)算;(3)對(duì)太陽(yáng)能熱泵供熱、供熱水工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究;(4)建立示范工程，推廣使用太陽(yáng)能熱泵供熱技術(shù).

[1]曠玉輝.太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].青島:青島建筑工程學(xué)院，2001.

[2]張喜明.太陽(yáng)能熱泵供熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[D].青島:青島建筑工程學(xué)院，2002.