平板型太陽(yáng)能熱水裝置性能實(shí)驗(yàn)研究

湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)保技術(shù)研發(fā)中心 ■ 高志宏 賈少剛 魏翠琴 蕢秀惠 王麗萍

0 引言

目前溫室農(nóng)業(yè)冬季供暖主要采用小煤爐[1]，存在消耗常規(guī)能源和環(huán)境污染的問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)利用清潔能源和高效節(jié)能技術(shù)是溫室農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。太陽(yáng)能是清潔可再生能源，熱泵是高效節(jié)能技術(shù)，兩者的有效應(yīng)用對(duì)解決能源與環(huán)境問(wèn)題具有重要意義[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光熱產(chǎn)品以真空管式為主，平板型太陽(yáng)能市場(chǎng)份額較低，但平板型集熱器特別適合于建筑一體化設(shè)計(jì)[3]，具備使用壽命長(zhǎng)、承壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在歐美市場(chǎng)廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)部分科研單位已對(duì)平板太陽(yáng)能及其儲(chǔ)熱水箱的性能等方面進(jìn)行了一定的理論和實(shí)驗(yàn)研究[3-8]。平板型太陽(yáng)能熱水裝置的性能受自身結(jié)構(gòu)與外界條件影響較大，其對(duì)太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)[9-12]設(shè)計(jì)及應(yīng)用有直接影響。對(duì)此，結(jié)合浙北地區(qū)的氣象條件自行設(shè)計(jì)了一套分體承壓強(qiáng)制循環(huán)平板太陽(yáng)能熱水裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究其主要熱工性能——集熱器集熱效率、裝置平均效率、輻照度、介質(zhì)循環(huán)方式和流量及環(huán)境因素對(duì)裝置性能的影響，可為太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于溫室供暖提供設(shè)計(jì)和配置優(yōu)化依據(jù)。

1 裝置與實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能熱水裝置由平板型集熱器、蓄熱水箱(含盤(pán)管換熱器)、循環(huán)水泵、管閥、儀表等組成，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1，實(shí)物圖見(jiàn)圖2，表1為裝置各部件的規(guī)格參數(shù)。裝置的循環(huán)方式有單循環(huán)與雙循環(huán)兩種，單循環(huán)時(shí)蓄熱水箱中的水作為集熱介質(zhì)通過(guò)集熱器后返回至水箱，如此往復(fù)循環(huán)；雙循環(huán)時(shí)集熱介質(zhì)通過(guò)集熱器后進(jìn)入盤(pán)管換熱器加熱水箱中的水，如此往復(fù)循環(huán)；集熱介質(zhì)處于封閉的循環(huán)狀態(tài)。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)要求和條件如下：

1)每次實(shí)驗(yàn)前蓄熱水箱充滿(mǎn)新水，通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)流量；

2)蓄熱水箱的初溫和終溫取4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的平均值；

3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)蓄熱水箱溫度達(dá)到最高值后出現(xiàn)明顯下降時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)；

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中相關(guān)參數(shù)每5 min測(cè)試記錄一次；

5)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院園藝園內(nèi)，無(wú)建筑物遮擋，采光情況良好。

圖2 裝置實(shí)圖

表1 裝置部件規(guī)格與所測(cè)參數(shù)

2 裝置數(shù)學(xué)模型

2.1 集熱器數(shù)學(xué)模型

集熱器集熱效率ηc是在一定時(shí)間內(nèi)吸收的有用熱能與入射在集熱器表面上的太陽(yáng)輻射能之比[13]，公式為：

式中，Q1為集熱器有效利用的能量，J；t為時(shí)間，s；AC為集熱器面積，m2；GT為太陽(yáng)輻照度，W/m2。

式中，qm為集熱介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；Cp,f為集熱介質(zhì)的定壓比熱容，J/(kg·K)；T1為集熱器進(jìn)口溫度，℃；T2為集熱器出口溫度，℃。

2.2 蓄熱水箱數(shù)學(xué)模型

蓄熱水箱在一定時(shí)間內(nèi)的得熱量計(jì)算式為：

式中，Q2為蓄熱水箱得到的熱量，J；ρ0為水的密度，kg/m3；Cp,0為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；Vs為水箱的容積，m3；Te為水箱終溫，℃；Tb為水箱初溫，℃；

2.3 盤(pán)管換熱器數(shù)學(xué)模型

裝置以雙循環(huán)方式運(yùn)行時(shí)會(huì)使用到盤(pán)管換熱器，此時(shí)換熱器管內(nèi)為強(qiáng)迫對(duì)流換熱，換熱器與水箱間的水為自然對(duì)流換熱，則盤(pán)管換熱器的能量輸出平衡方程為：

式中，Q3為盤(pán)管換熱器輸出的熱量，J；T3為盤(pán)管換熱器進(jìn)口溫度，℃；T4為盤(pán)管換熱器出口溫度，℃。

2.4 裝置平均效率數(shù)學(xué)模型

在一定時(shí)間內(nèi)裝置平均效率的公式為：

式中，H為集熱器累積太陽(yáng)輻射量，MJ/m2。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的集熱介質(zhì)均采用水，實(shí)驗(yàn)時(shí)的相關(guān)工況與主要參數(shù)見(jiàn)表2。由表2可知，實(shí)驗(yàn)時(shí)輻照度平均值分布為623～954 W/m2，集熱介質(zhì)的流量分布為5 ～12 L/min，裝置平均效率分布為34.47%～43.08%，蓄熱水箱的終溫分布為42.2～60.3 ℃。

表2 實(shí)驗(yàn)工況與過(guò)程參數(shù)

3.2 結(jié)果分析

太陽(yáng)能熱水裝置的性能與太陽(yáng)輻照度、集熱介質(zhì)溫度、集熱介質(zhì)循環(huán)方式及流量、環(huán)境狀況等相關(guān)，以下分析這些因素對(duì)裝置性能的影響。

1)輻照度。圖3為太陽(yáng)輻照度變化圖，秋冬季晴天時(shí)的輻照度隨時(shí)間變化均呈拋物線形，一般約在11:30達(dá)到峰值；輻照度較高時(shí)間區(qū)間為9:30～14:30，是利用太陽(yáng)能的較佳時(shí)間。圖4為輻照度平均值與裝置平均效率圖，實(shí)驗(yàn)的輻照度平均值分布為623～954 W/m2，裝置的平均效率各有不同，效率并未隨輻照度呈線性關(guān)系。因此輻照度對(duì)裝置效率的影響不大，只要輻照度高于600 W/m2時(shí)裝置效率就會(huì)保持在35%以上。

圖3 太陽(yáng)輻照度變化圖

圖4 輻照度平均值與裝置平均效率

圖5 集熱器瞬時(shí)效率與集熱介質(zhì)溫度

2) 集熱介質(zhì)溫度。以2015-01-01當(dāng)天為例，集熱器瞬時(shí)效率與集熱介質(zhì)的溫度變化見(jiàn)圖5，可知隨著集熱介質(zhì)溫度升高集熱器瞬時(shí)效率在逐漸下降，兩者變化趨勢(shì)相反，集熱介質(zhì)溫度對(duì)集熱效率有重要影響，集熱介質(zhì)溫度為18～35 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)效率為54%～45%，集熱介質(zhì)溫度為35～48 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)效率僅為40%～20%，因此較低的集熱介質(zhì)溫度可保持較高的集熱效率。圖6為集熱器進(jìn)出口溫差變化圖，此溫差先上升達(dá)到峰值后再逐漸下降，其與太陽(yáng)輻照度的變化同步，在輻照度最大時(shí)溫差最大，隨著輻照度的降低溫差逐漸減小。

圖6 集熱器進(jìn)出口溫差

3)集熱介質(zhì)循環(huán)方式。結(jié)合表2可知雙循環(huán)的平均效率和水箱終溫總是略低于單循環(huán)，因雙循環(huán)增加了換熱器使傳熱環(huán)節(jié)增多，傳熱熱阻增加導(dǎo)致效率有所降低。

4)集熱介質(zhì)流量。結(jié)合表2，集熱面積為1.9 m2的裝置測(cè)試時(shí)集熱介質(zhì)流量分布為5 ～12 L/min，流量為5 ～6 L/min時(shí)裝置平均效率僅有34%～35%，而流量高于8 L/min時(shí)裝置效率能達(dá)到40%左右，因此本裝置實(shí)測(cè)較佳的流量為8 ～12 L/min。

5)環(huán)境因素。環(huán)境溫度和風(fēng)力主要影響裝置的散熱，結(jié)合表2可知環(huán)境風(fēng)力較大時(shí)裝置的平均效率都偏低，風(fēng)力大會(huì)導(dǎo)致裝置的對(duì)流散熱損失增加。每次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境平均溫度分布為3～12 ℃，裝置的平均效率值各有高低，未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，故環(huán)境溫度對(duì)裝置性能影響較小。

6)蓄熱水箱溫度。圖7為水箱的溫度變化圖，無(wú)論何種工況水溫均呈整體上升趨勢(shì)，且初始階段溫升速率較快，隨著水溫的逐漸升高溫升速率逐漸下降，其與集熱介質(zhì)溫度變化一致，因此太陽(yáng)能適宜制取40 ℃以下的低溫?zé)崴藭r(shí)的太陽(yáng)能效率較高。不同工況下水箱終溫相差較大，單循環(huán)的水箱終溫均高于雙循環(huán)的，其中單循環(huán)時(shí)的最高終溫達(dá)到60 ℃，雙循環(huán)時(shí)最高終溫只有 55 ℃。

圖7 蓄熱水箱溫度變化圖

4 結(jié)論

對(duì)分體承壓平板型太陽(yáng)能熱水裝置于浙北地區(qū)的實(shí)驗(yàn)研究，可得到如下結(jié)論：

1)太陽(yáng)輻照度對(duì)裝置性能影響不大，當(dāng)輻照度平均值為623～954 W/m2時(shí)，裝置的平均效率分布區(qū)間為35%～43%，只要輻照度高于600 W/m2，裝置效率就可大于35%。

2)集熱介質(zhì)溫度對(duì)集熱效率和裝置性能有重要影響，較低的集熱介質(zhì)溫度可保持較高的集熱效率，集熱介質(zhì)溫度為18～35 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的集熱效率為54%～45%。

3)單循環(huán)的效率與水箱終溫略高于雙循環(huán)，本裝置較優(yōu)的集熱介質(zhì)流量為8～12 L/min，此流量下裝置效率能達(dá)到40%。

4)環(huán)境因素中，環(huán)境風(fēng)力對(duì)裝置性能影響較大，環(huán)境溫度則較小，要做好裝置的保溫以減少散熱損失。

5)此裝置適宜制取40 ℃以下的低溫?zé)崴?，此時(shí)的太陽(yáng)能效率較高。因此對(duì)太陽(yáng)能熱泵供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，宜選擇串聯(lián)式或混聯(lián)式系統(tǒng)——以太陽(yáng)能制取低溫?zé)崴鳛闊岜谜舭l(fā)器的熱源，此時(shí)太陽(yáng)能的效率和熱泵的COP均較高。

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