一種分倉真空管太陽能熱水器運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究*

邢秀蘭， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 劉佰紅， 胡小芳

(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)

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一種分倉真空管太陽能熱水器運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究*

邢秀蘭， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 劉佰紅， 胡小芳

(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)

對一種分倉真空管太陽能熱水器在晴天和多云天兩種典型天氣條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試與分析，并與常規(guī)真空管太陽能熱水器測試對比.結(jié)果顯示無論是在晴天還是在多云天氣下，分倉真空管太陽能熱水器三個(gè)倉在當(dāng)天運(yùn)行條件下溫度分層都比常規(guī)真空管太陽能熱水器的明顯，頂部和中部水溫相差不大，但與底部水溫相差較大.每個(gè)倉底部存在冷水區(qū)，但高溫倉內(nèi)的較明顯.夜間溫降期間，低溫倉溫度分層最嚴(yán)重，高溫倉底部水溫有明顯的先升溫后平緩的趨勢.

分倉真空管太陽能熱水器；日有用得熱量；平均熱損因數(shù)；熱性能

1 引 言

真空管太陽能熱水器以其良好的集熱和保溫性能，近年來受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注和研究.影響真空管太陽能熱水器熱性能的因素很多，Jaisankar等[1]詳細(xì)論述了太陽能熱水器的優(yōu)勢和提高其效率的各種方法和計(jì)算；李仁飛等[2]發(fā)現(xiàn)真空管太陽能熱水器中真空管內(nèi)部水溫總體比水箱內(nèi)水溫高，且在真空管管口的上壁面出現(xiàn)溫度最大值，在水箱底部存在一個(gè)冷水區(qū)，主要依靠水箱內(nèi)從頂部到底部的溫差導(dǎo)熱傳熱而被加熱；楊育芹等[3]發(fā)現(xiàn)管間距對真空管太陽能熱水器的日有用得熱量有很大的影響，理論上管間距越小，日有用得熱量越大，但實(shí)際情況卻完全相反，管間距越小，管與管之間的遮光越厲害，系統(tǒng)實(shí)際的日得熱量越小，性能越差；諶學(xué)先等[4]發(fā)現(xiàn)家用太陽熱水器的水量配比越大，其平均日效率越高.

本文所研究的對象為一種分倉真空管太陽能熱水器(以下簡稱分倉熱水器),即在太陽能貯熱水箱中用兩個(gè)不等高的隔板將熱水器水箱分為相連的三個(gè)倉，用水時(shí)冷水始終從低溫倉的下部進(jìn)入，再進(jìn)入中溫倉，最后進(jìn)入高溫倉，減少用水時(shí)的冷熱水的摻混，最大限度地利用了水箱中的熱水.而在加熱期間高溫倉和中溫倉中的水首先被加熱.為了得到分倉熱水器實(shí)際運(yùn)行的熱性能，將參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18708-2002[5]對分倉熱水器在晴天和多云天兩種典型天氣條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試[6]，并與常規(guī)熱水器對比，分析這種分倉熱水器的實(shí)際運(yùn)行特性及與常規(guī)真空管太陽能熱水器的差別，為這種新產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供參考.

2 實(shí)驗(yàn)裝置、測試方法以及熱性能評價(jià)指標(biāo)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用的是一套自然循環(huán)式的分倉熱水器，其主要組成部分包括集熱器、水箱和支架.該熱水器所用真空管規(guī)格為?58×1 800 mm，管數(shù)為20管，正南放置，傾角為48°，采光面積為2.64 m2，水箱水量[7]為210.3 L，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1.在貯熱水箱中，用兩塊不等高的隔板將分倉熱水器分為三個(gè)倉，在使用時(shí)，由于冷水從第一倉右下方進(jìn)水口進(jìn)入水箱，熱水從第三倉左上方出來，因此由右到左分別給三個(gè)倉命名為低溫倉、中溫倉和高溫倉.分倉熱水器貯熱水箱不與真空管直接相通，在水箱下部布置一加熱倉，真空管直插入加熱倉，加熱倉上部設(shè)有四個(gè)高度不等的循環(huán)口，與貯熱水箱相通.

這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的有二，其一是在加熱循環(huán)期間，加熱倉中的水首先被真空管加熱，冷水從低溫倉低部進(jìn)入加熱倉，熱水大部分進(jìn)入高溫倉，一部分進(jìn)入中溫倉，使高溫倉中的水首先被加熱，然后再到中溫倉，最后再加熱低溫倉；當(dāng)用水時(shí)，冷水始終從低溫倉的下部進(jìn)入底層，把熱水逐漸從低溫倉頂進(jìn)中溫倉，最后進(jìn)入高溫倉，這樣極大地減少用水時(shí)的冷熱水的摻混，最大限度地利用了水箱中的熱水.

圖1 分倉熱水器結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 實(shí)驗(yàn)測試方法

為了對分倉熱水器白天溫升以及夜晚溫降情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，在高溫倉、中溫倉、低溫倉三個(gè)倉內(nèi)按高度等分安裝上、中、下三個(gè)溫度傳感器.總輻射表與集熱器采光面平行安裝，環(huán)境溫度由置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的鉑電阻溫度傳感器測得，風(fēng)速由風(fēng)速測量儀測得[8].試驗(yàn)在昆明的十二月份和一月份進(jìn)行，試驗(yàn)的工作時(shí)間選擇為每天太陽輻照較強(qiáng)的時(shí)段9∶00-17∶00內(nèi)進(jìn)行.為了得出分倉熱水器運(yùn)行性能，選取一套水量配比與之接近的常規(guī)真空管太陽能熱水器進(jìn)行對比試驗(yàn).同樣在常規(guī)太陽能熱水器貯熱水箱內(nèi)按照體積等分布置上、中、下三個(gè)溫度傳感器監(jiān)測其溫度變化.

2.3 熱性能評價(jià)指標(biāo)

日有用得熱量是判斷家用太陽熱水系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)[9-11].通過對日有用得熱量的測量可以評價(jià)太陽熱水器在運(yùn)行中轉(zhuǎn)換了多少太陽輻照量為有用的熱量[12]；平均熱損系數(shù)也是判斷家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能好壞的重要參數(shù)，反映了在無日照等條件下，熱水器整體的保溫性能.根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》(GB/T 18708-2002)所述的試驗(yàn)方法，規(guī)定家用太陽熱水器的試驗(yàn)期間單位輪廓采光面積的日有用得熱量q表達(dá)式為[5]

(1)

換算成太陽輻照量為17MJ/(m2·d)時(shí)的日有用得熱量q17:

(2)

平均熱損系數(shù)USL表達(dá)式為

(3)

式中Δτ為降溫時(shí)間，s；Ti為熱損實(shí)驗(yàn)中貯熱水箱內(nèi)的初始水溫，°C；Tf為熱損實(shí)驗(yàn)中貯熱水箱內(nèi)的最終水溫，°C；Tas(av)為熱損實(shí)驗(yàn)中貯熱水箱附近的平均空氣溫度，°C.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 日有用得熱量實(shí)驗(yàn)

3.1.1 晴天的運(yùn)行特性

對分倉熱水器進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測試，選取其中一個(gè)晴天條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖2所示為選取的實(shí)驗(yàn)測試期間(2015年1月4日9:05-17:05)分倉熱水器低溫倉、中溫倉、高溫倉和常規(guī)熱水器在晴天集熱試驗(yàn)中的溫升圖.測試期間，太陽輻射強(qiáng)度變化為57～1 142W/m2，累計(jì)輻照量為23.315MJ/m2，環(huán)境溫度為12.2～24.7 ℃，平均值為19.5 ℃.由圖2可得：隨著累計(jì)太陽輻照量的增大,分倉熱水器三個(gè)倉和常規(guī)熱水器的水溫都在不斷升高，常規(guī)熱水器三條溫升曲線基本重合.分倉熱水器三個(gè)倉內(nèi)頂部水溫最高，中部水溫次之，底部溫度最低，頂部與中部水溫相差較小，與底層水溫相差較大，三個(gè)倉內(nèi)總體溫度分層明顯.中溫倉的頂部水溫曲線與中部水溫曲線間距是三個(gè)倉中最小的，底部水溫曲線在早上10點(diǎn)之前處于緩慢升溫，10點(diǎn)之后才逐漸升溫明顯，溫度與頂部、中部水溫相差較大；高溫倉的頂部水溫曲線與中部水溫曲線間距是三個(gè)倉中最大的，底部水溫曲線在早上11點(diǎn)之前溫度變化不大，11點(diǎn)之后才逐漸有升溫趨勢，溫度與頂部、中部水溫相差是三個(gè)倉中最大的，倉內(nèi)溫度分層最明顯.隨著累計(jì)太陽輻照量的增大，常規(guī)熱水器貯熱水箱內(nèi)溫度分層不明顯，相比之下，分倉熱水器無論是低溫倉，中溫倉還是高溫倉，倉內(nèi)溫度分層都很明顯，頂部與中部水溫相差比較少，與底部溫度相差最多，尤其是高溫倉，溫度分層最明顯，底部溫度與頂部溫度最大溫差可達(dá)20 ℃；三個(gè)倉溫度都偏低，最高溫度只能到46.7 ℃，與常規(guī)熱水器底部終溫相差14.5 ℃.

圖2 分倉熱水器三個(gè)倉和常規(guī)熱水器在晴天集熱試驗(yàn)中的溫升圖

對比分倉熱水器三個(gè)倉同樣高度位置的水溫溫度變化，分倉熱水器三個(gè)倉的頂部、中部和底部溫度對比圖如圖3所示.圖3(a)為三個(gè)倉頂部溫度對比圖，圖中三條溫升曲線基本重合；圖3(b)為三個(gè)倉中部溫度對比圖，其中中溫倉的中部溫度最高，低溫倉和高溫倉的溫度曲線基本重合，三條溫度曲線呈升溫趨勢；圖3(c)為三個(gè)倉底部溫度對比圖，在早上10點(diǎn)之前三條溫度曲線重合，平緩升高，10點(diǎn)之后，低溫倉和中溫倉的底部溫度開始升溫明顯，其中低溫倉底部溫度最高，中溫倉底部溫度次之，下午兩點(diǎn)后低溫倉和中溫倉底部溫度曲線再一次相交，中溫倉底部溫度升溫速度快于低溫倉的，但兩者溫度相差不大，這期間高溫倉底部溫度曲線明顯升溫，但溫度一直最低.低溫倉底部溫度比高溫倉的平均高3.0 ℃.

圖3 分倉熱水器三個(gè)倉的頂部、中部和底部溫度對比圖

3.1.2 多云天氣下的運(yùn)行特性

經(jīng)過對分倉熱水器進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測試[13]，選取其中一天多云天氣下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖4所示為分倉熱水器低溫倉、中溫倉、高溫倉在選取的實(shí)驗(yàn)測試期間(2014年12月31日9∶05-17∶05)的溫度變化圖.測試期間，平均太陽輻照為377W/m2，累計(jì)輻照量為10.870MJ/m2，環(huán)境平均溫度為11.2 ℃.由圖4可知，隨著累計(jì)太陽輻照量的增大，分倉熱水器三個(gè)倉和常規(guī)熱水器的水溫都在不斷升高，但由于多云天氣下輻照度波動比較大，溫度曲線沒有晴天天氣下的平滑.分倉熱水器頂部水溫最高，其溫度曲線波動幅度最大，中部水溫次之，曲線波動幅度較小，且與頂部的溫差相差比較小，底部水溫曲線呈平緩上升趨勢，波動較小但與頂部、中部的水溫相差較大.中溫倉頂部水溫曲線與中部水溫曲線間距是三個(gè)倉中最小的，底部水溫曲線在早上11點(diǎn)之前升溫比較慢，11點(diǎn)之后才明顯升溫，曲線較平滑，但與頂部、中部水溫相差較大；高溫倉的頂部水溫曲線與中部水溫曲線的間距是三個(gè)倉中最大的，底部水溫曲線在中午12點(diǎn)之前溫度變化不大，12點(diǎn)之后才逐漸有明顯升溫趨勢，溫度與頂部、中部水溫相差很大，是三個(gè)倉中相差最大的；常規(guī)熱水器頂部和中部兩條溫度曲線基本重合，底部溫度曲線稍低，三條溫度曲線都不平滑.多云天氣下，常規(guī)熱水器水箱內(nèi)有溫度分層現(xiàn)象，但不嚴(yán)重，只是底部水溫偏低1 ℃左右，頂部和中部溫度曲線基本重合，相比之下，分倉熱水器更為明顯，頂部和中部溫度曲線波動幅度大，溫差最高可達(dá)到10 ℃，溫度分層最明顯的依舊是高溫倉.

圖4 分倉熱水器三個(gè)倉以及常規(guī)熱水器在陰天集熱試驗(yàn)中的溫升圖

對比分倉熱水器三個(gè)倉內(nèi)的底部水溫，如圖5所示，三個(gè)倉內(nèi)底部水溫曲線平緩上升，剛開始高溫倉的底部溫度高于中溫倉的和低溫倉的，低溫倉的底部溫度最低;10∶30時(shí)三個(gè)倉的底部溫度一樣;之后，低溫倉底部溫度變?yōu)樽罡?，而高溫倉的最低.總的來說，低溫倉和中溫倉的底部溫度相差無幾，而與高溫倉的溫差較明顯，高溫倉底部溫度比低溫倉底部溫度平均低1.8 ℃，比中溫倉平均低1.6 ℃.

圖5 分倉熱水器三個(gè)倉底部溫度對比圖

3.1.3 不同天氣下日有用得熱量分析

將晴天天氣下集熱實(shí)驗(yàn)測得的分倉熱水器三個(gè)倉數(shù)據(jù)取平均值，按照公式(1)、(2)計(jì)算，Tb=16.0 ℃，Te=49.2 ℃，H=24.315MJ/m2，得出日有用得熱量q=11.07MJ，換算成太陽輻照量為17MJ時(shí)的日有用得熱量q17=8.07MJ.而常規(guī)熱水器Tb=17.9 ℃，Te=61.2 ℃，H=23.436MJ/m2，得出日有用得熱量q=11.36MJ，換算成太陽輻照量為17MJ時(shí)的日有用得熱量q17=8.26MJ.分倉熱水器晴天天氣下的集熱實(shí)驗(yàn)所得的日有用得熱量符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18708-2002規(guī)定的合格標(biāo)準(zhǔn)，但其日有用得熱量值比常規(guī)熱水器的稍小.

同樣，將多云天氣下集熱實(shí)驗(yàn)測得的分倉熱水器三個(gè)倉數(shù)據(jù)取平均值，按照公式(1)、(2)計(jì)算，分倉熱水器的Tb=15.1 ℃，Te=30.8 ℃，H=10.870MJ/m2，得出日有用得熱量q=5.24MJ，換算成太陽輻照量為17MJ時(shí)的日有用得熱量q17=8.19MJ，常規(guī)熱水器的Tb=15.6 ℃，Te=34.6 ℃，H=10.368MJ/m2，得出日有用得熱量q=4.98MJ，換算成太陽輻照量為17MJ時(shí)的日有用得熱量q17=8.16MJ.多云天氣下，分倉熱水器當(dāng)天的日有用得熱量大于常規(guī)熱水器的，而由于多云天氣下累計(jì)輻照量10.870MJ/m2沒有達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18708-2002規(guī)定的累計(jì)輻照量17MJ以上，以上數(shù)據(jù)僅供參考.

3.2 平均熱損系數(shù)實(shí)驗(yàn)

選取測試期間(2015年1月4日20∶00到1月5日04∶00)環(huán)境溫度12.8～17.9 ℃、環(huán)境平均溫度為15.0 ℃時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均熱損系數(shù)分析.測試期間，分倉熱水器三個(gè)倉和常規(guī)熱水器的夜晚溫降圖如圖6所示.分倉熱水器三個(gè)倉的頂部水溫最高，中部水溫次之，底部溫度最低，溫度分層明顯，頂部與中部水溫相差較小，與底部溫度相差較大.低溫倉頂部、中部以及底部三條溫度曲線呈下降趨勢，其曲線間距是三個(gè)倉中最大的，即溫度分層是三個(gè)倉中最明顯的；中溫倉頂部溫度曲線和中部溫度曲線的間距是三個(gè)倉中最小的，底部溫度與頂部、中部水溫相差較大，但其溫度曲線有先升溫后降溫的趨勢，降溫幅度不大；高溫倉頂部、中部以及底部三條溫度曲線間距是三個(gè)倉中最小的，頂部和中部溫度曲線呈降溫趨勢，底部溫度有明顯先升溫后平緩的趨勢；常規(guī)熱水器三條溫度曲線都呈降溫趨勢，其中中部水溫最高，頂部水溫次之，底部溫度最低，并且底部溫降最大.與常規(guī)熱水器相比，分倉熱水器三個(gè)倉內(nèi)溫度分層更明顯.

圖6 分倉熱水器三個(gè)倉和常規(guī)熱水器的夜晚溫降圖

經(jīng)過八個(gè)小時(shí)的降溫測試，分倉熱水器三個(gè)倉頂部、中部和底部的溫降數(shù)據(jù)如表1所示.由表1知三個(gè)倉頂部和中部水溫溫降相差在1 ℃以內(nèi)，底部溫降相差比較大，低溫倉底部水溫溫降為2.1 ℃，中溫倉底部水溫溫降為0.3 ℃，而高溫倉底部水溫反倒升高了2.2 ℃.為了更好地了解，現(xiàn)作出三個(gè)倉的底部溫度對比圖，如圖7所示.圖7中，低溫倉底部溫度曲線呈單純降溫趨勢，中溫倉底部溫度曲線一直保持平緩降溫趨勢，而高溫倉底部溫度曲線有明顯的先升溫后平緩的趨勢.實(shí)驗(yàn)開始，中溫倉的底部溫度高于高溫倉的底部溫度，隨著高溫倉底部水溫的升高，22∶30后，兩條曲線相交，高溫倉底部溫度高于中溫倉的底部溫度.這與常規(guī)熱水器水箱內(nèi)溫度在夜晚單純降低不同.

表1 分倉熱水器在夜間的溫降結(jié)果

圖7 分倉熱水器三個(gè)倉的底部溫度對比圖

將分倉熱水器的數(shù)據(jù)按照公式(3)計(jì)算，Ti=51.2 ℃，Tf=48.7 ℃，Tas(av)=15.0 ℃得出分倉熱水器的平均熱損系數(shù)USL=10.4；常規(guī)熱水器的Ti=61.5 ℃，Tf=58.1 ℃，Tas(av)=15.0 ℃，按照公式(3)得出平均熱損因數(shù)USL=11.0，與常規(guī)熱水器相比差別不大.

4 結(jié) 論

通過對分倉熱水器在晴天和多云兩種典型天氣條件進(jìn)行了當(dāng)天熱性能測試以及在夜晚的平均熱損因數(shù)試驗(yàn)，并與常規(guī)熱水器進(jìn)行對比分析，可得出以下結(jié)論：

(1)無論是在在晴天還是在多云天氣下，分倉真空管太陽能熱水器三個(gè)倉在當(dāng)天運(yùn)行條件下溫度分層都比常規(guī)真空管太陽能熱水器明顯，頂部和中部水溫相差不大，但與底部水溫相差較大.每個(gè)倉底部存在冷水區(qū)，但高溫倉內(nèi)的較明顯.多云天氣下，由于輻照度波動較大，倉內(nèi)升溫曲線不平滑.

(2)分倉熱水器在經(jīng)歷夜晚降溫時(shí)，低溫倉溫度分層最嚴(yán)重；與常規(guī)熱水器的中部水溫最高相比，分倉熱水器三個(gè)倉都是頂部溫度最高，并且相比常規(guī)熱水器水溫在夜晚呈單純降溫趨勢，分倉熱水器高溫倉底部水溫有明顯的先升溫然后平緩的趨勢，溫度升高了2.2 ℃.

(3)在晴天及多云天氣條件下，參照GB/T18708-2002的試驗(yàn)及計(jì)算方法，分倉熱水器與常規(guī)熱水器的日有用得熱量及平均熱損因數(shù)差別不大，但分倉熱水器最大的缺陷是在當(dāng)天運(yùn)行條件下倉內(nèi)溫度分層較重，這種分倉熱水器設(shè)計(jì)上還應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn).

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Experimental Study on the Operating Characteristic of a Trichotomous Vacuum Tube Solar Water Heater

XING Xiu-lan, GAO Wen-feng, LIU Tao, LIN Wen-xian, LIU Bai-hong, HU Xiao-fang

(Solar Energy Research Institute,Key Laboratory of Advanced Technique &Preparation for Renewable Energy Materials of the Ministry of Education of China,Yunnan Normal University,Kunming 650092,China)

In this paper,an experimental study has been carried out to examine the operating characteristic of a trichotomous vacuum tube water heater,which has three separate water tanks,under typical sunny and cloudy weather condition,which is also compared to that of a regular solar water heater.The results show that the temperature stratification of in the trichotomous solar water heater is stronger than that in the regular solar water heater,no matter it was under the sunny or cloudy weather conditions.In the trichotomous vacuum solar water heater,the temperature difference between the top and the middle is small,but there is a large temperature difference between the top and the bottom.In each water tank,there is a cold water zone in the bottom region,which is particularly evident in the high temperature water tank.During the nighttime cooling period,the temperature stratification in the low temperature water tank in the trichotomous solar water heater is the strongest,while in the bottom region of the high temperature water tank,the water temperature has the trend to rise initially but gradually become stable subsequently.

Trichotomous vacuum tube solar water heater； Daily useful heat gain； Average storage tank heat loss coefficient； Thermal performance

2015-06-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51266016，51469035).

邢秀蘭(1990-)，女，廣東潮州人，碩士研究生，主要從事太陽能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)方面研究.

高文峰(1970-)，男，副教授，主要從事太陽能熱利用及計(jì)算流體力學(xué)方面研究.E-mail:413900096@qq.com.

TK515

A

1007-9793(2015)04-0011-08