防凍太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與傳熱優(yōu)化分析

王卓峣

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

防凍太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與傳熱優(yōu)化分析

王卓峣

（中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

太陽能作為一種無污染可持續(xù)使用的能源引起了廣泛的關(guān)注和研究，并得到了廣泛的應(yīng)用。在熱水器領(lǐng)域，太陽能熱水器作為一種可有效利用免費(fèi)能源的設(shè)備占據(jù)了大量的市場，為人們生活提供了很大的便利。與此同時(shí)，它也存在一些明顯的不足，本文首先系統(tǒng)地分析了目前太陽能設(shè)備的不足之處，針對其中的問題設(shè)計(jì)了一種新型的防凍太陽能熱水系統(tǒng)并詳細(xì)地介紹了此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對其傳熱過程進(jìn)行分析，給出了溫控設(shè)備的優(yōu)化過程。

防凍太陽能熱水系統(tǒng)；傳熱學(xué)建模；熱穩(wěn)態(tài)分析

隨著化石能源的日益枯竭，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視，太陽能作為一種清潔能源受到了廣泛的關(guān)注。我國是太陽能資源非常豐富的國家之一，陸地表面每年能接受的太陽輻射能約為50×1018kJ，全國各地太陽能年輻射量達(dá)335～837kJ/cm2。太陽能的利用方法是多方面的，目前而言，利用太陽能提供生活熱水將是我國城市太陽能利用的主要途徑，這不僅可以降低城市建筑能耗，還能進(jìn)一步的提高生活水平。

太陽能熱水器在利用過程中也受到多方面的影響，例如集熱器的傾角、儲(chǔ)水箱內(nèi)水溫的分層和散熱系數(shù)的影響等。目前大多數(shù)家用熱水器的水加熱形式都是靠自然循環(huán)來完成的，會(huì)造成內(nèi)部水溫分布不均勻，高水溫部分局域化從而造成熱能的浪費(fèi)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，太陽能熱水器也隨之不斷的進(jìn)行改進(jìn)，由集熱和貯熱合為一體逐漸改進(jìn)為分開的形式，采用更加先進(jìn)的太陽能集熱器、先進(jìn)的保溫材料和冬季防凍技術(shù)及其他輔助裝置等。然而，這種傳統(tǒng)的散熱器也存在諸多的缺點(diǎn)，例如，在很多地區(qū)的冬季，由于外界溫度過低，常常會(huì)出現(xiàn)太陽能管道凍裂凍壞的現(xiàn)象，造成用戶損失，影響正常使用；在連續(xù)陰雨天氣，光照時(shí)間不足的情況下，太陽能熱水器會(huì)有水溫不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，從而無法滿足用戶正常的使用。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型的防凍太陽能熱水系統(tǒng)，以期待解決低溫環(huán)境下管道凍壞以及光照條件不足時(shí)引起的溫度不達(dá)標(biāo)的問題。文中首先介紹了這種新型防凍太陽能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并基于這種新型的防凍系統(tǒng)進(jìn)行了傳熱學(xué)建模，通過實(shí)際的物理模型為溫控設(shè)備的優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，給出了電熱輔助模塊的自動(dòng)化控制方案。

1 防凍太陽能熱水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)具有室外溫度監(jiān)測、用水流量監(jiān)測、管道排空、電磁閥防凍、電輔助加熱以及水溫調(diào)節(jié)防止?fàn)C傷的功能。如下圖1(a)所示，防凍太陽能熱水系統(tǒng)主要包含以下供能模塊：太陽能加熱模塊、室外溫度監(jiān)測模塊、用水流量監(jiān)測模塊、管道排空模塊、電磁閥防凍模塊、電輔助加熱模塊和水溫調(diào)節(jié)模塊。其中，室外溫度檢測模塊主要是對室外溫度進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測值判斷室外是否達(dá)到結(jié)冰狀態(tài)，用來決定是否啟動(dòng)管道排空模塊，而管道排空模塊則是對太陽能出水管道及閥門內(nèi)部的水進(jìn)行排空操作，防止出現(xiàn)由于外界溫度過低而造成管道內(nèi)部水結(jié)冰，凍壞管道及閥門的現(xiàn)象。而電輔助加熱模塊的作用則是在連續(xù)陰雨天氣、光照時(shí)間不足的情況下，太陽能熱水器有水溫不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象， 此模塊對溫度不達(dá)標(biāo)的水進(jìn)行二次加熱，從而達(dá)到用戶使用要求。

圖1

所設(shè)計(jì)的防凍太陽能熱水器的整體結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程為：太陽能熱水器水箱1由太陽能補(bǔ)水管道2進(jìn)冷水，由太陽能板進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換供熱，利用太陽能對內(nèi)部水進(jìn)行加熱，由太陽能出水管3將熱水導(dǎo)出，熱水通過防凍三通電磁閥4以供用戶使用，而當(dāng)外界連續(xù)陰雨天氣，光照時(shí)間不足導(dǎo)致太陽能熱水器內(nèi)部水溫不達(dá)標(biāo)時(shí)，將會(huì)使得熱水器內(nèi)部的水通過相關(guān)管道進(jìn)入電熱水器5進(jìn)行二次加熱，當(dāng)溫度達(dá)標(biāo)時(shí)，再供用戶使用。如果太陽能熱水器內(nèi)部水溫過高，也可以打開閥門使得溫度過高的熱水進(jìn)入電熱水箱5，通過對電熱水箱5內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)涼水操作，使冷熱水混合，調(diào)節(jié)至合適的溫度，以供用戶使用。這種防凍式太陽能熱水系統(tǒng)中重要的一個(gè)模塊就是管道排空模塊以避免水在內(nèi)部結(jié)冰而凍裂管道。防凍太陽能熱水系統(tǒng)啟動(dòng)管道排空功能需要兩個(gè)外部條件：第一，室外溫度達(dá)到零攝氏度以下；第二，管道內(nèi)部水不流通，即用戶停止使用太陽能。判斷這兩個(gè)條件是否滿足主要是由室外溫度檢測模塊和用水流量檢測模塊來完成的。而電熱輔助加熱模塊則實(shí)現(xiàn)了在光照條件不足或其他極端氣候條件下的二次加熱過程，達(dá)到用戶使用溫度。以下將重點(diǎn)分析加熱模塊隨外界溫度等諸多條件的變化關(guān)系，建立傳熱學(xué)模型，給出溫控設(shè)備的優(yōu)化過程。

2 防凍太陽能熱水系統(tǒng)的傳熱優(yōu)化分析

根據(jù)上一小節(jié)介紹，本防凍太陽能熱水系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是電熱輔助加熱模塊。本小節(jié)重點(diǎn)考慮當(dāng)熱水器內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，所需要的電熱功率與目標(biāo)水溫及外界環(huán)境溫度之間的關(guān)系。通過對防凍太陽能熱水器水溫穩(wěn)態(tài)時(shí)的傳熱學(xué)建模，系統(tǒng)的分析其三者之間的關(guān)系，從而為溫控設(shè)備的自動(dòng)化控制提供理論依據(jù)。在分析過程中，不考慮太陽能壁板的管外流動(dòng)，重點(diǎn)分析兩種傳熱學(xué)過程：熱傳導(dǎo)和熱輻射過程，根據(jù)傳熱學(xué)理論，單層平壁在穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱傳導(dǎo)速率為：

上式中l(wèi)為綜合導(dǎo)熱系數(shù)，b為太陽能壁板的厚度，A為壁面積，1t和0t分別為目標(biāo)水溫和外界環(huán)境溫度。由上式可見，熱損失通常隨著保溫層的厚度增加而減少。對于太陽能換熱器，我們簡單地考慮如下熱輻射過程，即有：

式中，e為實(shí)際物體輻射的發(fā)射率，s是Stefan-Boltzmann常數(shù)，大小為5.67×10-8W/(m2·k4），溫度單位為開爾文溫度，單位為K，由此建立了從太陽能熱水器系統(tǒng)向外輻射能力的傳熱學(xué)模型。而當(dāng)外界光照條件不足時(shí)，將由電熱輔助加熱模塊來進(jìn)行對水的加熱，接下來將重點(diǎn)研究室內(nèi)外溫度不同組合對電熱輔助加熱模塊功率的需求，當(dāng)熱水器內(nèi)水溫穩(wěn)定時(shí)，電熱輔助加熱模塊與兩傳熱過程存在動(dòng)態(tài)熱平衡過程，如下式所示：

其中η為電熱輔助加熱模塊的電熱轉(zhuǎn)換效率。取太陽能壁板厚度為8mm，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/(m·K），有效壁面積為2m2，實(shí)際太陽能壁板輻射的熱發(fā)射率為0.6，電熱轉(zhuǎn)換效率為0.9。首先討論當(dāng)環(huán)境溫度為5℃，當(dāng)需要水溫從20～50℃變化時(shí)所需要的電熱輔助加熱功率，如圖2(a)所示，兩種換熱過程都隨溫度升高而升高，輻射換熱方式相對而言所占比例較低，整個(gè)過程由熱傳導(dǎo)所導(dǎo)致的熱損失占主導(dǎo)；電輔助加熱功率隨目標(biāo)水溫變化曲線如圖2(b)，輔助加熱功率變化區(qū)間大致上從500W到1700W，由此給出了溫控設(shè)備的優(yōu)化過程，實(shí)現(xiàn)更 好的水溫自動(dòng)化管理與控制。

圖2

類似地，我們在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)置為一般用戶所需的35℃時(shí)，外界環(huán)境溫度變化時(shí)，電熱輔助加熱模塊所需要的電功率如圖3。

圖3

可見環(huán)境溫度變化過程中，依然是熱傳導(dǎo)散熱方式占主導(dǎo)，而電熱輔助加熱功率隨著環(huán)境溫度的升高而降低，其 對應(yīng)的熱功率調(diào)整范圍為1600W到800W之間。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活品質(zhì)的提升，居民對生活熱水的需求十分強(qiáng)烈，太陽能熱水器有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展。針對傳統(tǒng)太陽能熱水器的在低溫環(huán)境或其他極端環(huán)境中遇到的一些問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型防凍太陽能熱水器系統(tǒng)，并詳細(xì)地介紹了其功能模塊和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)；進(jìn)一步結(jié)合傳熱學(xué)理論對其穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行建模，定量地分析了在文中給定參數(shù)的情況下，電熱輔助模塊所需要提供的功率隨目標(biāo)水溫及環(huán)境溫度的變化關(guān)系，并仔細(xì)分析了兩種熱損失過程，為溫控設(shè)備的自動(dòng)化控制提供理論依據(jù)。

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1671-0711（2017）05（上）-0069-03