一種導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

陳雪嬌， 高文峰， 劉滔， 林文賢， 牛艷， 段亞丹， 張昱翀

(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)

傳熱是太陽能熱水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對其進(jìn)行改進(jìn)將能極大地提高太陽能熱水系統(tǒng)的熱性能.1976年，Wolf和Bienert[1]分析了熱管在太陽能集熱器中的運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容是將熱管的蒸發(fā)段插入太陽能集熱器中，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻不盡人意.謝光海等[2]從傳熱和結(jié)構(gòu)兩方面分析了全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，介紹了高效傳熱元件—熱管的原理及其優(yōu)越性.其明顯特征是水不在真空管內(nèi)流動，但是由于其造價昂貴，一旦系統(tǒng)過熱會造成密封圈老化漏水等狀況.對產(chǎn)品的推行和應(yīng)用起到了負(fù)面作用.路靈等[3]在緊湊型產(chǎn)品中研究發(fā)明發(fā)了一種熱動力自然循環(huán)非承壓式太陽能熱水系統(tǒng)導(dǎo)流裝置.通過在內(nèi)聚光真空管太陽能熱水系統(tǒng)中加裝導(dǎo)流裝置，從而改善內(nèi)聚光真空管內(nèi)部換熱，解決了現(xiàn)有太陽能熱水系統(tǒng)真空管導(dǎo)熱不暢、易炸管等問題.李曉霞等[4]通過數(shù)值模擬方法分析導(dǎo)流板安裝在玻璃管中間位置、距玻璃管中間位置偏上(偏下)1/2處、距玻璃管中間位置偏上(偏下)1/3處5個不同位置的傳熱特性和流動特性，通過數(shù)值模擬方法分析了導(dǎo)流板位置對真空管熱水器傳熱性能的影響，得出導(dǎo)流板加裝在真空管中間或者偏下1/3位置的效果最明顯.

基于上述研究，在傳統(tǒng)全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，一種導(dǎo)流管式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)得到開發(fā)，該系統(tǒng)具有保溫性能好、承壓性能好、不結(jié)垢、耐熱沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn).本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18708—2002 《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》[5]，對一種導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)(以下簡稱導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng))進(jìn)行多次單天熱性能測試，并與傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)(以下簡傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng))對比，分析得出導(dǎo)流管式承壓熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式真空管太陽能熱水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行特征方面的不同及各自的優(yōu)勢和劣勢,對這種新型產(chǎn)品后期的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論支撐.

1 系統(tǒng)介紹

本試驗(yàn)平臺搭建在云南師范大學(xué)太陽能研究所一樓的場地(25.02°N，102.68°E).所安裝的導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)及傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 兩種熱水系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)是市面上常見的一種熱水系統(tǒng).為了更好地分析導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，為此設(shè)立對照試驗(yàn)組，對照試驗(yàn)組對象為一套與導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)水量配比和采光面積相近的傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng).

導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)是一種組合實(shí)用新型太陽能熱水系統(tǒng).它集合了玻璃真空管技術(shù)以及導(dǎo)流管式真空管技術(shù).結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)在于該系統(tǒng)使用的真空管還包括一套在玻璃真空管內(nèi)的金屬銅管，該金屬銅管上端通過螺紋和螺母與水箱內(nèi)膽緊密結(jié)合，水箱內(nèi)的水通過金屬銅管被循環(huán)加熱.

圖1導(dǎo)流管式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

Fig.1 Guide tube type all glass vacuum tube solar water heating system schematic diagram

系統(tǒng)工作原理簡單來說就是當(dāng)太陽光透過外層玻璃管，照射在內(nèi)層玻璃管的選擇性吸收涂層上，具有高吸收比的太陽能選擇性吸收涂層將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能，迅速將熱能傳遞給金屬銅管中的水，使之不斷升溫，密度減小，與水箱內(nèi)的冷水形成密度差，熱水上浮冷水下降，使水箱內(nèi)的水在沒有外力條件下完成循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水的加熱過程.

2 系統(tǒng)試驗(yàn)方法

參照GB/T 18708—2002 《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》[5]、GB/T 19141-2011 《家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[6]所要求的太陽熱水系統(tǒng)熱性能技術(shù)條件及測試方法，對導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了測試.

2.1 測試裝置

集熱器傾斜面的太陽輻照量采用TBQ-2型太陽總輻射表測量，測量范圍為0～2 000 W/m2；集熱器進(jìn)出口溫度、水箱水溫及環(huán)境溫度由PTWD-2A型溫度傳感器測量，測量范圍為-40～150 ℃；風(fēng)速大小由風(fēng)速儀測得，測量范圍為0～60 m/s；數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)為TRM-2 型太陽能熱水系統(tǒng)熱性能測試系統(tǒng).

2.2 試驗(yàn)方法

對導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)白天溫升以及夜晚溫降情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，由于水箱水溫會產(chǎn)生熱分層現(xiàn)象，水箱中的初始溫度和終止溫度均采用三點(diǎn)法測量，分別在保溫貯熱水箱的上、中、下三個部分按照體積等分安裝上、中、下三個PTWD-2A溫度探頭，取三點(diǎn)溫度的平均值作為水箱中的水溫.在防輻射通風(fēng)罩內(nèi)放置一個溫度傳感器，測量環(huán)境溫度ta取平均值.總輻射表與集熱器采光面平行安裝.試驗(yàn)在昆明的五月份進(jìn)行，具體測試時間為5月17日8∶00至5月18日4∶00.

2.3 測試步驟

1)貯熱水箱每天早晨都需重新充入冷水，且水箱內(nèi)平均溫度需控制在20 ℃以下.

2)數(shù)據(jù)采集記錄儀每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，其中包括：水箱上中下三層溫度、環(huán)境溫度、瞬時輻照量、風(fēng)速等，累計(jì)太陽輻照量由累加計(jì)算得出.

3)熱水系統(tǒng)得熱量試驗(yàn)一般采用混水法，試驗(yàn)從貯熱水箱上滿新水且保證水箱內(nèi)平均溫度在20 ℃以下開始計(jì)時，累計(jì)8 h.

4)熱水系統(tǒng)熱損因數(shù)試驗(yàn)從太陽落山后開始測定，要求貯熱水箱內(nèi)水的平均溫度需大于50 ℃.從北京時間20:00到凌晨4:00，累計(jì)8 h,期間數(shù)據(jù)采集記錄儀每隔一分鐘記錄一次數(shù)據(jù).將所得溫度數(shù)據(jù)每隔半小時取值一次，共取16次數(shù)據(jù).并利用Origin軟件作圖分析，最后系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)通過公式(4)計(jì)算得到.

2.4 數(shù)據(jù)處理方法

白天在特定大小的太陽輻照量下，保證貯熱水箱內(nèi)水的平均溫度高于或等于45 ℃時，單位輪廓采光面積貯熱水箱內(nèi)水的得熱量稱之為熱水系統(tǒng)的得熱量[7].若貯熱水箱實(shí)際體積為M，試驗(yàn)開始時水箱初始水溫為tb，結(jié)束時平均水溫為te,集熱器輪廓采光面積為Ac,則熱水系統(tǒng)得熱量為：

(1)

關(guān)于一般的太陽能熱水系統(tǒng)，它熱性能的優(yōu)劣不僅能從熱水系統(tǒng)得熱量分析得出.還可以通過系統(tǒng)平均日效率和瞬時效率來鑒定.

系統(tǒng)平均日效率：

(2)

影響熱水系統(tǒng)保溫性能優(yōu)劣的因素是系統(tǒng)平均熱損因數(shù)[8]，所謂系統(tǒng)平均熱損因數(shù)指的是在一段時間內(nèi)(沒有太陽輻照條件下)，單位時間、單位水體積的太陽熱水系統(tǒng)貯水溫度和環(huán)境溫度之間溫度之差的平均熱量損失.

貯熱水箱熱損因數(shù)[9]US和系統(tǒng)平均熱損因數(shù)USL的關(guān)系為：

US=USLVs

(3)

所以，系統(tǒng)平均熱損因數(shù)：

(4)

依照國標(biāo)GB 26969-2011，家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)

CTP=Q17eQ17m-

α×USLe/USLm

(5)

CTP—家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)；Q17e— GB/T 19141-2011試驗(yàn)條件下，等同于日太陽輻照量為17 MJ/m2所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量，MJ/m2；Q17m—GB/T 19141-2011規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積日有用得熱量的通過最小值，MJ/m2；α—權(quán)重系數(shù)，表示平均熱損因數(shù)在家用太陽能熱水系統(tǒng)能效系數(shù)中的權(quán)重，在國標(biāo)中α取0.9；USLe試驗(yàn)條件下測試所得的家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)，W·m-3·K-1；USLm—GB 26970-2011 規(guī)定的家用太陽能熱水系統(tǒng)的最大平均熱損因數(shù)W·m-3·K-1.

3 結(jié)果與分析

3.1 兩種熱水系統(tǒng)得熱量和平均日效率

選取導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)一天的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理和分析.表2為測試得到的環(huán)境溫度及相關(guān)熱性能參數(shù).圖2表示在測試當(dāng)天熱水系統(tǒng)白天的溫升與環(huán)境溫度和太陽輻射曲線.

表2 得熱量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2兩種熱水系統(tǒng)白天溫升與環(huán)境溫度和太陽輻射曲線

Fig.2 Daytime temperature rise and ambient temperature and solar radiation curves of two hot water systems

由表2可知,兩種熱水系統(tǒng)的得熱量數(shù)值滿足國標(biāo)關(guān)于緊湊式太陽熱水系統(tǒng)日有用得熱量Qs≥7.7 MJ/m2的要求;與傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)相比，導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的平均日效率提高了7.5%，其原因主要有：(1)導(dǎo)流管傳遞熱量的性能優(yōu)良，它作為集熱器和水之間的媒介，可以將從集熱器那里得到的熱量快速傳遞給冷水.(2)傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的玻璃真空集熱管內(nèi)始終有殘留的熱水，導(dǎo)致熱水中的熱量沒有得到充分利用，造成系統(tǒng)平均熱效率較低.而在導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)中，真空管內(nèi)基本沒有留存的熱量.

圖2是兩種熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)的平均溫升、環(huán)境溫度、太陽輻射隨時間的變化曲線，當(dāng)天的環(huán)境溫度的范圍是17.3～26.7 ℃.導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)平均溫度與傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的平均溫度相比，隨著累計(jì)太陽輻照量的增大，導(dǎo)流管式的平均溫度上升的速率明顯高于傳統(tǒng)式的平均溫度,主要原因是導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)真空管內(nèi)熱容較小，啟動快，系統(tǒng)升溫迅速.

3.2 水箱水溫分層情況

對于導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的水溫分層的具體狀況，測得貯熱水箱上中下三個溫度及室外環(huán)境溫度，其不同測點(diǎn)的溫升情況如圖3所示.

圖3導(dǎo)流管式與傳統(tǒng)式各層溫度對比示意圖

Fig.3 Schematic diagram of temperature comparison between diversion tube and traditional layer

導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的溫度分層情況如圖3實(shí)線所示，當(dāng)天環(huán)境溫度范圍為16.8～34.2 ℃，從圖中實(shí)線的趨勢可以明顯看出，水箱中的水溫起始溫度相差不大，水溫溫差相差在1 ℃之內(nèi).隨著太陽輻照量的不斷增加，溫度明顯上升.水箱上層溫度上升幅度最大，中層溫度上升幅度次之，下層溫度上升幅度最小.導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)水箱內(nèi)的溫度有一個十分明顯的分層現(xiàn)象，其中水箱上層水的溫度和水箱中層水的溫度相差較小，水箱上層水的溫度與水箱下層水的溫度相差較大.下層溫度比中層溫度平均低4.3 ℃，比上層溫度平均低6.2 ℃.

傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的溫度分層情況如圖3虛線所示，當(dāng)天的環(huán)境溫度范圍為16.8～34.2 ℃，從圖中虛線的趨勢可以明顯看出，水箱上中層起始溫度相差不大，水溫溫差相差在0.5 ℃之內(nèi).隨著太陽輻照量的不斷增加，溫度上升明顯.水箱上層溫度上升幅度最大，中層溫度上升幅度次之，下層溫度上升幅度最小.傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)溫度分層明顯，上層和中層水溫相差較小，與下層溫度相差較大.下層溫度比中層溫度平均低6.8 ℃，比上層溫度平均低9.7 ℃.

從圖3可以明顯看出，隨著累計(jì)太陽輻射量的增加，導(dǎo)流管式承壓的溫度上升速率明顯高于傳統(tǒng)式.將兩種不同熱水系統(tǒng)的各層溫度分別相比，導(dǎo)流管式承壓的上層溫度與傳統(tǒng)式的上層溫度相比相差12.8 ℃，中層溫度相差13.7 ℃，上層溫度相差15.9 ℃.總體來看，導(dǎo)流管式承壓的三層溫度明顯高于傳統(tǒng)式的三層溫度.體現(xiàn)了導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能熱轉(zhuǎn)換率更高.

3.3 兩種熱水系統(tǒng)的熱損

選取導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)2018年5月17日到5月18日的夜間熱損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其測試數(shù)據(jù)如表3所示.

在天氣情況完全相同的條件下(以平均環(huán)境溫度19.7 ℃計(jì)算)，降溫時間一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)溫度降低2.2 ℃，傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)溫度降低2.7 ℃.導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)熱損因數(shù)為7.4 W·m-3·K-1，傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)熱損因數(shù)為12.0 W·m-3·K-1，導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的熱損因數(shù)比傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的熱損因數(shù)低.主要原因是導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)真空管內(nèi)無水，真空管與水箱不通，散熱面積小.而傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)真空管內(nèi)有水，真空管與水箱相連，散熱面積大.

3.4 兩種熱水系統(tǒng)的能效系數(shù)

選取導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)2018年5月17日到5月18日的試驗(yàn)數(shù)據(jù),其測試數(shù)據(jù)如表4所示.

表4 能效系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4可以看出，在相同的環(huán)境溫度下，導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)和傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的能效系數(shù)相差很大，主要與系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)和17 MJ下得熱量有關(guān).參照國標(biāo)中緊湊式熱水系統(tǒng)的能效等級，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，導(dǎo)熱管式熱水系統(tǒng)的能效系數(shù)為0.77.導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的CTP(能效等級)≥0.50，屬于一級；傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的能效系數(shù)為0.35.傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的CTP(能效等級)在0.32≤CTP<0.50，屬于二級.

4 結(jié) 論

通過對導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的熱性能測試，并與傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)進(jìn)行對比.得出以下結(jié)論：

(1)在晴天的天氣下，導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)分層比傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)明顯，兩個系統(tǒng)的上層溫度與中層溫度都相差不大，與下層溫度相差較大.導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)的得熱量相差大，且平均日效率提高了7.5%，導(dǎo)流管式的平均溫度上升的速率明顯高于傳統(tǒng)式的平均溫度.相比較于導(dǎo)流管式的平均溫度的增長趨勢，傳統(tǒng)式的平均溫度的增長趨勢較平緩.在初始溫度相差不大的情況下，試驗(yàn)結(jié)束時，導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的各層溫度均比傳統(tǒng)式的高，而他們初始溫度相同,表明導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)換率更高.

(2)導(dǎo)流管式熱水系統(tǒng)比傳統(tǒng)式熱水系統(tǒng)熱損因數(shù)小，這是由于和傳統(tǒng)式緊湊系統(tǒng)相比，真空管內(nèi)無熱水，因此系統(tǒng)的散熱主要集中在貯熱水箱，集熱器基本無散熱.

(3)根據(jù)國標(biāo)所測試的導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)，當(dāng)太陽輻照量為17 MJ/m2,其得熱量為9.14 MJ/m2,平均熱效率為53.8%，熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)為7.4 W·m-3·K-1，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求.導(dǎo)流管式承壓全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)水箱的溫度分層明顯，熱效率高，承壓效果好，可運(yùn)用于北方寒冷地區(qū).