夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)熱性能實驗研究

牛艷， 高文峰, 劉滔， 林文賢， 陳雪嬌， 段亞丹， 張昱翀

(云南師范大學 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進技術與制備重點實驗室，云南 昆明650092)

1 引 言

太陽能熱水器已廣為應用，常見的類型主要有真空管太陽熱水器、悶曬型太陽熱水器和平板型太陽熱水器；其中，真空管型太陽熱水器具有良好的防凍抗凍性能和低熱損系數等優(yōu)點，在太陽能熱利用領域得到廣泛關注和應用[1].

1999年，Shahab Alizadeh[2]研究了臥式儲熱水箱的熱性能，得出使用發(fā)散錐管作為入口噴嘴可以得到更好的熱分層的結論.2005年，Furbo[3]對各種換熱器進行對比實驗，實驗表明立式的夾套水箱的換熱效果比較明顯.2017年，路靈等人[4]提出了一種太陽能熱水器用導流管設計方式，這種方式結構合理、簡單高效，可解決現有太陽能熱水器真空管導熱不暢、易炸管等不足.上述研究表明，對太陽能熱水系統(tǒng)換熱環(huán)節(jié)進行調整，對其各方面性能都有極大影響.

夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)，有著水質干凈、承壓、換熱面積大以及抗凍的優(yōu)點[5].參照相關國家標準，本文在晴天天氣下對一款夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)進行熱性能實驗，并與普通真空管太陽能熱水系統(tǒng)進行對比，分析其熱性能和運行特性.

圖1 夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)結構原理圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

實驗對象為一款夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)，主要由集熱器、水箱和支架[10]組成，其結構如圖1所示：1為水箱外殼；2為全玻璃真空管，主要作用是吸收太陽能并將其轉化為熱能；3為保溫層；4為夾套換熱水箱內的換熱夾套;5為換熱夾套內的工作介質,可在其中加入防凍液，提高系統(tǒng)防凍性能；6為壓力平衡罐；7為水箱內膽；8為生活用水；9為支架；10為排污口.

全玻璃真空管穿過水箱外殼伸入換熱夾套中,首先由全玻璃真空管吸收太陽能轉化為熱能，加熱真空管內的介質，再由真空管內的介質將熱量傳遞給換熱夾套中的工作介質，最后由換熱夾套中的工作介質通過水箱內壁加熱水箱中的水.

2.2 實驗測試

實驗在云南省昆明市國家太陽能熱水器質量監(jiān)督檢驗中心進行.為使對比更客觀、準確，選擇兩個具有相近的采光面積和水箱水量的熱水系統(tǒng)作為對比組進行試驗(如表1).

在普通熱水系統(tǒng)水箱和夾套熱水系統(tǒng)水箱的上部、中部、下部和環(huán)境中各安置一個溫度傳感器測量溫度，因為水箱水溫存在分層現象，在水箱上中下安置三個溫度傳感器能更準確地測得水箱內的水溫.將風速測量儀器安裝在距離地面1.5 m的位置，對周圍的風速進行監(jiān)測，在兩個熱水系統(tǒng)集熱器的表面分別安裝總輻射表，總輻射表應與集熱器采光面保持平行且不遮擋采光，將所有溫度傳感器和輻射表與記錄儀連接起來.

日有用得熱量q和平均熱損因數USL的測試和計算參考GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術條件》[6]和GB/T 18708-2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方法》[7]進行.

表1 兩個熱水系統(tǒng)參數對比表

3 實驗結果及分析

3.1 實驗數據分析

對夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)進行多次實驗測試，選取其中一組數據進行分析，選取數據的測試時間為2018年1月5日-1月6日.選取的白天測試時間為9∶00-17∶00，夜間測試時間為20∶00-04∶00.

計算夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)日有用得熱量和平均熱損因數，處理結果見表2.

表2 兩個熱水系統(tǒng)數據處理結果表

由表可見，夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量分別為10.187 MJ/m2和10.576 MJ/m2，都達到緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量≥7.7 MJ/m2的要求.因為夾套熱水系統(tǒng)有一層夾套，系統(tǒng)在加熱工質的同時損失了一部分能量，所以夾套熱水系統(tǒng)的日有用得熱量比普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量略低，但差別不大.

計算得夾套熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)平均熱損因數分別為11.678 W/(m3·K)和9.093 W/(m3·K)，都符合緊湊式家用太陽能熱水系統(tǒng)的平均熱損因數≤16 W/(m3·K)的要求，夾套的平均熱損因數比普通的大，即普通熱水系統(tǒng)的保溫性能優(yōu)于夾套熱水系統(tǒng).

3.2 運行特性分析

3.2.1 整體分析

圖2為2018年1月5日-6日實驗所測得的兩種太陽能熱水系統(tǒng)水箱內平均溫度隨時間變化曲線圖.從圖中可以看出在相同的太陽輻照下，兩者的升溫速率并不一樣.在18∶30左右夾套熱水系統(tǒng)平均溫度與普通熱水系統(tǒng)平均溫度有一個交點，而普通熱水系統(tǒng)平均溫度的起始溫度比夾套熱水系統(tǒng)高，由此可得，在9∶00-18∶30的升溫階段中普通熱水系統(tǒng)升溫相對較慢.

圖2兩種太陽能熱水系統(tǒng)水箱內平均溫度隨時間變化曲線圖

Fig.2 Curve chart of average temperature versus time in two hot water systems

由圖2可得，普通熱水系統(tǒng)水箱內水溫在18∶00達到最高值并開始降溫，而夾套熱水系統(tǒng)水溫在19∶00達到最高溫度并開始降溫，夾套熱水系統(tǒng)最高溫度比普通熱水系統(tǒng)高.雖然起始階段普通熱水系統(tǒng)水溫比夾套熱水系統(tǒng)高，但是夜間降溫期間，夾套熱水系統(tǒng)的溫度高于普通熱水系統(tǒng).從圖中可以明顯地看出夜間降溫期間夾套式熱水器的水溫變化曲線傾斜較大，這也驗證了表2中夾套熱水系統(tǒng)平均熱損因數略大的結論.

3.2.2 白天運行特性分析

圖3為白天兩種熱水系統(tǒng)貯熱水箱內各點水溫、環(huán)境溫度和太陽輻射值隨時間變化曲線圖.從實驗開始太陽瞬時輻照值持續(xù)增長，在13：00達到最大值并開始下降，直到試驗結束，太陽輻射強度變化為450-1 196 W/m2，累計輻照量為25.89 MJ(大于17 MJ)，符合實驗規(guī)定.實驗期間，環(huán)境溫度持續(xù)緩慢上升，溫度范圍為9.4-19.6 ℃，平均值為15.29 ℃.

從圖3中可以看出，在9∶00-17∶00夾套熱水系統(tǒng)的水箱溫度始終低于普通熱水系統(tǒng)，因為真空管需先將夾套內的工質加熱后，才能通過水箱內壁將熱量傳給內水箱.

水箱內的水存在分層現象，原因是熱水的密度比冷水的密度小，所以開始時同一水箱內水箱上層的水溫度最高，下層的水溫度最低.同一水箱中下層與中層分層更為明顯些，因為水箱下層溫度在實驗開始時上升緩慢.夾套熱水系統(tǒng)水箱下層與中層分層比普通熱水系統(tǒng)更為明顯，這也是因為夾套熱水系統(tǒng)的真空管需先加熱夾套內的工質.

圖3白天水箱溫度、環(huán)境溫度和太陽輻射值變化曲線圖

Fig.3 Variation chart of tank temperature,ambient temperature and solar radiation during daytime

3.2.3 夜間運行特性分析

為了更直觀地觀察兩個系統(tǒng)夜間的運行特性變化，選取變化趨勢更為明顯的17∶00-03∶00的數據繪圖分析(如圖4).

圖4夜間的熱水器水溫和環(huán)境溫度變化曲線圖

Fig.4 Curves chart of tank temperature and ambient temperature for night

夜間降溫時期兩個熱水系統(tǒng)水箱下層溫度分層較白天更加明顯，普通水箱的下層從18∶00左右開始發(fā)生更明顯的分層現象，夾套換熱水箱從21∶00開始發(fā)生更明顯的分層現象，且夾套換熱水箱依然比普通水箱更明顯.類似于白天升溫過程中下層溫度升溫緩慢的現象，在降溫過程中下層水溫較中上層降得更快從而造成分層明顯的現象.

4 結 論

通過對兩種太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量、平均熱損因數和運行特性曲線進行對比，可以得出以下結論：

(1)夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)日有用得熱量比普通全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的日有用得熱量小，但差距不是很大.夾套換熱水箱熱水系統(tǒng)和普通熱水系統(tǒng)相比，平均熱損因數略大，即普通全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)的保溫性能略優(yōu)于夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng).

(2)兩種熱水系統(tǒng)水箱內水溫分層都比較明顯，夾套熱水系統(tǒng)比普通熱水系統(tǒng)水箱分層更為明顯.

雖然夾套熱水系統(tǒng)比普通熱水系統(tǒng)的日有用得熱量略小，熱損略大，但是夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)有承壓、抗凍能力強，并且生活用水干凈等優(yōu)點，夾套換熱水箱全玻璃真空管太陽能熱水系統(tǒng)仍有其實用意義.從本文的實驗結果分析，為使這類熱水系統(tǒng)具有更好的性能，還需進一步優(yōu)化夾套水箱結構.