雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱性能研究

閆崇強(qiáng)，顏士峰，肖勝鑫，張 波，沈其民，盧麗麗，孫奕穎

(1.山東魯源節(jié)能認(rèn)證技術(shù)工程有限公司，濟(jì)南 250100；2.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，濟(jì)南 250102)

0 引言

在與建筑一體化相結(jié)合的太陽能產(chǎn)品中，平板型分體式太陽能熱水系統(tǒng)是兼顧安全和優(yōu)良性能的產(chǎn)品[1]。雖然與真空管型太陽能熱水系統(tǒng)相比，平板型分體式太陽能熱水系統(tǒng)在能效方面還存在較大差距，但真空管型太陽能熱水系統(tǒng)與高層建筑結(jié)合時存在炸管、非承壓等缺點(diǎn)。平板型太陽能集熱器是平板型分體式太陽能熱水系統(tǒng)的核心集熱部件，其性能會直接影響整個太陽能熱水系統(tǒng)的能效。提高平板型太陽能集熱器的熱性能不僅有利于充分利用太陽能，還能夠增加集熱器的可靠性[2-3]。保溫性和吸熱體的吸收率是影響平板型太陽能集熱器熱性能的2個主要因素，現(xiàn)有的吸熱體涂層材料的吸收率基本上已達(dá)到0.92以上的水平，提升空間有限[4-5]。因此，提升平板型太陽能集熱器的保溫性是提升其熱性能的關(guān)鍵因素。

為探索玻璃蓋板對平板型太陽能集熱器熱性能的影響，本文針對分別采用單層玻璃蓋板和雙層玻璃蓋板的平板型太陽能集熱器的熱性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，以期為平板型太陽能集熱器的推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，設(shè)計制作了分別采用單層玻璃蓋板和雙層玻璃蓋板的平板型太陽能集熱器各1臺，這2臺平板型太陽能集熱器的參數(shù)如表1所示。

表1 2臺平板型太陽能集熱器的參數(shù)Table 1 Parameters of two flat plate solar collectors

為測試2臺平板型太陽能集熱器的熱性能，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，如圖1所示。平板型太陽能集熱器的工質(zhì)進(jìn)、出口溫度由Pt1000溫度傳感器測量，測量精度為±0.1 ℃，分辨率為0.1 ℃；太陽輻射強(qiáng)度采用1級太陽輻照表測量；工質(zhì)質(zhì)量流量采用流量計測量；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集，記錄步長為20 s。

本實(shí)驗(yàn)中，以水作為工質(zhì)，實(shí)驗(yàn)平臺采用主動跟蹤太陽的方式運(yùn)行，循環(huán)系統(tǒng)通過控制器調(diào)節(jié)電加熱和冷卻機(jī)組，將工質(zhì)進(jìn)口溫度控制在設(shè)定溫度±0.1℃。當(dāng)太陽光照射平板型太陽能集熱器后，集熱器的吸熱體將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能，并通過吸熱體與水之間的對流換熱將熱能傳遞給水，由此將太陽輻射能轉(zhuǎn)化成為可儲存在工質(zhì)中的熱能。

2 理論分析

根據(jù)GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》[6]，平板型太陽能集熱器實(shí)際獲得的有用功率QU可表示為：

式中，m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；ΔT為工質(zhì)進(jìn)、出口溫差，℃；cf為對應(yīng)于平均工質(zhì)溫度的傳熱工質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)。

當(dāng)以采光面積Aa作為參考標(biāo)準(zhǔn)時，平板型太陽能集熱器表面接收的太陽輻射功率為AaI，其中，I為太陽輻射強(qiáng)度。則平板型太陽能集熱器基于采光面積Aa的瞬時效率ηa可表示為[6]：

基于工質(zhì)進(jìn)口溫度的歸一化溫差可表示為[6]：

式中，ti為工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃。

瞬時效率ηa應(yīng)利用最小二乘法進(jìn)行曲線一次擬合得出，其公式為[6]：

式中，η0為瞬時效率截距；U為熱損失系數(shù)，W/(m2·℃ )。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于國家節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 (117°14′12′′E、36°39′53′′N)。將 2 臺平板型太陽能集熱器放置在同一個實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行實(shí)時測試，實(shí)驗(yàn)參照GB/T 4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》中對太陽能集熱器瞬時效率的測試方法，在同一個測試日對2臺平板型太陽能集熱器分別設(shè)定28.7、41.4、54.2和66.9 ℃這4個工質(zhì)進(jìn)口溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2臺平板型太陽能集熱器的熱性能實(shí)驗(yàn)典型數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，在28.7 ℃和41.4 ℃這2個工質(zhì)進(jìn)口溫度下，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在54.2 ℃和66.9 ℃這2個工質(zhì)進(jìn)口溫度下，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高。這是因?yàn)橄噍^于單層玻璃蓋板，雙層玻璃蓋板在削弱了太陽光線透過率的同時，還減少了集熱器的熱損失，因而在較低工質(zhì)進(jìn)口溫度時，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在工質(zhì)進(jìn)口溫度較高時，單層玻璃蓋板的熱損失明顯增大，從而出現(xiàn)了雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高的情況[7]。綜上所述，在工質(zhì)進(jìn)口溫度ti≥54.2 ℃時，更適合采用雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器。

表2 2臺平板型太陽能集熱器的熱性能實(shí)驗(yàn)典型數(shù)據(jù)Table 2 Typical data of thermal performance for two flat plate solar collectors

2臺平板型太陽能集熱器的采光面積為Aa、工質(zhì)進(jìn)口溫度為ti時，基于工質(zhì)進(jìn)口溫度的歸一化溫差和瞬時效率ηa的線性擬合曲線如圖2所示。

單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器和雙層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的一次線性擬合公式分別為結(jié)合圖2及2臺太陽能集熱器的線性擬合公式可知，單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的瞬時效率截距大于雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率截距，而且單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的線性擬合曲線斜率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的大，因此，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數(shù)小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數(shù)。當(dāng)時，2臺平板型太陽能集熱器的瞬時效率相等；當(dāng)0.0212時，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率大于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率；當(dāng)時，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率。

4 結(jié)論

本文針對單層、雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器進(jìn)行了熱性能實(shí)驗(yàn)對比，對2臺平板型太陽能集熱器在不同工質(zhì)進(jìn)口溫度下的瞬時效率進(jìn)行了對比分析研究，并根據(jù)2臺平板型太陽能集熱器的一次線性擬合曲線及公式對其各自的熱性能優(yōu)劣進(jìn)行了比較，得到以下結(jié)論：

1) 在28.7 ℃和41.4 ℃這2個工質(zhì)進(jìn)口溫度下，單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高；而在54.2 ℃、66.9 ℃這2個工質(zhì)進(jìn)口溫度下，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率比單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的高。

2) 單層玻璃蓋板平板型太陽集熱器的瞬時效率截距大于雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的瞬時效率截距，雙層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數(shù)小于單層玻璃蓋板平板型太陽能集熱器的熱損系數(shù)。