平板太陽能集熱器冬季運行策略優(yōu)選實驗與集熱性能對比研究

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1152 文章編號：0254-0096（2023）11-0174-08

摘 要：為進一步改善平板太陽能集熱器（FPSC）冬季水溫提升能力的不足，通過搭建的實驗平臺對FPSC冬季運行策略展開多項實驗，分析不同運行模式所對應的集熱性能以及適用條件，為平板集熱器更高效利用提供參考方案。研究發(fā)現(xiàn)：單塊FPSC高流速運行的集熱效率可達63.74%，各項熱性能指標參數(shù)優(yōu)異，但水箱溫度偏低；串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的水溫提升能力較單塊模式顯著增強，全天溫升超過30 ℃，效率達到5.15%。其中，并聯(lián)系統(tǒng)的熱效率、對流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)分別為51.52%、41.95 W/（m2·K）、4.74 W/（m2·K），明顯優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)的45.33%、38.74 W/（m2·K）、4.81 W/（m2·K），集熱性能更佳；系統(tǒng)冬季低流速運行將出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，同時水箱內部溫度分層明顯；高流速運行工況下，降低水箱容積將縮短有效集熱時間，無法充分吸收太陽輻照能；增大水箱容積雖能減少集熱損失，但系統(tǒng)溫升下降造成熱能品質降低。

關鍵詞：太陽能；集熱器；熱能；；效率

中圖分類號：TK519"""""""""""" """"""""" """"""""文獻標志碼：A

0 引 言

平板太陽能集熱器（flat plate solar collector， FPSC）是一種能采集與轉換太陽輻照能的簡易裝置，因其外形美觀、成本低廉、經(jīng)濟高效等優(yōu)勢在可再生能源領域得到廣泛應用［1］，極大地滿足了熱水、采暖、制冷、干燥、烹飪、脫鹽等工藝的能源需求［2］。

水作為換熱工質能存儲更多的熱能，因此吸引了學者們對平板太陽能集熱器的設計結構［3-4］、運行參數(shù)［5-6］、外部環(huán)境［7-8］等性能影響因素展開大量的研究工作，以期實現(xiàn)太陽能的高效熱利用。除此以外，微型通道［9］、納米流體［10］、相變材料［11］等新型傳熱方式的提出則進一步豐富了集熱器類型的選擇，但流動阻力的增加會造成流體物理化學性質的不穩(wěn)定，高昂的制作成本也將制約系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

結合上述，F(xiàn)PSC無論是采用復雜的換熱結構還是改變系統(tǒng)的運行工況，其目的在于提升集熱效率。為產(chǎn)出高溫的清潔熱水，系統(tǒng)通常采取低流速或降容積的運行策略以獲取更高的水流溫升。然而，低流速工況下隨著集熱過程的進行，水箱內部壓強逐漸增大甚至超過水泵出力從而影響到水的持續(xù)流動。特別在冬季，較大的環(huán)境熱損失使得水箱與集熱管道間的壓差阻力更為明顯，斷流現(xiàn)象時常發(fā)生，水溫難以達到預期目標，系統(tǒng)的全年實用性需進一步得到改善。不僅如此，中國建筑采用的平板太陽能集熱器多為排管式換熱結構，有關集熱器冬季高流速運行的可行性研究以及提高水溫的針對性運行策略也還少有提及，同時太陽能光熱系統(tǒng)的大面積聯(lián)用也將是太陽能與建筑一體化發(fā)展的重要趨勢。

為解決上述問題，本文首先對FPSC的單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種運行模式展開性能對比測試，結合對流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)、效率等數(shù)據(jù)全面地評估各運行模式的工作特性；其次，借助并聯(lián)系統(tǒng)的流量實驗闡述斷流現(xiàn)象的存在及特征，并驗證系統(tǒng)高流速運行的可行性；再次，通過調節(jié)水箱容積探究循環(huán)水量對系統(tǒng)效率與集熱性能的影響，找出定流速運行的最佳配水量；最后，利用實驗結果對FPSC實際運行策略提出優(yōu)選建議，以期為系統(tǒng)內部結構的改造升級提供實驗參考。

1 實驗裝置簡介

1.1 集熱器結構與組件參數(shù)

FPSC的主要部件包括：玻璃蓋板、吸熱板、換熱銅管以及保溫邊框。其中，玻璃蓋板與吸熱板間留有25 mm的空氣夾層，7根豎排銅管通過激光焊接技術與吸熱板緊密貼合，F(xiàn)PSC整體構造簡單，穩(wěn)定性高，底部及側面均采用聚酯棉保溫，內部結構示意如圖1所示。表1列出了各組件的規(guī)格參數(shù)。

1.2 測試平臺及運行原理

測試平臺位于安徽建筑大學南校區(qū)（31°52′N，117°17′E），主要由集熱器本體及支架、水箱、氣象站等基本設備構成。通過圖2a所示的實驗裝置分布情況可知，集熱器朝南橫放置在傾角為35°的支撐架臺上，放置方式與日常生活中一致，以便實驗結果提供更高的實用價值；集熱管道的進出口、水箱內部沿高度方向均勻布置多個精密溫度傳感器用于傳輸水流溫度數(shù)據(jù)，取測溫數(shù)據(jù)的平均值評價FPSC的工作性能；安裝在吸熱板前端、中間、尾部以及銅管與吸熱板焊接處的多組熱電偶則用于反饋銅管壁面全天溫度的實時變化。

FPSC的單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種不同工作模式的運行是通過控制循環(huán)水管路上閥門的開閉來實現(xiàn)的。測試期間，串聯(lián)與并聯(lián)系統(tǒng)由2塊完全相同的FPSC組建而成，水流在增壓泵作用下以下進上出的方式進出集熱器。結合流程原理圖2b，不同運行模式對應的閥門開閉情況如下。單塊模式：開啟閥門1、2，關閉閥門3、4、5、6；串聯(lián)模式：開啟閥門1、4、5、6，關閉閥門2、3；并聯(lián)模式：開啟閥門1、2、3、5、6，關閉閥門4。

太陽能熱水系統(tǒng)性能測試儀（TRM-2B，錦州陽光氣象科技有限公司）的正常工作是實驗開展的重要保障，表2列出了系統(tǒng)所包含測量儀器的運行參數(shù)。對于風速、濕度等環(huán)境參數(shù)可通過氣象站直接導出，而各測溫點的變化趨勢利用數(shù)據(jù)采集儀實時收集，更新頻率為60 s。

2 理論計算

2.1 集熱效率

太陽輻照透過玻璃蓋板將能量傳遞至吸熱板，因此吸收的太陽輻照能表達式為：

[Qsun=Aab?（τα）e?Sin=Aab?t1t2（GΔt）]" （1）

式中：[Qsun]——吸收的太陽輻照能，MJ；[Aab]——吸熱板面積，對于串聯(lián)/并聯(lián)系統(tǒng)吸熱板面積為單塊FPSC面積的2倍，m2；[（τα）e]——有效透射率-吸收率乘積，簡稱有效乘積；[Sin]——單位面積的入射輻照能量，MJ/m2；[t1、t2]、[Δt]——計算輻照量的起始、結束、系統(tǒng)全天運行的時間，s；[G]——瞬時有效輻照度，W/m2。

對于有效乘積[（τα）e]的補充為：

[（τα）e=（τα）+（1-τa）i=1naiτi-1]" （2）

式中：[τ、τa]——最外層玻璃蓋板的透射率；[α]——吸熱面的吸收率；ai——頂部損失系數(shù)[Ut]與第[i]層玻璃蓋板到環(huán)境熱損失系數(shù)之比，即[ai=Ut/Ue，i-a]，受吸熱面溫度、環(huán)境溫度、吸熱面發(fā)射率以及風速等因素的影響，本文集熱器為單層玻璃蓋板結構。

FPSC熱效率定義為：

[ηi=Mi?Cw?ΔTQsun=Mi?Cw?（Tmax-Tmin）t1t2G?Aab] （3）

式中：[ηi]——熱效率，分為系統(tǒng)熱效率[ηst]、水箱熱效率[ηnet]，%；[Mi]——循環(huán)水質量，分為系統(tǒng)內水的總質量[Mst]、水箱內水的總質量[Mnet]，kg；[Cw]——水的比熱容，J/（kg·K）；[Tmax]、[Tmin]——水流的最高和最低溫度，K。

熱損失率用來評價系統(tǒng)的集熱程度，計算式為：

[ξ=Qsun-QwQsun]""""" （4）

式中：[ξ]——熱損失率，%；[Qw]——全天吸熱量，J。

效率能反映能量品質的高低，計算簡化為：

[Eth=m?Cw?（To-Ti）-Tamb?lnToTi] （5）

[Esun=ψ?Aab?G=1-43TambTsun+13TambTsun4?Aab?G]""""" （6）

[εth=t1t2Etht1t2Esun=Mnet?Cw?（Tmax-Tmin）-Tamb?lnTmaxTminψ?Qsun]""""" （7）

式中：[Eth]——單位時間的熱量，W；[m]——水的質量流量，kg/s；[Ti、To]——水流瞬時進、出口水溫度，K；[Tamb]——環(huán)境溫度，K；[Esun]——單位時間的輻照，W；[ψ]——輻照系數(shù)，%；[Tsun]——太陽假設為黑體的等效溫度，取5777 K。

2.2 傳熱分析

傳熱分析基于以下兩點假設：

1）由于銅管尺寸較小且與吸熱板緊密貼合，因此假設對流換熱過程中，銅管壁面溫度近似等于對應處吸熱板溫度。

2）換熱面積近似為銅管的表面積。

循環(huán)水通過與銅管壁進行對流傳熱獲取熱量，單位時間內熱傳遞量的計算如式（8）～式（12）所示：

[Qc=Qw/t]""""" （8）

[Qc=hc?Atube?（Tp-Tw）] （9）

[m?Cw?（To-Ti）=hc?Atube?（Tp-Tw）]""""" （10）

[Tw=To+Ti2]" （11）

[Tp=T1+T2+T33]"" （12）

式中：[Qc]——單位時間的對流換熱量，W；[t]——系統(tǒng)的運行時間，s；[hc]——對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；[Atube]——過流斷面面積，取7根銅管橫截面積，m2；[Tp]——銅管與吸熱板銜接處3個測溫點的溫度平均值，K；[Tw]——水流平均溫度，K。

化簡后對流換熱系數(shù)的一般計算式為：

[hc=m?Cw?（To-Ti）Atube?（Tp-Tw）]"""""" （13）

對于圓銅管需補充計算式（14）、式（15）：

[Atube=π?De?Ltube]""""" （14）

[De=4R=4Atubeχ]"""""" （15）

對流換熱系數(shù)的平均值表示為：

[ha=t1t2hcN]" （16）

式中：[De、R]——水力直徑、水力半徑，m；[Ltube]——銅管長度，m；[χ]——過流壁面上流體與固體接觸的周界，即濕周（注：銅管內是滿水流動，濕周取銅管圓周長），m；[N]——數(shù)量。

銅管內水的流動狀態(tài)通過雷諾數(shù)判斷：

[Re=vρDeμ]"""""" （17）

式中：[v]——水流速度，m/s；[ρ]——流體密度，kg/m3；[μ]——流體黏度，Pa·s。

FPSC主要通過頂部（[Ut]）、底部（[Ub]）和側面（[Ue]）向周圍環(huán)境傳遞熱量，總的熱損失系數(shù)計算方法如式（18）所示：

[Uo=Ut+Ub+Ue]""" （18）

根據(jù)文獻［12］的經(jīng)驗公式，單層玻璃蓋板集熱器的頂部熱損失系數(shù)按式（19）～式（23）計算。

[Ut=1hw+1CTabsTabs-Tamb1+fe-1+"""""""" σ（Tabs+Tamb）（Tabs2+Tamb2）（εabs+0.00591hw）-1+1+f+0.133εabsεg-1]"""""" （19）

其中，經(jīng)驗因子[C、e、f]的計算過程通過式（20）～式（22）開展：

[C=520（1-0.00005β2）] （20）

[e=0.431-100Tabs] （21）

[f=1.07866?[1+（0.089-0.1166εabs）hw]]"""""" （22）

[hw=5.7+3.8Vw]"" （23）

式中：[hw]——玻璃蓋板頂部與外部環(huán)境的對流、輻射換熱總系數(shù)，W/（m2·K）；[Tabs]——吸熱板溫度，K；[σ]——Stefan Boltzmann常數(shù)，取值5.67×10-8 W/（m2·K4）；[εabs]——吸熱板發(fā)射率，取0.1；[εg]——玻璃蓋板發(fā)射率，取0.88；[β]——集熱器傾角，本實驗為35°；[Vw]——環(huán)境風速，m/s。

底部和側面熱損失通過式（24）、式（25）計算：

[Ub=κiδb]"" （24）

[Ue=κiδe?AeAab]"" （25）

式中：[κi]——隔熱材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）；[δb]、[δe]——底部和側面聚酯棉厚度，m；[Ae]——集熱器兩邊的側面積，m2。

2.3 不確定性分析

計算不確定度是為了找出測量過程以及儀器精度所引起的誤差，參數(shù)不確定度的計算原理為：

[Er=?r?x1?A12+?r?x2?A22+???+?r?xn?An12]""""" （26）

式中：[r]——一般變量；[x1，x2，···，xn]——自變量；A1， A2， ···， An——因變量的不確定性。

熱效率及效率的不確定度采用式（27）～式（30）計算：

[ΔQwQw=ΔMM2+ΔTmaxTmax2+ΔTminTmin12"""""""""""""""""""" =ΔMM2+2?ΔTT212]""""" （27）

[ΔQsunQsun=ΔII2+ΔAabAab212]""" （28）

[Δηthηth=ΔQwQw2+ΔQsunQsun212×100%"""""""" =（0.03）2+2?（0.02）2+（0.02）2+（0.01）212×100%=4.69%]

（29）

[Δεexεex=ΔQwQw2+ΔQsunQsun2+ΔTaTa212×100%""""""" =（0.03）2+2?（0.02）2+（0.02）2+（0.01）2+（0.01）212×100%"nbsp;""""" =4.80%]" （30）

進一步地，對于對流換熱系數(shù)與頂部熱損失系數(shù)的誤差計算通過式（31）、式（32）進行：

[Δhh=Δmm2+ΔAtubeAtube2+ΔTT212×1 00%"""""" =（0.03）2+（0.01）2+（0.02）212×100%=3.74%]""" （31）

[ΔUtUt=ΔVwVw2+ΔTT2+ΔT2T2212×100%""""""" =（0.005）2+（0.02）2+（0.022）212×100%=2.06%] （32）

各項測量參數(shù)的不確定性計算結果均在2%～5%之間，由此表明實驗結果的準確度是可信的。

3 實驗結果及分析

3.1 FPSC不同運行模式實驗

2022年1月1—3日開展FPSC單塊、串聯(lián)、并聯(lián)3種不同運行模式的性能對比測試，考慮到冬季環(huán)境溫度較低，實驗開始時間為每天09：00，對應的環(huán)境參數(shù)變化曲線如圖3所示。實驗前期，循環(huán)流速、水箱容積分別設定為0.15 kg/s、140 L，輻照度、風速等參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)計算后在表3中列出。由于數(shù)據(jù)處理的取值區(qū)間為水箱全天最低與最高溫度對應的時間段，因此表中會出現(xiàn)日均輻照度高，而輻照總量低的現(xiàn)象，表明系統(tǒng)全天有效集熱時間較短。對比可知，3種模式環(huán)境因素的影響較為接近，因此實驗結果的對比信度、參考價值可得到有效保證。

通過圖4所示的吸熱板和水箱溫度變化趨勢可見，吸熱板在無水工況下的溫度明顯高于有水工況，12：05時吸熱板溫度達到最高，為117.60 ℃，全天平均溫度為92.14 ℃；而吸熱板溫度（有水）的全天平均值僅有59.69 ℃，最高溫度出現(xiàn)在12：33，為79.70 ℃。分析可知，兩種工況下吸熱板間的溫差是由于水流動吸熱造成的，吸熱板溫度更低表明更多的熱量被收集，因此集熱過程中如何維持吸熱板溫度處于較低水平是提高集熱效率的重要途徑。結合圖4還可發(fā)現(xiàn)，單塊FPSC運行，水箱溫度從最初的8.25 ℃提升至最高的31.92 ℃，全天溫升23.67 ℃，系統(tǒng)熱效率達到63.74%，系統(tǒng)在冬季的集熱性能表現(xiàn)優(yōu)異。

基于表3中的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，表4匯總了不同運行模式的測試結果，由表4可知，單塊模式的對流換熱系數(shù)、熱損失系數(shù)分別為3種模式中的最大值47.08 W/（m2·K）和最小值4.66 W/（m2·K），由此可見單塊FPSC的傳熱效果最佳，這一點通過對比熱損失率也可得到驗證。此外，系統(tǒng)選擇高流速運行（0.15 kg/s），而未選擇低流速運行，是為進一步增強水流與銅管壁面的對流換熱，使得水流在銅管內為紊態(tài)流動，增大換熱量的同時降低吸熱板溫度，從而達到增大對流換熱系

數(shù)、提升集熱效率的目的。進一步結合數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，雖然單塊運行模式的水箱熱效率可達到52.49%，但不足之處在于最終水溫未超過32 ℃，尚未達到淋浴水溫，還需借助輔助熱源才能滿足用熱需求，這將導致系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性大大降低，因而對FPSC冬季運行策略進行優(yōu)化是十分有必要的。

表4中串聯(lián)、并聯(lián)模式運行的實驗結果顯示，F(xiàn)PSC的串聯(lián)或并聯(lián)系統(tǒng)能大幅提高水箱溫升，可有效改善單塊FPSC運行集熱能力的欠缺，水溫至少可多提高7.09 ℃。不僅如此，串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的效率要高于單塊模式，更高的熱能品質拓寬了系統(tǒng)的應用領域。然而，串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的熱損失率相比于單塊FPSC明顯增大，這主要與集熱面積的大幅增加有關，這也導致了串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)對流換熱系數(shù)的降低和熱損失系數(shù)的升高。值得注意的是，并聯(lián)系統(tǒng)的吸熱板溫度要低于串聯(lián)系統(tǒng)1.45 ℃，說明近似工況下，并聯(lián)系統(tǒng)能吸收更多的輻照能量用以提升水溫，兩者集熱效率的差異也表明串聯(lián)系統(tǒng)的熱量損失更大，而并聯(lián)系統(tǒng)的集熱能力更為突出。

聯(lián)系實際，F(xiàn)PSC一般安裝于建筑的南墻陽臺，此處的長度空間一般可達3～4 m，因此完全可將FPSC的內部結構進行優(yōu)化，通過增加集熱面積、延長換熱管道等方式提高現(xiàn)有FPSC的集熱水平。由于并聯(lián)系統(tǒng)的集熱性能優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)，在保證集熱面積的前提下將管道結構改為并聯(lián)模式是可取的，但需考慮并聯(lián)系統(tǒng)將會消耗更多的銅管材料，制造成本必然高于只需延長管道長度的串聯(lián)系統(tǒng)。綜上，冬季用熱溫度不高的區(qū)域建議采用串聯(lián)系統(tǒng)，而如果需要更高的熱能品質，并聯(lián)系統(tǒng)更為合適，改造后的系統(tǒng)將大幅提升水溫，并實現(xiàn)全年的高效集熱。

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)性能驗證

2021年12月20—22日對FPSC并聯(lián)系統(tǒng)展開變流量實驗，旨在通過集熱性能的數(shù)據(jù)分析驗證系統(tǒng)高流速運行的可行性。實驗中，水箱容積為160 L，循環(huán)流速從0.05 kg/s增加至0.15 kg/s。此外，23、29日還開展了定流量工況下并聯(lián)系統(tǒng)不同水箱容積的性能測試，并結合流量實驗對比優(yōu)化系統(tǒng)冬季運行的最佳循環(huán)水量。實驗期間氣象數(shù)據(jù)以及環(huán)境參數(shù)的處理結果如表5所示。

圖5反映了并聯(lián)系統(tǒng)不同流速工況下吸熱板與水箱溫度的變化情況?？煽闯?，流速0.15 kg/s對應的吸熱板溫度明顯低于0.05 kg/s的流速工況，表明同等的循環(huán)水體積，高流速運行能吸收更多的熱量。進一步結合圖5可知，系統(tǒng)以0.05 kg/s流速運行會產(chǎn)生斷流現(xiàn)象。這是由于隨著集熱過程的進行，水流溫度不斷升高，水箱內部壓強逐漸增大阻礙水的循環(huán)流動所造成的。直至水流壓力恢復正常，水箱內低溫的水再次流過吸熱板，使得吸熱板溫度大幅降低，因而出現(xiàn)了圖5中的斷流階段。由此可見，F(xiàn)PSC冬季采取低流速運行并不是合理的選擇，反而會造成大量熱能的浪費。相比而言，高流速運行，吸熱板溫度能維持在較低的溫度，全天變化較為穩(wěn)定，同時可避免斷流現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)能量的高效轉換。

水箱內部設置的5個測溫點用于監(jiān)測不同高度段水流的溫度變化，由于水箱采用下出上進的方式，因此頂部熱電偶的溫度示數(shù)更高。對比表6的溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)低流速運行，水箱內部溫度分層現(xiàn)象十分明顯，原因在于低流速運行對應的水循環(huán)動力較小，所以回流的熱水對水箱內水體的擾動性不足致使水體間的換熱效果較差，測點間的溫差因此增大；對于高流速運行，較強的流體驅動力使得水體間內部換熱更為充分，溫度場更加均勻，因此測點溫度較為接近。

通過并聯(lián)系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)分析結果表7可知，增大工作流速，吸熱板溫度明顯下降，對流換熱系數(shù)得到提高，并降低了熱損失系數(shù)，同時熱效率和效率大幅的提升也意味著能量收集的品質更高，顯著改善系統(tǒng)的集熱性能，因此高流速運行方案是FPSC冬季提高集熱水溫的可參考措施。與此同時，對比第3、4、5組以及表4中并聯(lián)數(shù)據(jù)的結果可知，高流速運行條件下水箱容積的大小影響著集熱效果。第5組實驗中，水箱容積為120 L，其對流換熱系數(shù)最低僅為35.55 W/（m2·K），而熱損失系數(shù)達到了5.35 W/（m2·K），熱損失率為55.91%，且實驗當天水箱溫度于14：58時便達到最高值，有效集熱時間較對照實驗組提前近30 min結束，系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性顯然不足。第4組實驗中，水箱容積增加至180 L，雖吸熱板溫降到了最低的60.74 ℃，但水箱溫升是同等工況下最低的，熱能的品質出現(xiàn)下降。相對而言，將水箱容積設置為

160 L，對應的各項傳熱性能參數(shù)均為對比組中的最高值，運行過程熱量損失程度最小，收集熱量的等效電能可達8.68 kWh，節(jié)能效益顯著，160 L的水量能滿足日常家庭冬季淋浴用熱需求。因此，定流速工況下循環(huán)水量的對照實驗能進一步優(yōu)化FPSC的冬季運行策略。

4 結 論

本文對FPSC的3種運行模式開展實驗，通過對比分析系統(tǒng)的集熱性能，得到以下主要結論：

1）FPSC單塊模式的集熱效率明顯高于串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)，較低的吸熱板溫度以及熱損失系數(shù)展現(xiàn)出更佳的集熱性能，但水箱溫度相對偏低。

2）串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)的水溫提升能力較單塊模式顯著提高，其中并聯(lián)系統(tǒng)的熱性能參數(shù)更優(yōu)于串聯(lián)系統(tǒng)。

3）對于并聯(lián)系統(tǒng)，低流速運行將會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，同時水箱內部溫度分層明顯，不利于系統(tǒng)高溫熱水的利用；提高運行流速，系統(tǒng)的運行的平穩(wěn)性得到大幅提升，高流速相比于低流速更能提高集熱效率。

4）高流速（0.15 kg/s）條件下，循環(huán)水量的不同影響著系統(tǒng)的工作性能，降低水箱容積運行將縮短有效集熱過程，無法充分吸收太陽輻照能；增大水箱容積運行雖能減少集熱損失，但系統(tǒng)溫升下降熱能品質出現(xiàn)降低。水量160 L，系統(tǒng)集熱量最大，可等效節(jié)能8.68 kWh。

5）針對建筑物南墻陽臺的長度，在保證充分利用集熱面積的前提下，建議進一步優(yōu)化FPSC運行策略。根據(jù)用熱需求，集熱管道可改造為并聯(lián)或串聯(lián)結構，以實現(xiàn)FPSC全年的高效熱利用。

［參考文獻］

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EXPERIMENT ON OPTIMIZATION OF OPERATION STRATEGY AND COMPARATIVE STUDY ON THERMAL PERFORMANCE OF

FLAT PLATE SOLAR COLLECTOR IN WINTER

Fang Hao1，Ma Jinwei1，Chen Qianqian1，Chen Haifei2，Luo Chenglong3，Du Tao4

（1. School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China；

2. School of Petroleum Engineering， Changzhou University， Changzhou 213016， China；

3. School of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China；

4. College of Civil Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China ）

Abstract：In order to further enhance the ability of the flat plate solar collector （FPSC） to improve the water temperature in winter，a series of experiments on the winter operation strategy of the FPSC were conducted through building experimental platform，and the heating performance as well as the applicable conditions corresponding to different operation modes，which provided a reference for the more efficient utilization of FPSC. The experimental results show that the thermal efficiency of the single FPSC can reach 63.74% under the high mass flow rate，and the index parameters of the thermal performance are excellent. However，the temperature of the water tank is low. The water temperature rise capacity of the series or parallel system is significantly higher than that of the single mode. The temperature rise exceeds 30 ℃ throughout the day，and the exergy efficiency is up to 5.15%. The thermal efficiency，convective heat transfer coefficient，and heat loss coefficient of the parallel system are 51.52%，41.95 W/（m2·K），and 4.74 W/（m2·K），respectively，which are significantly better than those of the series system， which are 45.33%，38.74 W/（m2·K），and 4.81 W/（m2·K），and the thermal performance of the parallel system is better. The operation of the system under the low mass flow rate in winter will lead to the occurrence of water flow cut-off. The internal temperature of the water tank is stratified，which is not conducive to employing high-temperature hot water. Moreover，under the high mass flow rate conditions of FPSC， reducing the water volume will shorten the available heating time and fail to absorb solar irradiation fully. Although increasing the water volume can reduce the heating loss，the temperature rise of the system will decrease，resulting in a decrease in the quality of thermal energy.

Keywords：solar energy； solar collectors； thermal energy； exergy； collector efficiency

收稿日期：2022-08-01

基金項目：安徽省教育廳高校研究生科學研究項目（YJS20210503）；中國科協(xié)優(yōu)秀中外青年交流計劃（2019）；國家自然科學基金項目

（51906020）；安徽省教育廳高校優(yōu)秀拔尖人才培育項目（2020）

通信作者：馬進偉（1986—），男，博士、副教授、碩士生導師，主要從事太陽能綜合利用方面的研究。majw@mail.ustc.edu.cn