平板型太陽能熱水器儲熱水箱安裝方式研究

張 濤 熊帝戰(zhàn)

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平板型太陽能熱水器儲熱水箱安裝方式研究

張 濤 熊帝戰(zhàn)

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司 成都 610041）

以儲熱水箱分別為水平和豎直安裝的平板型太陽能熱水器系統(tǒng)為研究對象，通過對比實驗的研究方法，對儲熱水箱不同安裝方式下平板型太陽能熱水器儲熱水箱溫度分層和系統(tǒng)效率的影響進行對比分析?實驗結(jié)果表明，儲熱水箱豎直安裝下溫度分層效果更為明顯，儲存可用能的能力和品位更佳，集熱效率比水平安裝也略有提升，儲熱水箱豎直安裝是平板型太陽能熱水器更適宜的安裝方式。

平板型太陽能熱水器；儲熱水箱；安裝方式；溫度分層；系統(tǒng)效率

0 引言

太陽能熱水器在我國有著廣泛的市場?但與真空管集熱器不同，平板型熱水器的儲熱水箱的選擇與安裝具有更多的可能，如何利用儲熱水箱來提高平板型熱水器的性能越來越多地受到人們的關(guān)注與重視?

國內(nèi)外學者對太陽能熱水器的儲熱水箱進行了大量的理論與實驗研究[1-4]?研究表明，適宜的儲熱水箱不僅可以提高系統(tǒng)效率，還能提高儲熱水箱儲存可用能的品質(zhì)和能力?但這些研究著眼于改善儲熱水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)對溫度分層的影響，缺乏對儲熱水箱不同安裝方式對平板型太陽能熱水器系統(tǒng)效率和儲熱水箱溫度分層的影響研究?

本文基于一種新型平板型太陽能集熱器，分別將儲熱水箱水平和豎直安裝，進行儲熱水箱不同安裝方式對平板型太陽能熱水器溫度分層和系統(tǒng)效率的影響程度對比研究，以期為平板型太陽能熱水器的水箱安裝方式提供工程實際參考?

1 平板型太陽能熱水器對比測試系統(tǒng)

1.1 平板型太陽能集熱器簡介

采用的平板型太陽能集熱器平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示?集熱器輪廓尺寸（長×寬×高）為2m×1m×0.2m，采光面積為1.95×0.95m2；集熱器玻璃蓋板采用4mm厚單層超白玻璃；吸熱板板芯采用金屬陶瓷磁控濺射涂層的0.6mm厚鋁板；外框架選用厚度為1mm的鐵板；背部和邊框分別填充100mm、30mm厚的膨脹聚苯板保溫材料?集熱器吸熱板與背板間的空間高度為50mm，玻璃蓋板與吸熱板間的封閉空氣層高度為40mm?7根銅制的水管支管均布的焊接在吸熱板背部，并與位于集熱器兩端的進出水集管相連構(gòu)成加熱水流通通道，水管支管直徑12mm，進出水集管直徑20mm?因水管支管超過7根時，容易在水流匯流時造成紊流湍擊，導致集熱效率降低，所以焊接7根水管的設(shè)計，是兼顧集熱器效率和經(jīng)濟性的最佳選擇?

1.2 對比測試系統(tǒng)

基于上述平板型太陽能集熱器，分別配以水平安裝和豎直安裝的相同儲熱水箱，比較兩種安裝方式的差異?太陽能集熱器以55°傾角朝南安裝，儲熱水箱內(nèi)徑為0.4m，高度1.2m，容積150L，外包50mm厚的膨脹聚苯板保溫?系統(tǒng)均未設(shè)置循環(huán)水泵，依靠熱壓維持水在儲熱水箱和集熱器間的流動?測試系統(tǒng)中，除水箱安裝方式外，其他參數(shù)完全一致，以保證測試的可對比性?對比測試系統(tǒng)如圖2所示?

圖2 對比測試系統(tǒng)

2 平板型太陽能熱水器對比測試

2.1 對比測試條件和儀器設(shè)備

2014年6月13到21日，在北京市通州區(qū)相同室外環(huán)境下，按ISO 9459-2標準[5]分別同時對兩套系統(tǒng)進行了一系列互相獨立的全天室外對比測試?測試過程中，每天早上6點前完成上水，6點整揭開集熱器表面的遮光擋板開始測試，晚上6點后讀取一天采集的數(shù)據(jù)，并泄掉水箱中的熱水，蓋上遮光擋板，完成一天的測試?測試過程中連續(xù)監(jiān)測的參數(shù)為：環(huán)境溫度、太陽輻照強度、水箱中不同位置的水溫?

測試過程中，采用TBQ-2-B型太陽輻照儀監(jiān)測入射到集熱器表面的太陽輻照強度，其測量不確定度為±50W/m2；使用北京天建華儀的WZY-1A型溫度自記儀監(jiān)測環(huán)境溫度和水箱內(nèi)水溫，其測量范圍為-20℃到80℃，不確定度為±0.3℃?測試過程中太陽輻照儀安裝傾角與集熱器安裝傾角保持一致?環(huán)境溫度的監(jiān)測測點布置在離地面高1.5m的背光處，并進行遮陽處理?為監(jiān)測儲熱水箱內(nèi)溫度變化及溫度分層情況，在兩個水箱內(nèi)，布置了一系列溫度測點，具體布置方案如圖3所示?對豎置水箱，在水箱中心處，沿高度方向，從距底部0.1m處開始，每隔0.1m布置一個測點，共11個測點；對橫置水箱，將水箱沿長度方向均分成4個區(qū)域，在每個區(qū)域中間，沿水箱直徑方向，從距底部0.05m處開始，每隔0.1m布置一個溫度測點，共計16個溫度測點?通過將溫度探頭不接觸的固定在鐵棒上，再置于水箱中，以確保溫度測點的位置?同時為溫度探頭包裹上鋁箔防水膠帶做防水處理。對于太陽輻射強度和所有溫度測點，數(shù)據(jù)采集的時間間隔均為2分鐘?

（a）儲熱水箱豎置

（b）儲熱水箱橫置

圖3 儲熱水箱內(nèi)溫度測點布置方案

Fig.3 Detailed temperature measuring points layout schemes

2.2 日平均集熱效率計算

經(jīng)一段時間加熱后，太陽能熱水器系統(tǒng)收集到的熱量由如下公式計算：

據(jù)此，利用公式（2）得出系統(tǒng)的日平均集熱效率：

其中：G為時刻入射到集熱器表面的太陽輻射強度，W/m2；為太陽輻照數(shù)據(jù)采集的時間步長；為集熱器輪廓面積，m2?

同時，根據(jù)對兩套對比測試系統(tǒng)的若干互相獨立的全天室外測試結(jié)果，并對每天試驗測得的輸入（即集熱器采光面的日太陽輻照量）和輸出（儲熱水箱獲得的凈太陽能）繪制在輸入/輸出圖上?然后利用公式（3），用最小二乘法擬合出太陽能熱水器得熱量與太陽輻照量和平均環(huán)境溫度與水箱初始溫度的差值的關(guān)系，以預(yù)測熱水器全年得熱情況?

3 結(jié)果與討論

3.1 儲熱水箱內(nèi)溫度分層情況

本文以2014年6月13日的測試結(jié)果為例，分析兩套太陽能熱水器系統(tǒng)儲熱水箱內(nèi)溫度分層情況?

測試期間入射到集熱器表面的太陽輻照強度和環(huán)境溫度隨時間的變化如圖4所示?測試期間，太陽輻照波動較大，最大太陽輻照強度為600W/m2，平均輻照強度為167W/m2?環(huán)境溫度較高，最高溫度達為34℃，平均溫度為28℃?

圖4 太陽輻照強度和環(huán)境溫度隨時間的變化

3.1.1 儲熱水箱橫置系統(tǒng)

儲熱水箱橫置的太陽能熱水器系統(tǒng)的儲熱水箱內(nèi)各點溫度隨時間變化如圖5所示?隨著系統(tǒng)得熱量的增加，四個區(qū)域最上部的水溫迅速升高，并穩(wěn)定在65℃左右?經(jīng)一段時間加熱后，熱量向下傳遞，下部水溫逐漸升高?四個區(qū)域內(nèi)，豎直方向都存在很大的溫度分層現(xiàn)象，到晚上六點測試結(jié)束時，從上到下依次形成約12℃、9℃、4℃的溫度分層；而在水平方向，僅儲熱水箱熱水進口區(qū)域與其他區(qū)域表現(xiàn)處一定的溫度分層現(xiàn)象，但到測試結(jié)束時，溫度分層現(xiàn)象消失?

（1）距儲熱水箱熱水進口0.15m區(qū)域

（2）距熱水箱熱水進口0.45m區(qū)域

（3）距儲熱水箱熱水進口0.75m區(qū)域

（4）距儲熱水箱熱水進口1.05m區(qū)域

圖5 儲熱水箱橫置的太陽能熱水器系統(tǒng)各點溫度變化

Fig.5 Variation of water temperatures in the transverse heat storage tank with time

3.1.2 儲熱水箱豎置系統(tǒng)

儲熱水箱豎置的系統(tǒng)儲熱水箱內(nèi)各點溫度變化如圖6所示?隨著加熱的進行，儲熱水箱上部的水溫迅速升高，并維持在60℃以上，上部的3個溫度測點處的水溫經(jīng)過一天的加熱后基本達到一致?經(jīng)一段時間加熱后，熱量向下傳遞，中部4個測點處的水溫依次增加，但因加熱時間有限，各點間呈現(xiàn)極大的溫度分層現(xiàn)象，從上到下，第3個測點到8個測點間的溫差依次約5℃、8℃、8℃、6℃、3℃?而最下部4個測點處，因為測試期間入射到集熱器采光面的太陽輻照量不足，熱量未能傳遞到水箱下部，基本沒有溫升?

根據(jù)儲熱水箱不同放置方式的平板型太陽能熱水器系統(tǒng)的溫度分層測試結(jié)果，儲熱水箱的兩種放置方式都表現(xiàn)出較大的溫度分層現(xiàn)象，但儲熱水箱豎置方式溫度分層現(xiàn)象更為明顯，儲存可用能的能力和品位更佳，故對儲熱水箱豎置的系統(tǒng)，若熱水器取用熱水方式采用頂水法[6]，儲熱水箱豎置方式將進一步擴大太陽能熱水器利用太陽能加熱生活熱水的得熱量?

圖6 儲熱水箱豎置的太陽能熱水器系統(tǒng)各點溫度變化

3.2 太陽能熱水器系統(tǒng)輸入-輸出圖

本文按ISO 9459-2標準對兩套系統(tǒng)同時進行了一系列獨立全天室外測試，監(jiān)測測試期間的日平均環(huán)境溫度、集熱試驗開始時儲熱水箱內(nèi)的平均溫度、輸入（即集熱器采光面的日太陽輻照量）和輸出（儲熱水箱獲得的凈太陽能）并根據(jù)公式（2）計算兩套系統(tǒng)的集熱效率，結(jié)果如表1所示。

表1 儲熱水箱不同安裝方式下的平板型太陽能熱水器運行特性

由表1可見，儲熱水箱橫置的太陽能熱水器系統(tǒng)集熱效率在49.6%到58.2%間；而儲熱水箱豎置的系統(tǒng)集熱效率從53.8%到62.8%?儲熱水箱豎置系統(tǒng)的集熱效率略高于橫置系統(tǒng)，儲熱水箱豎置方式能提高太陽能熱水器系統(tǒng)集熱效率?一方面是因為儲熱水箱豎置系統(tǒng)集熱器進出水點高差更大，自然循環(huán)的熱壓較大，故系統(tǒng)流量更大；另一方面是豎置系統(tǒng)溫度分層更為明顯，進入集熱器的水溫更低。

同時，根據(jù)表1的測試結(jié)果，結(jié)合公式（3），利用最小二乘法擬合出兩套太陽能熱水器系統(tǒng)的性能如公式（4）、（5）所示：

橫=0.6596+0.1378-2.4728 （4）

豎=0.6906+0.1-2.6441 （5）

從式中可以看出，太陽能熱水器系統(tǒng)的得熱量主要取決于太陽輻照量，隨日平均環(huán)境溫度與水箱初始溫度差值的增加而增加?據(jù)此可以推算在不同的太陽輻照量以及溫差下的熱水器全年得熱量?對于儲熱水箱橫置和豎置的兩套熱水器系統(tǒng)，與太陽輻照量相關(guān)的系數(shù)分別是0.6596和0.6906，故就全年而言，儲熱水箱豎置的太陽能熱水器系統(tǒng)得熱量高于儲熱水箱橫置的系統(tǒng)?

測試結(jié)果輸入-輸出圖如圖7所示。

（a）儲熱水箱橫置

（b）儲熱水箱豎置

圖7 系統(tǒng)得熱量與太陽輻照量的關(guān)系

Fig.7 Energy outputof the system as a function of air radiation

4 結(jié)論

儲熱水箱水平、豎直安裝下平板型太陽能熱水系統(tǒng)性能對比實驗研究表明，儲熱水箱豎置方式溫度分層效果更好，儲存可用能的能力和品位更佳，使平板型太陽能熱水器系統(tǒng)采用頂水法取用熱水，進一步增加得熱量成為可能?

同時，儲熱水箱豎置系統(tǒng)的集熱效率略高于橫置系統(tǒng)?儲熱水箱豎置方式能提高平板型太陽能熱水器系統(tǒng)集熱效率?故在安裝條件允許下，平板型太陽能熱水器的儲熱水箱更宜采用豎直安裝的方式?

[1] 于國清,湯金華,鄒志軍.太陽能熱水系統(tǒng)蓄熱水箱溫度分層作用研究[J].建筑科學,2007,23(4):70-73.

[2] Jianhua Fan, Simon Furbo. Thermal stratification in a hot water tank established by heat loss from the tank[J]. Solar Energy, 2012(86):3460-3469.

[3] 王智平,陳丹丹,王克振,等.太陽能儲熱水箱溫度分層的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].材料導報A:綜述篇,2013,27(8):70-73.

[4] Y M Han, R Z Wang, Y J Dai. Thermal stratification within the water tank[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009,(13):1014-1026.

[5] IS0 9459-2:1995(E). Solar heating-Domestic water heating systems-Part2: Outdoor test methods for system performance characterization and yearly performance prediction of solar-only systems[S].

[6] GB/T 18713-2002,太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計安裝及工程驗收技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2002.

Research on Installation Method of Heat Storage Tank in Flat Plate Solar Water Heater

Zhang Tao Xiong Dizhan

( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd, Chengdu, 610041 )

The heat storage tank is always installed with the horizontal and vertical way in the plate solarwater heater.Through the contrast experiment research method and analyzing the temperature stratified and systematic efficiency in the different Installation Method. Experimental results show that in the vertical installation method, temperature stratification is more obvious and thequality of the available storage energy is better, heat collecting efficiency is also slightly increased. The verticalinstallation method of heat storage water tank is more appropriate in flat type solar water heater.

Flat Plate Solar Water Heater; Heat Storage Tank; Installation Method; thermal stratification; System efficiency

1671-6612（2017）02-170-06

TK512

A

2015-12-01

作者（通訊作者）簡介：張 濤（1988.02-），男，碩士，工程師，E-mail：ZBI2@xnjz.com