串聯(lián)平板微熱管太陽能集熱器陣列的性能研究

朱 林 孫煒鈺 楊金鋼

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

0 引言

隨著對新能源利用比重的日益增大，雖然越來越多新的能源方式隨之出現(xiàn)，但傳統(tǒng)新能源因為具有完備的應(yīng)用系統(tǒng)、使用方便、效果明顯等優(yōu)勢，對其研究依舊具備深遠(yuǎn)意義。太陽能作為一個使用歷史長且應(yīng)用便利的新能源，越來越多的被投入到大規(guī)模的使用中，例如大型發(fā)電站及大型浴室和學(xué)校等公共建筑。隨之出現(xiàn)的是對大型太陽能陣列系統(tǒng)的進(jìn)一步研究。

目前，市場上利用率較高的太陽能集熱器主要分為平板式和真空管式。市場占有率較高的真空管式集熱器，因為其具有真空保溫的特性，可在較低室外溫度下使用，但承壓弱、易爆管，后期維護(hù)麻煩。而平板式集熱器采用可靠性較好的金屬管板結(jié)構(gòu)，更易于建筑一體化，與微熱管結(jié)合的同時也解決了不抗凍的問題，可以在嚴(yán)寒地區(qū)推廣使用。

微熱管是一種平板微通道陣列形式的熱管，外形為鋁制金屬材料，內(nèi)充導(dǎo)熱工質(zhì)，依靠工質(zhì)相變傳遞熱量，鄧月超等[1]人將內(nèi)充丙酮工質(zhì)的微熱管與太陽能集熱器結(jié)合，在北京選取典型日測試了其具有高于國家標(biāo)準(zhǔn)的良好的集熱效率。劉孝敏[2]在對微熱管性能研究的基礎(chǔ)上搭建了優(yōu)化尺寸、充液率、傾斜角度等參數(shù)的太陽能微熱管集熱器，測試后的熱性能明顯提高。翟輝、魏生賢等[3-4]人針對大型集熱陣列排布中的集熱器傾角、最佳間距、長寬比及當(dāng)?shù)鼐暥鹊葏?shù)進(jìn)行了實驗和模擬研究。而現(xiàn)階段針對串聯(lián)的強制循環(huán)集熱陣列的運行特性研究較少，考慮到這一點，李宏燕[5]建立了串聯(lián)的集熱陣列集熱模型，通過數(shù)值模擬的方法探討不同運行工況對集熱效率的影響，得出串聯(lián)的集熱器陣列數(shù)量應(yīng)＜3個。李斌等[6]人也針對大型熱管式集熱器陣列的運行效率進(jìn)行了實驗分析，得出了適當(dāng)減少串聯(lián)以并聯(lián)為主的設(shè)計思路。

盡管前人對于大型集熱陣列的排布及連接方式已經(jīng)進(jìn)行了較全面的研究，然而其中仍缺少針對嚴(yán)寒地區(qū)串聯(lián)的平板微熱管集熱陣列的實測研究。基于長春一高校建立的大型平板微熱管太陽能集熱系統(tǒng)，筆者選取了一段串聯(lián)的8組集熱器進(jìn)行了性能測試，得出了微熱管式集熱器在嚴(yán)寒地區(qū)的運行特性及排布優(yōu)化的設(shè)計思路。

1 串聯(lián)集熱器瞬時效率模型

集熱器穩(wěn)態(tài)條件下的熱性能可以通過測量集熱器的進(jìn)出口流體溫差和質(zhì)量流量求出。

式中：Qu為單位時間內(nèi)獲得的有效能，W；mw為流體質(zhì)量流量，kg/s；Cw為集熱介質(zhì)的比熱容，kJ/(kg·℃)；Tw0為進(jìn)口流體溫度，℃；Twi為出口流體溫度，℃。

集熱器傾斜面上的瞬時集熱效率ηi可表示為：

式中：I為采光面積范圍內(nèi)太陽總輻射強度，W/m2；Ac為集熱器采光面積，m2。

引入熱遷移因子FR和熱損系數(shù)UL來表示，上式可寫成：

式中：（τα）e為有效透射率與吸收率的乘積。

將多塊集熱器以串聯(lián)的方式連接成系統(tǒng)后，其中2塊集熱器串聯(lián)后的熱性能一般不同于單塊集熱器[7]。當(dāng)串聯(lián)的2塊集熱器是相同性能的時候，若流速與單塊板時一樣，則單位面積上的質(zhì)量流速將變?yōu)?/2，引起FR變小、性能降低。因此串聯(lián)2塊板時的有效能可表示為：

式中：Ti為流體進(jìn)口溫度，℃；To，1為第 2 塊集熱器的流體進(jìn)口溫度，等于第1塊集熱器的出口溫度，即

消去To，1后整理得到有用能量輸出為：

有如下特性的單塊集熱器相同：

按照前述方法推廣到串聯(lián)n個集熱器的公式可寫為：

2 微熱管集熱器性能實驗結(jié)果與模擬計算分析

2.1 實驗裝置說明

測試地點為長春一高校的學(xué)生公寓樓頂（見圖1），產(chǎn)生熱水為學(xué)生浴池供水。集熱器性能測試選取1段串聯(lián)的8塊2 m2的微熱管式平板太陽能集熱器，如圖2所示。串聯(lián)陣列兩端連接給水回水干管，并在連接處設(shè)置自動排氣閥。熱水泵將水送至串聯(lián)的多組集熱器中逐步加熱，使從集熱器出來的水的溫度升高后又流回水箱中，如此循環(huán)加熱水溫不斷升高。

2.2 平板微熱管集熱陣列集熱效率實驗

前人已經(jīng)對單塊微熱管平板集熱器進(jìn)行了較多集熱效率測試，然而，對于多板串聯(lián)的集熱器陣列，除增加了管路損失的影響，還需要考慮集熱效率隨串聯(lián)個數(shù)增加的變化情況。因此對平板微熱管太陽能集熱器陣列的整體集熱效率進(jìn)行測試分析具有實際意義。

本次實驗選取了實驗階段內(nèi)的典型日6月24日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)日工況，見表1。

3 結(jié)果與分析

本次試驗選擇了2019年6月24日為典型日，在滿足測試條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，并最終確定了11個滿足測試要求且符合國家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 4271—2007”規(guī)定的瞬時效率點。對前2塊板的實驗結(jié)果進(jìn)行擬合，得到瞬時效率曲線（見圖3），其截距為0.56，斜率為17.9，瞬時效率方程為：

從圖3可以看出，平板微熱管太陽能集熱器陣列的瞬時效率隨進(jìn)口水溫的升高而快速下降，變化規(guī)律同單塊集熱器一樣，且說明平板微熱管太陽能集熱陣列在低溫區(qū)有著較高的集熱效率。與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及鄧月超等[1]人對平板微熱管太陽能集熱器測量結(jié)果對比，本次測量結(jié)果較低，考慮是測量存在誤差、管道連接處損失及使用時間較久存在結(jié)垢老化導(dǎo)致。

通過圖4可知，平板微熱管太陽能集熱器陣列在進(jìn)口水溫45℃以上時進(jìn)出口溫差較大，最大達(dá)22℃；進(jìn)口水溫在低于45℃時，進(jìn)出口溫差較小且趨向于0。平板微熱管太陽能集熱器陣列的集熱效率實驗結(jié)果表明，其對于浴池供水等低溫工況情況集熱效率較高。

3.2 平板微熱管太陽能集熱器陣列排布方式討論

針對本次測量的8塊串聯(lián)的平板微熱管太陽能集熱器，分別計算了串聯(lián)數(shù)從1增加到8對應(yīng)的集熱效率并繪制曲線（見圖5），對平板微熱管太陽能集熱器的安裝方式進(jìn)行分析。劉宏燕和李斌等[5-6]人通過理論計算得到集熱器集熱效率隨串聯(lián)個數(shù)增加呈線性下降，而本次試驗因誤差存在，得到的平板微熱管太陽能集熱器集熱效率隨個數(shù)增加接近二次曲線型下降。集熱效率從0.6下降到0.17，導(dǎo)致末端集熱器的集熱效率相對于第1塊集熱器的集熱效率下降了71.6%，在串聯(lián)超過3個后，平板微熱管太陽能集熱器的串聯(lián)陣列效率過低、效果較差。上述分析得到平板微熱管太陽能集熱器串聯(lián)運行雖然提高了出水溫度但卻損失了較多集熱效率。對于大型的平板微熱管太陽能集熱陣列，為了保證集熱效率應(yīng)該減少串聯(lián)個數(shù)，串聯(lián)應(yīng)不超過3個，多以并聯(lián)為主。

4 結(jié)論

本文通過對平板微熱管太陽能集熱串聯(lián)陣列的性能實驗研究得出以下結(jié)論。

1）本次測試結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及前人對平板微熱管太陽能集熱器測量結(jié)果對比結(jié)果較低，考慮是測量存在誤差、管道連接處損失及使用時間較久存在結(jié)垢老化導(dǎo)致。

2）平板微熱管太陽能集熱器陣列在進(jìn)口溫度較低時具有較高的瞬時效率，因此更適用于浴池供水等低溫工況。

3）平板微熱管太陽能集熱器陣列的集熱效率隨串聯(lián)個數(shù)增加而逐次降低，在串聯(lián)超過3個后效率過低效果變差，建議大型平板微熱管太陽能集熱器應(yīng)減少串聯(lián)個數(shù)以并聯(lián)為主。