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，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意義。太陽能作為一個使用歷史長且應用便利的新能源，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準的良好的集熱效率。劉孝敏[2]在對微熱管性能研究的基礎上搭建了優(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?shù)鼐暥鹊葏?shù)進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＜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行了實驗分析，得出了適當減少串聯(lián)以并聯(lián)為主的設計思路。

盡管前人對于大型集熱陣列的排布及連接方式已經(jīng)進行了較全面的研究，然而其中仍缺少針對嚴寒地區(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組集熱器進行了性能測試，得出了微熱管式集熱器在嚴寒地區(qū)的運行特性及排布優(yōu)化的設計思路。

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為流體進口溫度，℃；To，1為第 2 塊集熱器的流體進口溫度，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生公寓樓頂（見圖1），產(chǎn)生熱水為學生浴池供水。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)進行分析。當日工況，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上進行了持續(xù)監(jiān)測，并最終確定了11個滿足測試要求且符合國家標準“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。與國家標準規(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)垢老化導致。

通過圖4可知，平板微熱管太陽能集熱器陣列在進口水溫45℃以上時進出口溫差較大，最大達22℃；進口水溫在低于45℃時，進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該減少串聯(lián)個數(shù)，串聯(lián)應不超過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)果與國家標準規(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)垢老化導致。

2）平板微熱管太陽能集熱器陣列在進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減少串聯(lián)個數(shù)以并聯(lián)為主。