陶瓷板太陽能集熱器冬季養殖水體升溫試驗研究

陳 晨，張寒冰，張 倩，李秀辰，馬遠洋，鄭興康，母 剛

(大連海洋大學機械與動力工程學院，遼寧省漁業裝備工程技術研究中心，遼寧 大連 116023)

近年來，工廠化循環水養殖成為水產養殖業的重要組成部分，養殖產量逐年增加[1]，2018年，中國工廠化循環水養殖產量高達4.69×105t，養殖水體達8.18×107m3 [2]。中國北方地區因受季節的影響，水產養殖企業每年需在11月中旬到次年5月中旬期間對養殖水體進行升溫，升溫幅度最高可達17 ℃～23 ℃[3-5]。目前常用的燃煤(氣)鍋爐升溫、電加熱升溫方式升溫成本較高，約占總生產成本的1/3以上，且存在環境污染、能源浪費等問題[6-8]。隨著熱泵技術的不斷發展，國內外已有利用熱泵對養殖水體控溫的研究和應用實例[9-12]，但由于養殖用水量大，成本高、電耗大等仍是熱泵升溫工程中亟待解決的難題[13-14]。

太陽能水體升溫技術也是近年來國內外研究的熱點，將其應用于水產養殖不僅可以滿足生產需求而且具有節能減排的優點[15-17]。真空管式和金屬平板式集熱器是目前在水體升溫方面應用較為廣泛的太陽能集熱器，其中真空管式集熱器保溫性能好、換熱效率高，但耐壓、耐凍性能差，不適于北方地區使用；金屬平板式集熱器雖安裝簡單但造價成本高、換熱效率低[18-19]。另有研究表明，陶瓷板太陽能集熱器作為一種全新材質的太陽能集熱器，因制造成本低、耐腐蝕、耐凍能力強且易于安裝等優點，在養殖水體升溫方面具有廣泛的應用前景[20-22]。

以中國北方冬季養殖水體升溫技術要求為主要研究依據，在前期進行陶瓷板太陽能集熱器的保溫隔熱設計，并開展非寒冷期養殖水體升溫初步試驗的基礎上，探究冬季不同工況條件下保溫結構及其他因素對陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫效果的影響，為陶瓷板太陽能集熱器在工廠化循環水養殖水體升溫工程方面提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

本試驗所用海水主要采集于大連市黑石礁附近海域，過濾后儲于蓄水池中備用，試驗用設備和系統參考文獻[23-24]。本試驗所采用的陶瓷板太陽能集熱器水體升溫系統工作原理如圖1所示[23-24]。該系統主要由有保溫結構的陶瓷板太陽能集熱器、無保溫結構的陶瓷板太陽能集熱器、水泵、保溫水箱、保溫管道、流量控制閥、流量計和溫度傳感器等組成，其中保溫結構具體設計參考文獻[23]。兩個陶瓷板太陽能集熱器(1是有保溫結構，9是無保溫結構)規格相同，在系統中通過保溫管道并聯安裝，由試驗地緯度確定兩個太陽能集熱器與水平屋面的安裝夾角均為45°，兩個集熱器中間安裝的太陽能輻射照度計與水平屋面也呈45°放置，并將溫度傳感器和流量計安裝在集熱器和保溫水箱的進、出口，以上監測設備均與計算機相連。試驗時，該系統利用水泵將保溫水箱中的海水以相同的流量分別泵入兩個集熱器中，海水走向自下而上，集熱升溫后海水返回保溫水箱中，繼續進行循環升溫，同時所監測數據通過計算機記錄、輸出。

圖1 陶瓷板太陽能集熱器水體升溫系統原理圖Fig.1 Diagram of water heating system with ceramic plate solar collector

其他儀器設備：電子智能溫控儀(XMT-JK8，余姚市依泰儀表廠)；轉子流量計(LZB-10F，常州雙波儀表有限公司)；太陽能輻射儀(TES-1333，臺灣泰仕公司)；溫度傳感器Pt100(TR02005， DOCOROM)；風速計(DT-619，華盛昌公司)。

1.2 方法

1.2.1 試驗方案

不同輻射照度下的水體升溫試驗 選擇晴天和陰天條件(晴天、陰天各5 d)試驗，晴天條件下的輻射照度為300～1 200 W/m2，陰天條件下的輻射照度為200～500 W/m2，并固定流量為60 L/h，開展輻射照度對有、無保溫結構陶瓷板太陽能集熱器升溫效果影響的對比試驗，分別測定兩種結構集熱器的進、出水溫度，監測太陽輻射照度，并對其得熱量和升溫幅度等進行計算。

不同流量下的水體升溫試驗 參照實驗室循環水養殖系統標準，在晴天條件下，將水體流量設定為60 L/h、100 L/h及120 L/h，開展水體流量對有、無保溫結構太陽能集熱器水體升溫效果影響的對比試驗，相關指標的測定與計算方法如上所述。

不同室外溫度下的水體升溫試驗 晴天條件下，分別選擇溫度零下(溫度為-10 ℃～-5 ℃)、溫度零上(溫度為7 ℃～12 ℃)，其中溫度零上和溫度零下各5 d，流量為60 L/h，開展室外溫度對有、無保溫結構太陽能集熱器水體升溫效果影響的對比試驗，相關指標的測定與計算方法如上所述。

不同風速下的水體升溫試驗 在流量、溫度、太陽輻射照度等其他影響因素相同時，分別選擇微風、風速3～4級(其中微風、風速3～4級各5 d)，開展風速對有、無保溫結構太陽能集熱器水體升溫效果影響的對比試驗，相關指標的測定與計算方法如上所述。

試驗于冬季(2018年12月1日—2019年 1月30日)期間開展，試驗期間大連平均氣溫為2 ℃左右，水體初始溫度為(5.5±1) ℃。試驗時每天在8:00—16:00期間進行相關數據采集，各監測點的溫度由計算機每5 min自動檢測、記錄和輸出；輻射照度由太陽能輻射儀每1 h采集一次；風速由風速計每1 h采集一次。

1.2.2 分析計算方法

試驗期間，太陽能集熱器的累積得熱量由公式(1)[25]計算得到。

q=C×m×Δt

(1)

式中：q—累積得熱量，MJ/m2；C—水的比熱容，kJ/(kg· ℃)；m—日升溫水體質量，kg；△t—集熱8 h水體溫度差， ℃。

太陽能集熱器的日有用得熱量由公式(2)[25]計算得到：

(2)

式中：q17—累積太陽輻照量17 MJ/m2對應的日有用得熱量，MJ/m2；C—水的比熱容， J/(kg· ℃)；m—日升溫水體質量，kg；△t—集熱8 h水體溫度差， ℃；H—測試8 h的累積輻射量，MJ/m2。

2 試驗結果

2.1 水體升溫效果試驗

不同輻射照度(其中主要為晴天和陰天條件)、水體流量為60 L/h時，兩種結構陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫效果如圖2a所示。晴天時，輻射照度增加，陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫幅度隨之升高。無保溫結構集熱器的水體升溫幅度在8：30—11：00期間由0 ℃提升至5.6 ℃，有保溫結構集熱器的升溫幅度由1.5 ℃提升至7.4 ℃，有、無保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度分別為5.4 ℃和3.6 ℃，15：00后，輻射照度降低，有、無保溫結構集熱器水體升溫幅度在16：00時分別降至0.4 ℃和-0.3 ℃，兩者全天水體平均升溫幅度分別為2.3 ℃和0.7 ℃。圖2a所示，陰天時，有、無保溫結構集熱器的水體升溫幅度均顯著低于晴天時，8：30—16：00，有保溫結構集熱器的平均升溫幅度比無保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度高1.9 ℃。

不同水體流量(60、100、120 L/h)、晴天條件下，兩種結構太陽能集熱器的水體升溫效果如圖2b所示。兩種集熱器的水體升溫幅度隨水體流量的增加均出現不同程度的降低，當水體流量由60 L/h分別增加至100 L/h、120 L/h時，11:30時，有保溫結構集熱器的水體升溫幅度由6.8 ℃分別降至3.7 ℃、2.5 ℃，無保溫結構集熱器由4.8 ℃分別降至2.8 ℃、2 ℃；14:00—16:00時，水體升溫幅度整體降低，有、無保溫結構集熱器水體平均升溫幅度分別降低0.1 ℃、0.4 ℃以及0.5 ℃、1.1 ℃。此外，在對應流量條件下，有保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度分別比無保溫結構集熱器高出37.5%、40.7%和41.2%。

不同室外溫度、水體流量為60 L/h時，兩種結構太陽能集熱器的水體升溫效果如圖2c所示。當輻射照度較高時，溫度升高，陶瓷板太陽能集熱器的升溫幅度明顯升高，其中9:30—14:30，溫度零上時，有、無保溫結構集熱器的水體升溫幅度比溫度零下時平均高1.6 ℃和0.8 ℃；但當輻射照度較低時，8:30—9:30和14:30之后，溫度對于陶瓷板太陽能集熱器的升溫效果影響較小，甚至出現溫度零下時的集熱器升溫幅度略高的現象。

不同風速，水體流量為60 L/h時，兩種結構太陽能集熱器的水體升溫效果如圖2d所示。10:00—14:30，微風條件下集熱器水體升溫幅度高于風力3～4級條件時，風速升高，有保溫結構集熱器的平均升溫幅度降低27.5%，無保溫結構的平均升溫幅度降低22.0%；而在8:30—10:00和14:30—16:00期間，風力3～4級條件下的太陽能集熱器的水體升溫幅度略高于微風條件時，有、無保溫結構的集熱器平均分別高出0.9 ℃和0.6 ℃。

2.2 太陽能集熱器得熱量

不同輻射照度、流量為60 L/h時，兩種結構太陽能集熱器的累積得熱量如圖3a所示。晴天時，8：30—14：00有保溫結構集熱器累積得熱量以2.65 MJ/(m2h)的增速提升至 15.9 MJ/m2，之后以1.1 MJ/(m2h)的速度在16：00時增至18.6 MJ/m2；相同時間內，無保溫結構集熱器的累積得熱量遞增趨勢明顯低于前者，其平均增速約為1.42 MJ/(m2h)，到16：00時增至11.6 MJ/m2。從圖3a可見，陰天時，有保溫結構集熱器的累積得熱量遞增趨勢緩慢，并且在15：00時開始遞減，其平均增速約為0.43 MJ/(m2h)，16：00時，累積得熱量僅為3.6 MJ/m2，較晴天條件下低80.6%。此時，試驗期間無保溫結構集熱器的累積得熱量一直為負值，16：00時為-13.7 MJ/m2，比有保溫結構集熱器低84.0%。由圖4a可知，陰天時，有、無保溫結構集熱器的日有用得熱量分別比晴天條件下低3.8 MJ/m2、16.8 MJ/m2，另外，在兩種條件下，前者的日有用得熱量均明顯高于后者。

圖2 不同工況條件下兩種結構太陽能集熱器的水體升溫效果Fig.2 Water heating effect of two solar collectors under different working conditions

圖3b所示，相同天氣(晴天)條件下，當水體流量由60 L/h升至100 L/h、120 L/h時，有保溫結構集熱器在16：00時的累積得熱量分別由18.1 MJ/m2下降至17.1 MJ/m2和13.3 MJ/m2；同等流量條件下，無保溫結構集熱器的累積得熱量分別由11.6 MJ/m2降至10.5 MJ/m2和8.1 MJ/m2；并且，在三種流量狀態下，無保溫結構集熱器的累積得熱量比有保溫結構集熱器分別低36.5%、39.4%和40.9%。由圖4b可知：當水體流量由60 L/h升至100 L/h、120 L/h時，有保溫結構集熱器的日有用得熱量由7.1 MJ/m2分別增至7.8 MJ/m2和11.8 MJ/m2，無保溫結構集熱器的日有用得熱量由3.1 MJ/m2分別增至5.1 MJ/m2和8.8 MJ/m2，并且有保溫結構集熱器的日有用得熱量比無保溫結構集熱器分別高57.7%、34.6%和24.6%。

圖3c所示，室外溫度零上時的集熱器累積得熱量一直高于溫度零下時的集熱器，15：00時，溫度零下時，有、無保溫結構集熱器的累積得熱量分別為16.24 MJ/m2和7.72 MJ/m2，溫度零上時，兩者的累積得熱量分別為17.53 MJ/m2和11.65 MJ/m2，此后，有保溫結構集熱器遞增趨勢減緩，截止到16:00時累積得熱量分別為17.32 MJ/m2、18.11 MJ/m2，而無保溫結構集熱器出現遞減趨勢，16：00時分別降為7.54 MJ/m2、11.5 MJ/m2。由圖4c可知，當室外溫度降低時，有、無保溫結構集熱器的日有用得熱量均呈下降的趨勢，下降幅度分別為6.9%和61.3%。

圖3d所示，相同天氣(晴天)、相同流量(60 L/h)條件下，當室外風速由微風變成風速3～4級時，無保溫結構集熱器的累積得熱量由11.6 MJ/m2下降至9.1 MJ/m2，有保溫結構集熱器的累積得熱量由18.1 MJ/m2下降至16.4 MJ/m2。由圖4d可知，當風力由微風增至風速3～4級時，有保溫結構集熱器的日有用得熱量降幅為8.3%，無保溫結構集熱器的日有用得熱量降幅為32.3%。

圖4 不同工況條件下兩種結構集熱器的日有用得熱量Fig.4 Daily available heat gain of two collectors under different working conditions

3 討論

3.1 不同工況條件對陶瓷板太陽能集熱器集熱效果的影響

在本研究中，不同輻射照度下(晴天、陰天條件下)的試驗結果表明，有、無保溫結構的陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫幅度均與輻射照度呈正比，且保溫結構對集熱器的水體升溫幅度也有顯著影響。晴天時，有保溫結構集熱器的水體最大升溫幅度為7.6 ℃、平均升溫幅度為3.8 ℃，分別比無保溫結構集熱器高出37.5%和28.2%，累積得熱量比后者提高36.5%，日有用得熱量比后者提高56%；陰天時，有保溫結構集熱器水體平均升溫幅度為0.9 ℃，累積得熱量為11.5 MJ/m2，而無保溫結構集熱器兩者均為負值，可見無保溫結構集熱器一直處于散熱狀態，這主要是由于集熱板與外界及夾層間隙空氣產生對流和輻射換熱，造成了大量的熱能損失[26]。并且晴天時有、無保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度分別比陰天時高出3.9 ℃和4.1 ℃，這說明無保溫結構集熱器在運行中更易受輻射照度的制約影響。

不同水體流量下的試驗結果表明，流量增大，陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫幅度降低，累積得熱量降低，日有用得熱量增加，此外，在相同流量條件下，無保溫結構集熱器的水體升溫幅度和得熱量均低于有保溫結構集熱器。當水體流量由60 L/h分別升至100 L/h、120 L/h時，有保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度分別降低43.82%和64.6%，累積得熱量降低6.1%和27.1%，無保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度分別降低46.7%和66.7%，累積得熱量降低10.4%和32.2%。這主要是由于流量增加，水體在集熱器中的滯留時間減小，使得水體升溫幅度減小。試驗中，由于冬季室外溫度過低，集熱器的散熱負荷較大，且增大流量會提高集熱器換熱系數[27]，集熱器向外散失的熱量進一步增加，使得集熱器的散熱負荷大于換熱負荷，因此當流量增加，集熱器的累積得熱量減小；此外，有研究表明集熱器的熱損變化隨著流體流量的增加呈現不斷減小的趨勢，故日有用得熱量增加[28]。另從試驗結果可知，由于無保溫結構集熱器的散熱負荷較大，流量因素對于集熱器集熱效果的影響更為明顯。綜上，在高流量條件下保溫結構對提升太陽能集熱器的集熱性能更有利。

不同室外溫度下的試驗結果表明，陶瓷板太陽能集熱器的升溫幅度與得熱量隨室外溫度的升高而增大。溫度零上和溫度零下時，有保溫結構集熱器的升溫幅度和累積得熱量均高于無保溫結構集熱器，其中，溫度零上時，有保溫結構集熱器的最大水體升溫幅度比無保溫結構集熱器高3.6 ℃，平均水體升溫幅度高出2.8 ℃，累積得熱量高出56.0%；溫度零下時兩者升溫幅度最大溫差為2.8 ℃，平均溫差為2.0 ℃，累積得熱量相差36.0%。另當溫度降低時，有保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度降低0.3 ℃，累積得熱量下降4.4%，無保溫結構集熱器水體平均升溫幅度降低1.0 ℃，累積得熱量下降34.4%。由于環境溫度主要影響集熱器的熱量損失，環境溫度升高，集熱器與環境的溫差減小，熱量損失減小，集熱器的有用熱能增加[29]。由此可以看出，室外空氣溫度會影響集熱器的集熱效果，但保溫結構可以增強集熱器的集熱性能，尤其當室外溫度較低時，其影響更為明顯，保溫結構的優越性也更為突出。

不同風速條件下的試驗結果表明，陶瓷板太陽能集熱器的水體升溫幅度和得熱量均與風速呈反比。在微風或風速3～4級時，無保溫結構集熱器的升溫幅度均低于有保溫結構集熱器，兩者最大溫差分別為2.8 ℃、2.6 ℃，平均溫差分別為2.1 ℃、2.3 ℃。當室外風速由微風增至風力3～4級時，無保溫結構集熱器的水體平均升溫幅度降低了20.4%，而有保溫結構集熱器降低了11.2%。這主要是因為風速增加，集熱器與外界空氣的對流換熱增加，散熱量增加，所以水體升溫幅度和得熱量降低。另外，當室外風速為微風和風速3～4級時，無保溫結構集熱器比有保溫結構集熱器的累積得熱量分別低36.5%和44.4%，且風力3～4級時，有保溫結構集熱器的水體升溫幅度較無保溫結構集熱器相對平穩，可見，有保溫結構集熱器可以削弱風速條件對集熱器升溫效果的影響，使得升溫效果更為穩定。

3.2 與非寒冷期陶瓷板太陽能集熱器水體升溫試驗的對比分析

馬遠洋等[23]開展了非寒冷期(試驗時間2018年5月1日—5月31日)陶瓷板太陽能集熱器水體升溫試驗，對比其試驗結果可知，當流量增加，兩個時期太陽能集熱器的水體升溫幅度和日有用得熱量的變化趨勢一致，但累積得熱量的變化趨勢相反。分析原因，主要由于非寒冷期的室外氣溫遠高于冬季室外氣溫，使得非寒冷期集熱器的集熱量大于散熱負荷，累積得熱量增加，冬季集熱器的散熱負荷大于集熱量，從而累積得熱量降低。該試驗結果進一步驗證了室外溫度對陶瓷板太陽能集熱器集熱效果影響的試驗結果。此外，當流量從60 L/h增至100 L/h時，非寒冷期有、無保溫結構集熱器的日有用得熱量的增量相差20%，冬季兩種結構集熱器日有用得熱量的增量相差80%。由此可以看出流量對無保溫結構集熱器升溫效果的影響明顯，尤其當氣溫較低時，其影響更為顯著。

4 結論

試驗發現，以保溫結構為基礎的陶瓷板太陽能集熱器在提升養殖水體溫度方面具有極大的可行性，尤其在高流量、低溫度、大風速的條件下，保溫結構可有效減少環境及其他變量因素對水體升溫效果的影響，提高集熱器的集熱性能。當水體流量為120 L/h時，有保溫結構集熱器的日有用得熱量比無保溫結構集熱器高25.4%；溫度零下時，有保溫結構集熱器的日有用得熱量比無保溫結構集熱器高82.1%；風速為3～4級時，有保溫結構集熱器的日有用得熱量比無保溫結構集熱器高68.2%。

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