二次換熱式太陽能熱水器應(yīng)用分析

邢蕾 XING Lei；王瑩 WANG Ying

（銀川能源學院，銀川 750021）

0 引言

普通太陽能熱水器，是采用虹吸原理的一次換熱系統(tǒng)，太陽能加熱水箱中的水，達到適宜溫度后，用戶無需換熱即可直接使用。這種使用方式，存在用水反復(fù)加熱、滋生細菌、不防凍等弊端。 二次換熱式太陽能熱水器供給用戶的水是進行了熱量交換的水，其中貯水箱中的水將作為熱量載體使用，用水通過換熱設(shè)備將貯水箱中水的熱量進行置換，即形成了二次換熱式太陽能熱水器。二次換熱式太陽能熱水器可解決一次用水長期蒸煮、滋生細菌等問題。

1 二次換熱式全玻璃真空管熱水器

1.1 全玻璃真空管結(jié)構(gòu)

全玻璃真空集熱管由里面和外面雙層玻璃管組成，外管透明，而內(nèi)管表面涂有吸收太陽輻射能量的吸收膜，內(nèi)管和外管之間是真空的，就像家用的保溫水瓶，如圖1 所示，它的兩端，一端開口，一端無開口，集熱管的內(nèi)外管都是環(huán)狀形密封在一起的，形成真空。沒有開口的這一端是以半橢圓球狀密封的，用可以自由伸縮的彈簧支撐卡片來作為內(nèi)外管的支撐，目的是防止管子的熱脹冷縮。彈簧卡片上有吸收氣體的物料，當有氣體出現(xiàn)時，此物料就會將其吸收，進而在管內(nèi)保持真空。

圖1 全玻璃真空集熱管

1.2 全玻璃真空管工作原理

集熱器把太陽輻射到內(nèi)玻璃管上的吸熱膜上的熱量。然后熱量又傳遞給內(nèi)管中的傳熱介質(zhì)。因為兩管間是被抽真空的，所以熱量損失很小，其加熱效率很高。

2 二次換熱理論在家用太陽能熱水器中的應(yīng)用

2.1 普通家用式太陽能熱水器存在的問題

①不防凍：銀川地區(qū)冬季室外平均溫度在-15℃左右，全玻璃真空集熱器易凍裂。②易結(jié)垢：集熱管內(nèi)空間狹窄，水流速度較慢，銀川地區(qū)自來水水質(zhì)較差，集熱器易結(jié)垢。

2.2 二次換熱式太陽能熱水器優(yōu)化方案

二次換熱系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)與貯水箱的水隔開，傳熱工質(zhì)吸收熱量后通過熱交換器將熱量傳遞給貯水箱中的水[1]。由于二次換熱家用式全玻璃真空管太陽能集熱器結(jié)構(gòu)緊湊，貯水箱在保證有一定儲水量的前提下還必須與熱水系統(tǒng)裝置結(jié)合為一體，綜合考量整體結(jié)構(gòu)、換熱器熱性能和成本以及傳熱工質(zhì)高效不結(jié)垢的等因素。擬采用在直插式全玻璃真空管熱水器外水箱內(nèi)增設(shè)一個偏心不銹鋼套筒，作為熱交換器使用；采用乙二醇溶液代替水作為傳熱工質(zhì)，防止集熱管凍裂。

3 儲能熱水系統(tǒng)

一般的二次換熱式熱水系統(tǒng)沒有儲能部分，在陰雨天氣熱水無法供應(yīng)，若加設(shè)儲能部分，在陰雨天將儲能材料中的熱量置換出來用以加熱用水，從而解決陰雨天熱水供給問題。

3.1 儲能機理

在光照充足的天氣情況下，當貯水箱滿足水溫要求時，可將多余的熱量通過二次換熱的形式存儲于相變材料中，在需要時通過換熱器將儲能相變材料中的熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到盤管熱水中[2]。

一般的太陽能熱水系統(tǒng)都是用水來作為儲熱介質(zhì)的，設(shè)備占地面積較大，耗材高。如果采用特殊的相變材料作為儲熱介質(zhì)，會大大減小設(shè)備的體積、縮短建設(shè)周期、減少投資成本。本文擬通過計算系統(tǒng)的熱負荷，采光面積等，進行儲能式太陽能熱水系統(tǒng)實驗，通過測試，對系統(tǒng)的性能和儲熱效果進行評估和分析。

3.2 系統(tǒng)實驗方案

實驗是在銀川地區(qū)進行的，在日照充分的條件下儲存能量，在陰天的時候，把相變儲能材料中的熱量傳遞給水箱用水。

該實驗中貯水箱的裝水量為120 升，加設(shè)了儲能設(shè)備，用肉豆蔻酸作為相變儲能材料。該實驗系統(tǒng)中還有循環(huán)水泵，利用溫差控制加熱部分循環(huán)回路。

控制閥門1 常開，控制閥門2 常閉，當T1-T2≥7℃時，啟動循環(huán)泵，當T2達到55℃時，關(guān)閉電磁閥1，啟動電磁閥2，當T1-T3≤5℃時，停止循環(huán)泵運行。T1、T2、T3連接控制器，系統(tǒng)循環(huán)水流量為0.045-0.06L/s。

圖2 儲能式太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

實驗裝置中增加了儲能箱，利用集熱器加熱貯水箱中的水，當貯水箱中的水達到一定的溫度要求后，用多余的熱量加熱儲能箱中的相變材料。在天氣情況不利的時候，通過盤管式換熱器利用相變材料存儲的熱量加熱用水實現(xiàn)二次換熱。

3.2.1 熱水系統(tǒng)負荷計算

銀川市處于中溫帶大陸性氣候，緯度是38°47′。平均日輻射量18.923MJ。在本實驗中每天的生活用水為160升55℃的熱水。實驗中的貯水的存水量為120 升，剩余40升熱水熱量利用儲能箱進行熱量儲存。以10℃為水箱的開始水溫，在這整個熱水加熱過程中，當集熱管里面的水溫和貯水箱中的水溫相差大于7℃以上時，自動開啟加熱直接系統(tǒng)熱水的循環(huán)回路，讓貯水箱中的水在集熱管中循環(huán)，讓其進行加熱，一直把貯水箱中的120 升水從10℃加熱到55℃。在自動關(guān)閉該回路，然后開啟儲能部分的加熱回路，當出現(xiàn)集熱管中熱水的溫度和儲能相變材料的溫度之間小于4℃的時候，關(guān)掉該回路，重新開啟直接系統(tǒng)的集熱回路，這樣進行往復(fù)加熱循環(huán)。

水箱的開始水溫為10℃，而該實驗中需要加熱的溫度為55℃。所以ΔT=30℃。根據(jù)式太陽能熱水系統(tǒng)熱負荷的計算公式：

式中，Q：家用式太陽能熱水器系統(tǒng)的熱負荷，kJ；

C：水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）

結(jié)合試驗參數(shù)可計算出熱水系統(tǒng)的熱負荷，如表1所示。

表1 太陽能熱水系統(tǒng)熱負荷

3.2.2 采光面積計算

在本次實驗中的熱水系統(tǒng)分為兩部分，其中二次換熱系統(tǒng)的熱負荷是22572 kJ，直接系統(tǒng)熱負荷是7524kJ。

采光面積根據(jù)集熱器采光面積公式：

式中，A：太陽能集熱器集熱面積，m2；

Q：熱水系統(tǒng)的熱負荷，kJ；

JT：集熱器上月均太陽輻射量，kJ/m2；

ηcd：集熱器全日集熱效率，無量綱，國際經(jīng)驗值取0.45~0.60；

ηL：管道及儲水箱熱損失率，無量綱，國際經(jīng)驗值取0.20~0.25；

取銀川當?shù)啬昶骄蛰椛淞縅T為18923kJ/m2；取ηcd=0.50，ηL=0.20。根據(jù)上述參數(shù)可得出采光面積。見表2 所示。

表2 直接系統(tǒng)集熱器采光面積

間接系統(tǒng)和直接系統(tǒng)相比，集熱器的效率較低。因為間接系統(tǒng)需要進行中間換熱，就會造成能量的損失。所以間接系統(tǒng)的集熱器面積需要補償。取ηcd=0.40；ηL=0.30，依據(jù)公式（2）進行計算，得出采光面積如表3 所示。

表3 二次換熱系統(tǒng)集熱器采光面積

3.2.3 儲能相變材料的選用

相變儲能材料將暫時不用的能量儲存起來，到需要時再將其釋放，從而可以緩解能量供與求之間的矛盾，節(jié)約能源[3]。此次實驗中采用的相變儲能材料是肉豆蔻酸。

3.2.4 換熱器

換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備。換熱器采用銅管螺旋盤管換熱器。在儲能箱內(nèi)布置螺旋盤管，盤管從儲能材料中獲取熱量，加熱管內(nèi)的用水，然后將加熱的熱水送給用戶。

通過金屬導(dǎo)熱率的對比，選用銅作為換熱器材料。

表4 金屬熱傳導(dǎo)率對比表

換熱器采用螺旋盤管型，有利于增大換熱器的換熱面積，從而提高換熱器的換熱效率。

3.2.5 系統(tǒng)平均日效率和平均熱損系數(shù)測定

①系統(tǒng)平均日效率測定。

系統(tǒng)有效能量與集熱器集熱表面的輻射大小的比值就是平均日效率。系統(tǒng)中的有效能量就等于集熱器將貯水箱中初始水溫加熱到標定水溫的熱量再加上儲能箱中儲熱材料所儲存下來的熱量。利用式（3）計算：

式中，ηd：平均日效率；

M1：貯水箱容水量，kg；

M2：儲能箱內(nèi)相變材料重量，kg；

H：相變材料熔解潛熱，kJ/kg；

cp：水的定壓比熱容，J/（kg·℃）；

cs：儲熱體固相比熱容，J/（kg·℃）；

c1：儲熱體液相比熱容，J/（kg·℃）；

t0：貯水箱起始水溫，℃；

t1：儲水箱終止水溫，℃；

t2：相變材料儲熱初始溫度，℃；

t3：儲能材料的相變溫度，℃；

t4：相變材料儲熱終止溫度，℃；

A：太陽能集熱器采光面積，m2；

HT：集熱器傾斜面上一天累積的太陽輻照量。

經(jīng)過數(shù)據(jù)整理，依據(jù)式（3）計算系統(tǒng)平均日效率如表5 所示。

表5 太陽能熱水器的平均日效率

②系統(tǒng)平均熱損系數(shù)測定。

因為在該實驗中集熱器加熱貯水箱中的水是沒有換熱的，是一次加熱，而儲能水箱的加熱系統(tǒng)是二次換熱的加熱系統(tǒng)。由式（4）~（6）分別計算單位時間，單位采光面積和平均熱損失。

式中，UL：平均熱損系數(shù)，W/（m2·℃）；

tm：平均貯水溫度，℃；

ta：平均環(huán)境溫度，℃；

Δτ：時間間隔，s。

公式中下標的1、2、3、4 表示時間內(nèi)第幾次采集的數(shù)據(jù)。

結(jié)合表2 和表3 計算出兩系統(tǒng)的平均熱損失。計算結(jié)果如表6 和表7 所示。

表6 直接系統(tǒng)平均熱損失

表7 二次換熱系統(tǒng)平均熱損系數(shù)

根據(jù)式（3） 得出沒有儲能設(shè)備的平均日效率是45.27%。而加設(shè)儲能設(shè)備的平均日效率是52.03%。遠高于其普通的沒有儲熱的系統(tǒng)。

儲能箱中的熱負荷為7524kJ，這些熱量可以把40 升的水從10℃加熱到55℃。如果使用普通的太陽能熱水器，這7524kJ 的熱量就會被浪費，陰雨天氣使用的熱水只能采用其他的加熱方式，造成能源的浪費。

4 二次換熱儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性

儲能設(shè)備的加裝，使得太陽能集熱熱水系統(tǒng)的平均日效率，從原來的45.27%提高到了52.03%，滿足了人們陰雨天氣熱水的供給要求，更大程度的利用了太陽能，減小了碳排放。實驗中應(yīng)用的是二次換熱儲能裝置，不但解決清潔用水問題還高效利用了多余熱量，改善了太陽能熱水器熱效率，體現(xiàn)了儲能式熱水系統(tǒng)使用的優(yōu)越性。