橫雙排全玻璃真空管太陽能熱水器熱性能實(shí)驗(yàn)研究*

付鴻凱，左玉葉，劉嘯，高文峰，丁祥

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

1 引言

太陽能熱水器是太陽能熱利用技術(shù)中較為成熟的產(chǎn)品，在生活熱水和冬季供暖等建筑節(jié)能領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1].近年來，為了滿足農(nóng)村住宅或別墅的熱水需求，一種大容量的新型太陽能熱水器得到了應(yīng)用，該太陽能熱水器將系統(tǒng)工程中普遍應(yīng)用的橫雙排真空管型太陽能集熱器的聯(lián)箱改成了水箱，對其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，改變了真空管和支架的安裝方式，安裝簡易可調(diào)，同時可與獨(dú)棟建筑的屋頂進(jìn)行一體化設(shè)計.

對太陽能熱水器的熱性能進(jìn)行測試和分析，對提高太陽能熱水器的能量轉(zhuǎn)換效率有著十分重要的意義.國內(nèi)外學(xué)者對太陽能熱水器的熱性能做了大量研究工作，研究結(jié)果表明熱性能的影響因素有累計太陽輻照量[1]、日平均環(huán)境溫度[2]、風(fēng)速[3]、儲熱水箱初始溫度[4]和真空管內(nèi)初始溫度[5]等環(huán)境因素及真空管管間距、真空管長度和儲熱水箱保溫層厚度等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素[6]，同時安裝傾角[7-8]、循環(huán)流量[9]、水箱容量與集熱器采光面積配比[10]等對熱水器熱性能也會產(chǎn)生影響.

目前未見針對上述新型太陽能熱水器的日有用得熱量和平均熱損因數(shù)等熱性能評價指標(biāo)及實(shí)際運(yùn)行特性方面的研究，因此本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18707—2002《家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能實(shí)驗(yàn)方法》[11]和GB/T 19141—2011《家用太陽熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》[12]的實(shí)驗(yàn)方法及熱性能評價方法，在昆明地區(qū)晴好天氣條件下對某型號新型太陽能熱水器進(jìn)行單天和連續(xù)多天熱性能實(shí)驗(yàn)，并改變新型太陽能熱水器的安裝傾角，對日有用得熱量和平均熱損因數(shù)等熱性能評價指標(biāo)及水箱內(nèi)部溫度變化和分層現(xiàn)象等運(yùn)行特性進(jìn)行分析.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺搭建

實(shí)驗(yàn)平臺搭建在云南省昆明市呈貢區(qū)國家太陽能熱水器質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心(昆明)的室外實(shí)驗(yàn)場地，實(shí)驗(yàn)時間為2022年3月.實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括TBQ-2型太陽總輻射表、EC-9S型風(fēng)速儀、PT-100型溫度傳感器、PTWD-2A型太陽輻射傳感器和TRM-2型太陽能數(shù)據(jù)采集儀等，新型太陽能熱水器及相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置如圖1所示.由于水箱水溫存在分層現(xiàn)象，因此在熱水器水箱橫向兩個三等分點(diǎn)處的上、中、下位置各安裝1個溫度傳感器測量水溫，共計6個溫度傳感器(如圖1中1(1′)、2(2′)、3(3′)編號所示)；采用風(fēng)速儀及帶防輻射通風(fēng)罩的溫度傳感器測量周圍環(huán)境風(fēng)速和環(huán)境溫度，采用太陽總輻射表測量熱水器集熱傾斜面接收的太陽輻照度及累計輻照量，利用連接線將傳感器與太陽能數(shù)據(jù)采集儀相連.

1(1′)-上層溫度傳感器;2(2′)-中層溫度傳感器;3(3′)-下層溫度傳感器;4-全玻璃真空管;5-裝配式可調(diào)角度安裝支架;6-儲熱水箱;7-太陽總輻射表;8-風(fēng)速儀;9-環(huán)境溫度傳感器;10-太陽能數(shù)據(jù)采集儀

熱水器集熱部分由40支Φ58 mm×1 800 mm規(guī)格的全玻璃真空管組成，集熱面積為5.19 m2，水箱容量為323.6 L，初始南北向集熱傾角為0°，東西向集熱傾角為3°.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

單天熱性能實(shí)驗(yàn)：9:30開始熱性能得熱實(shí)驗(yàn)，確保實(shí)驗(yàn)開始時水箱內(nèi)的平均水溫低于20 ℃；夜間熱性能熱損實(shí)驗(yàn)開始時確保水箱內(nèi)的平均水溫高于50 ℃.

連續(xù)多天熱性能實(shí)驗(yàn)：晴好天氣條件下連續(xù)接收太陽輻射悶曬3 d，第1天上午開始熱性能實(shí)驗(yàn)時確保水箱內(nèi)的平均水溫低于20 ℃，中間過程不人為改變熱水器狀態(tài).

增大南北向集熱傾角連續(xù)多天熱性能實(shí)驗(yàn)：將南北向集熱傾角由0°調(diào)整為6°，不改變東西向傾角，進(jìn)行連續(xù)悶曬熱性能實(shí)驗(yàn).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單天熱性能評價指標(biāo)

在單天熱性能對比實(shí)驗(yàn)中，采用2022年3月7日-3月8日的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算得到日有用得熱量QS=5.71 MJ/m2，測試時間為9:30-17:30；熱損因數(shù)USL=1.22 W/(m3·℃)，測試時間為20:00-4:00(第二天)[13]；QS不符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19141-2011必須大于或等于7.7 MJ/m2的要求，USL符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19141-2011中關(guān)于平均熱損因數(shù)必須小于或等于16 W/(m3·℃)的要求.

3.2 單天運(yùn)行特性

熱水器儲熱水箱內(nèi)的各層水溫和太陽輻照度變化如圖2所示.

圖2 水溫、環(huán)境溫度和輻照度

由圖2可知，在白天運(yùn)行期間熱水器水箱存在明顯水溫分層現(xiàn)象，上層水溫明顯高于中層水溫，中層水溫明顯高于下層水溫.在9:00-13:00期間，隨著太陽輻照度不斷升高，水箱上層水溫升溫速率較快，在13:00之后，上層水溫升溫速率隨著太陽輻照度的降低而減緩，但中層及下層水溫升溫速率變快.原因是真空管插入安裝在水箱的中部偏下位置，在集熱開始時真空管內(nèi)的熱水自然循環(huán)至水箱上部，熱水主要集中在水箱上層，在11:00之后，上層水溫同中層水溫存在較大溫差，向下熱傳導(dǎo)速率加快，故在11:00-16:00期間的中層水溫升溫速率變快.

在夜間運(yùn)行期間，水箱各層水溫仍存在明顯的分層現(xiàn)象，上層水溫明顯下降，中層及下層水溫均呈上升趨勢，且下層水溫升溫速率較快.

3.3 南北向傾斜角度對水箱溫度分布的影響

在2022年3月10日-3月13日及3月15日-3月18日晴好天氣狀況下對熱水器進(jìn)行不同安裝傾角下連續(xù)多天悶曬熱性能實(shí)驗(yàn)，得到初始南北向集熱傾角為0°時的水箱各層水溫分布和太陽輻照度，以及南北向集熱傾角為6°時兩個三等分點(diǎn)處各層水溫分布和太陽輻照度，分別如圖3和圖4所示.

圖4 連續(xù)多天悶曬下太陽能熱水器水溫變化(6°傾角)

由圖3可知,水箱中層水溫在第1天白天及夜間均升高，第2天白天溫度速率最快，夜間水溫開始下降，第3天白天溫升達(dá)到與上層水溫相似的最高溫度94.1 ℃，夜間水溫下降.水箱下層水溫在第1天白天幾乎沒有升高，之后白天及夜間水溫均持續(xù)升高，到第3天下午15:30后水溫開始下降，此后各層水溫及變化趨勢基本保持一致，水箱內(nèi)幾乎不存在溫度分層現(xiàn)象.

由圖4可知，當(dāng)南北向集熱傾角增大到6°后，各層水溫變化趨勢基本不變，但是北向的三等分點(diǎn)處水溫均高于南向.

4 結(jié)果與討論

通過單天及連續(xù)多天悶曬條件下的熱性能實(shí)驗(yàn)，對一種新型橫雙排全玻璃真空管太陽能熱水器的熱性能評價指標(biāo)、水箱水溫變化及分層現(xiàn)象等運(yùn)行特性進(jìn)行研究，得到以下主要結(jié)果：

(1)熱水器的單天日有用得熱量QS為5.71 MJ/m2，USL為1.22 W/(m3·℃)，QS不符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19141-2011[12]中關(guān)于日有用得熱量必須大于或等于7.7 MJ/m2要求，但整體保溫性能良好.真空管在水箱內(nèi)的位置處于水箱中層偏下處，導(dǎo)致水箱中真空管以上部分被加熱，隨后出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，故其QS偏低.因水箱內(nèi)存在明顯分層現(xiàn)象，致使上層同中層以及下層之間有強(qiáng)烈的熱傳導(dǎo)，故其USL較小.

(2)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在熱水器水箱內(nèi)部，上層同中層水溫相差最大可達(dá)36.3 ℃，中層同下層水溫相差最大可達(dá)23.3 ℃；在普通太陽能熱水器水箱內(nèi)部，上層同中層水溫相差最大為6.8 ℃，中層同下層水溫相差最大為2.9 ℃[13];相較而言，新型太陽能熱水器的水箱溫度分層現(xiàn)象比普通太陽能熱水器明顯.在連續(xù)悶曬3 d實(shí)驗(yàn)中，每天各層水溫變化均有所不同，第三天下午15:30后各層水溫開始下降且變化趨勢基本一致，水箱內(nèi)溫度分層現(xiàn)象消失.

(3)在增大熱水器的南北向集熱傾角后，北向水溫均高于南向，原因是由于傾角增大，導(dǎo)致水箱內(nèi)部南北向自然循環(huán)速率加快[9]，熱水更快達(dá)到北向更高位置所致.但是中層和下層的南北向兩個三等分點(diǎn)處水溫溫差較小，上層北側(cè)水溫在第一天時明顯高于南側(cè)上層水溫，之后溫差減小.