低温余热与太阳能的综合利用

邓增 肖帅 崔婷婷

（中南大学能源科学与工程学院 湖南长沙 410083）

随着能源消耗的与日俱增，能源供应越发紧张，而能源的高效利用及回收已成为科学研究的重点内容之一。余热回收是其中的一个重要项目，目前大多数研究仅针对于高温烟气的回收，而对于低温（40℃～80℃）烟气却难以回收利用，如冷凝式燃气壁挂炉、经过回收后的工厂排气甚至是空调外排气等。为了能有效利用该部分能源，本文将其与太阳能结合起来，通过减小太阳能利用设备（如太阳能热水器）的散热来增加太阳能利用设备对太阳能的利用率。

1 利用方法简述

传统太阳能热水器[1]的热量损耗主要为集热器上部的辐射散热和对流散热。目前减小对流散热的方法[2]主要是增加透明盖板的层数，而随着透明盖板的层数增加，其透光能力会随之减弱，影响集热效率。本方法主要是通过增加透明盖板表面温度来减小太阳能热水器的对流散热，达到提高其效率的目的。根据传热学原理[3]知：

本文即通过利用低温烟气来增大t∞，从而达到减小对流散热q的目的。具体实施如下图所示：

图1 太阳能热水器原理原理图

图2 改进后太阳能热水器示意图

2 理论效率计算

2.1 已知条件

集热器面积，太阳辐射强度，透明盖板的透射率，吸热材料的吸收率[3]，透明盖板的层数为1，吸热层温度，环境温度，低温烟气温度高于吸热层温度，吸热材料的发射率[5]，透明盖板的发射率[3],不计空气流速和底部及侧面的散热。

2.2 计算求解

根据太阳能热水器的效率计算公式[4]

其中：

Qu——集热器在规定时间段内输出的有用能，W；

QA——同一时段内入射在集热器上的太阳辐照能量，W；

QL——同一时段内集热器对周围环境散失的能量，W；

At——集热器顶部面积，m2；

Ut——顶部热损系数，W/（m2K）；

Tp，Ta——分别为集热器内部与四周环境温度，K；

G——太阳辐照强度，W/m2；

（τα）e——透明盖板透射比与吸热体吸收比的有效乘积；

η——集热器的效率。

为了计算Ut，本文采用了参考文献[4]给出的克莱恩公式：

式中：

N——透明盖板层数；

Tp，Ta——分别为集热器内部与四周环境温度，K；

εp——吸热体的发射率，%；

εg——透明盖板的发射率，%；

f——有盖板和无盖板时热阻的比值；

hw——环境空气与透明盖板的对流传热系数，W/(m2K)；

v——环境风速，m/s。

带入已知参数计算得到在无低温烟气时太阳能集热器效率为52.46%，而采用低温烟气隔热时其效率可以达到58.07%。上述结果从理论上表明，在利用太阳能的同时用低温烟气减小其对流散热，可以将太阳能的利用率提高5.61%。

3 结语

虽然单台太阳能热水器的能源利用率仅提高5.61%，其效果并不是太明显，但随着太阳能的使用越来越广泛，利用该方法增加的太阳能利用量是相当可观的。同时，该项技术实施起来比较容易，仅需利用管道即可完成其改装，对已安装太阳能热能利用设备的用户亦可适用。目前限制该技术发展的瓶颈为这种低温烟气难以收集，且难以输送到太阳能利用设备上，然而而随着家庭供暖设备，如燃气壁挂炉等的推广，越来越多的低温烟气将会与太阳能利用设备结合起来利用，这将给该项技术的发展带来可能。

[1]施钰川.太阳能原理与技术.西安交通大学出版社.2009，8.

[2]何梓年，朱敦智.太阳能供热采暖手册.化学工业出版社.2009，5.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学.高等教育出版社.2006,8.

[4]罗运俊，陶桢.太阳热水器及系统.化学工业出版社.2007,1.

[5]郑瑞澄，路宾，李忠，何涛.太阳能供热采暖工程应用技术手册.中国建筑工业出版社.2012，3.