上循环管位置对平板型家用太阳能热水器性能的影响

朱海威， 高文峰， 林文贤， 刘滔， 李泽东

(云南师范大学 太阳能研究所，教育部可再生能源材料先进技术与制备重点实验室，云南 昆明 650092)

引 言

影响太阳能热水器性能的因素有多种[1-3]，而储热水箱是平板型家用太阳能热水器的重要储能组件，其结构、容量、保温材料将直接影响热水器的性能和运行质量.而对储热水箱，上循环管位置是影响其温度分层和热水器热性能的重要因素.

太阳能热水器中储热水箱各参数对其热性能的影响受到了国内外学者的关注.Morrison[4-6]对自然循环太阳能热水器做了大量的研究工作，他采用特殊的处理技巧大大简化了系统性能模拟和理论分析的复杂程度,得到了两种分析自然循环太阳能热水系统的模型，可准确而完整地模拟分析自然循环太阳能热水系统.Rosen的研究[7]表明冷水与热水的混合是导致分层程度降低的主要原因，在长期的存储过程中会产生显著的混合热损，并得出立式水箱的性能要比卧式的好.Brinkworth[8]及Andres和Lopez[9]分别对带有水箱的太阳能集热器热性能建立了模型并进行了数值模拟分析.水箱中的温度分层现象是热虹吸太阳能热水器的驱动力，已经有许多研究人员从实验和数值方法上对其进行了分析[10-11]，结果表明热虹吸太阳能热水器的放热效率高度依赖于温度分层度.周志培与孙保民[12]及张森等人[13]对太阳能储热水箱的保温和散热机理有过研究.云南师范大学的林文贤[14]及李琳[15]等人对储热水箱作过瞬态过程的模拟研究，林文贤根据理论计算机模拟详细探讨了水箱的热水入口位置对带辅助电加热器自然循环太阳能热水系统运行特性的影响,并揭示出一些以前未知的规律,为此种系统走向最佳化设计和实际应用奠定了坚实的基础；李琳则对不同进水速度、不同进水温度下水箱内混水特性进行了数值模拟.他们的研究并未涉及平板型家用太阳能热水器在白天运行时储热水箱上循环管的位置对热水器储水箱温度分层度和热水器热性能的影响.本文利用实验测试的方法，分析了两种上循环管位置对储热水箱温度变化、分层和热水器瞬时效率的影响.

1 实验装置构建及测试方法

自然循环家用太阳能热水器由平板集热器、循环管道、储热水箱构成.热水器依靠平板集热器和储水箱中温差形成热虹吸水循环动力，通过循环水把集热器产生的热量带到储水箱内储存使用.本文所用储热水箱是立式圆柱体结构，置于平板集热器上方，储热水箱有高、低位两种上循环管，通过球阀开关选择高位上循环管或低位上循环管，以测量上循环管位置对水箱温度分层和太阳能热水器瞬时效率的影响.

为达到实验目的，如图1所示制作了一台储热水箱有高、低位上循环管的平板型家用热水器，S1、S2为球阀开关，联合选择上循环管于水箱位置.该系统集热器排管横置，集热器保持45°倾角，集热器采光面积A为2.0 m2.储热水箱采用立式圆柱体水箱，水箱内胆直径为360 mm,高为754 mm，水箱容量为76 L.出入口内径均为25 mm，高位上循环管距水箱顶部190 mm，低位上循环管距水箱顶部380 mm，循环管道外套橡塑保温棉和锡箔纸.T1、T2、T3、T4、T5分别是置于水箱内部的温度探头，用来监视和采集水箱内部水温分布情况和变化特点；Tin1、Tin2分别监测和采集热水系统高、低两个上循环管的水箱进口水温，温度探头紧贴循环管壁，并用导热硅胶密封接触，Tout监测和采集下循环管水箱出口水温.

图1 自然循环热水系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of natural circulation solar water heating system

测试地点位于昆明市云南师范大学国家太阳能产品质量检测中心测试场地(北纬25.02°，东经102.68°).用相同测试方法分别对采用高、低位上循环管的平板型家用热水器进行多天实验.实验时间为2014年3月到2014年4月天气晴朗的白天，数据测试从早上10:00开始，到18：17结束.为了尽可能地减少天气条件对实验结果的影响，最终采用天气状况相似的2014年3月19日(实验装置采用高位上循环管)和4月2日(实验装置采用低位上循环管)测试结果进行分析.由于实验设备和天气条件的限制，测试结果不可避免存在一些误差.

辐照量G、环境温度Ta、风速V采用TRM-2采集仪采集.测量过程中由于水温在短时间内变化不明显，因此Δt取为10分钟；G取10分钟内辐照平均值，水箱自然循环进出口水温取10分钟内平均水温；水箱内水温取10分钟始末5个温度探头所测水温的平均值.

2 自然循环瞬时效率

集热器的进口水温取决于储热水箱中的温度分布，而储热水箱中水温又随时间变化.因此，在研究分析储热水箱工作性能时，需要作出以下必要假设[16]：

(1)储热水箱内温度分布为线性；

(2)储热水箱箱体热容和热损均很小，可以忽略不计.

根据上述假设，某一时刻水箱内水温为布置在水箱内五个探头所监测水温的平均值，Tn(t)表示t时刻水箱内第n个温度探头的温度值，M表示水箱内水的总质量，Cp为水的比热容.则在t时刻，水箱内的平均水温可以表示为：

(1)

在Δt时间段内水箱储存热量的增量为：

(2)

自然循环瞬时效率定义：在某时间段水箱内存储热量的增量与该时间段内集热器所接收到的太阳辐照量的比值[16]:

(3)

其中A为集热器采光面积，单位为m2；G为太阳辐照度，单位为W/m2.

3 实验结果分析

图2 水箱温升曲线(高位上循环管)

Fig.2 Temperature curve of water tank (upper connecting pipe at high position)

从图2中可看出：14∶45以前随着平板集热器接收太阳辐照时间增加，水箱内水温升高.同一时刻五个传感器的温度T1

图3 水箱温差曲线(高位上循环管)

Fig.3 Temperature difference curve of water tank (upper connecting pipe at high position)

图3是采用高位上循环管的储热水箱每十分钟各层温度T1、T2、T3、T4、T5的始末温差曲线.由图可看出13∶07以前储热水箱内各层水温升温幅度并不同步，存在一定的先后顺序，因此出现图2中比较好的温度分层.13∶07以后由于水箱内水温较高和太阳辐照强度降低，升温幅度会有所减弱直至水箱开始降温，水温分层程度减弱.

图4 水箱温升图(低位上循环管)

Fig.4 Temperature curve of water tank (upper connecting pipe at low position)

图4是采用低位上循环管的储热水箱内水温变化曲线.由图可看出，当上循环管的接管位置下移，水箱内五个探头同一时刻的温度比较接近，水温分层没有高位上循环管运行情况下明显.

图5 水箱温差曲线(低位上循环管)

Fig.5 Temperature difference curve of water tank (upper connecting pipe at low position)

图5是采用低位上循环管的储热水箱每十分钟各层温度T1、T2、T3、T4、T5的始末温差曲线，由曲线可知水箱内水温升温趋势与太阳辐照强度走势比较一致.低位上循环管储热水箱内各层水温升温幅度都比较同步，升温幅度比较小，最大升温幅度不超1.5 ℃/10 min，水箱温度分层不明显，原因是上循环管在水箱上的位置比较低，在发生循环时，水箱内冷热水掺混程度更高，导致水箱内部水温升高比较均匀一致.

图6 高位和低位上循环管的循环瞬时效率曲线

Fig.6 Instantaneous efficiency curve of upper connecting tube at high and low position

图6是储热水箱采用高位和低位上循环管时热水器的自然循环瞬时效率曲线.两种循环管下的循环瞬时效率都是先增加后减少，直至水箱降温出现负的循环瞬时效率.由图可看出：达到系统平衡温度前，高位上循环管热水器瞬时循环效率要比低位上循环管热水器循环瞬时效率高，尤其高位上循环管在12∶39前的循环效率明显高于低位上循环管，效率差值最大达到15%.原因是水箱各层水温升温幅度并不同步，存在一定的先后顺序，采用上循环管的水箱内部有着更好地温度分层.水箱下部的水温保持在较低水平，可以保证较低温度的水自然循环流入集热器，因此集热器入口温度较低，效率相对较高.而低位上循环管在到达系统平衡温度前，整个水箱内水温升高步调比较一致，导致热水器瞬时效率较高位循环管下的瞬时集热效率低.达到系统平衡温度后，因为两种循环管下的水箱内冷热水的掺混都比较剧烈，温度分层程度都比较弱，所以两种循环管下的集热效率很接近.但是从总体来说高位上循环管热水器的自然循环瞬时效率比低位上循环管热水器的瞬时效率高.

4 结 论

搭建了平板型家用太阳能热水器实验装置，通过实验测试，分析了两种上循环管位置对储热水箱温度变化、分层和热水器瞬时效率的影响.得出以下结论：

采用高位上循环管的水箱在到达系统平衡温度前有较好的水温分层.随着上循环管在水箱上接口位置下移，水箱内部水温升高比较均匀一致，水箱内水温分层不明显.到达系统平衡温度后，两种循环管下的水箱内冷热水的掺混剧烈，水温分层程度减弱.

在到达系统平衡温度前，高位上循环管热水器的自然循环瞬时效率比低位上循环管热水器高；而到达系统平衡温度后，两种循环管的水箱内冷热水的掺混程度一致，热水器的自然循环瞬时效率很接近.因此，高位上循环管热水器的自然循环瞬时效率比低位上循环管热水器高.

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