太阳能热水系统热损系数实验研究

黄太松，袁安冬，吴青青

（1.安徽华冶新能源科技有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

太阳能热水系统主要由集热器，贮水箱和提供冷水和热水的管道等组成（连接器）。其流动方式主要可分为两类：循环式和直流式。对太阳能热水系统性能的研究主要以强迫循环式太阳能热水系统为实验平台对热损系数的研究。能够影响热水器热损系数的因素有很多，包括集热器形式，太阳能管尺寸，管之间的中心距离，方位角和倾斜，以及漫反射板的使用等。在这些不确定因素的影响下，热损失系数具有极大的不确定性。通过不同物理量对热损失系数影响的分析和研究，有助于进一步改善热水器的保温效果，例如，通过建立一组相关性，计算玻璃平板太阳能集热器的玻璃覆盖温度，可以计算出顶部热损系数的值。刘志坚等学者通过机器学习模型，包括人工神经网络（ANN）和支持向量机（SVM）来预测真空管热损系数。同时还可以通过实验研究导出相关计算公式，定量地反应真空管集热器热性能与热损失系数以及各参数之间的关系，并进行验证计算。A. HACHEMI 研究发现为了减少热损失并增加热传递系数，需要在太阳能集热器的管道中使用精心设计的翅片系统，将吸收板的温度降低到最小的可能值，以减少从吸收板到周围环境的辐射所产生的热损失。R. R. Avezov 等还研究了半透明涂层对平板太阳能集热器的热损失影响，而这一方法也可以应用到真空管中，通过半透明涂层估算其热损失系数。

真空管是太阳能热水系统的核心部件，在真空良好的情况下，环境温度和风速对热损失、工质出口温度以及集热效率的影响很小。为了弥补平板集热器的缺点，提高集热温度，国际上20 世纪70 年代研制成功真空集热管，其吸热体被封闭在高真空的玻璃真空管内，大大提高了热性能。将若干支真空集热管组装在一起，即构成真空管集热器。为了增加太阳光的采集量，有的在真空集热管的背部还加装了反光板。真空管式太阳能集热器具有非常低的热损失系数、热效率高、结构简单、性能可靠等优点。Luis E. Juanicó 通过对两种改进的真空管进行了研究，第一种设计（增加对流热损失）会使集热器的性能损失高达26%，第二种设计（增加红外发射率）不会改变集热器的性能。同时太阳能热水器在夜间的热量损失较大，降低夜间太阳能系统的热损失也是研究的重点。

本实验以强迫循环式太阳能热水系统作为实验平台，测试系统的热效率、热损系数及其他物理量，并对实验数据做出分析，为进一步研究太阳能热水系统的性能提供数据支撑。

1 测试系统原理和示意图

本次实验采用强迫循环式太阳能热水系统，该系统的循环水泵可由单片机控制，通过时间继电器实现间歇式循环。太阳能热水系统是靠太阳能集热器将接收到的热量传递给水，以达到使水加热的目的。对系统进行测试时将冷水进口、热水出口和蒸汽管道全都关闭，以减少外界因素对实验结果的影响。且为照顾冬季使用，充分利用太阳能，真空管集热器倾角为35°（高于当地纬度）。具体结构如图1 所示。

2 测试装置

测试时取一排真空管中的3 根作为代表，在每一根内部分别安装上、中、下3 根热电偶；大水箱内部在竖直方向上也均匀布置3 根热电偶；连接器内真空管相对应的位置分别安装3 根热电偶；另有一根热电偶用来测量环境温度；太阳辐射仪平行真空管集热器平面放置。实验测试装置如图2 所示。

3 实验内容

图1 太阳能热水系统示意图

图2 实验装置

连接热电偶线路，以及太阳辐射仪等配套设备。实验方案参考了GB/T 12915-1991 即《家用太阳能热水器热性能试验方法》和《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》。每次实验从上午8：00 到下午16：00 总共8 个小时，数据采集仪间隔1 min 采集一组实验数据。每当整点，用数字风速仪采集一分钟之内的平均风速，观察其是否超出实验所允许的范围（≤4 m/s）。

改变每天的水泵循环方式，包括：

①均分4 时间段循环：2 h 为一个周期，每个周期内泵工作时间相同；

②均分8 时间段循环：1 h 为一个周期，每个周期内泵工作时间相同；

③拟合典型太阳辐射曲线分布8 时间段循环：同样以1 h 为一个周期，每个周期内泵工作时间，按照同时期典型太阳辐射强度值的拟合曲线分布规律，按比例计算出来。

每种循环方式的总循环时间设定分别有2，4，6 小时三种。

挑选其中一天，在水泵循环时，用超声波流量计测量管道内水的质量流率，看其是否符合水泵扬程，并观察其稳定性。

4 系统性能计算

4.1 得热效率的计算

太阳能热水系统是靠太阳能集热器将接收到的热量传递给水，以达到使水加热的目的。那么，在一定时间内用于使水温度升高的那部分热量即为有效得热量，它与积累的太阳辐射总量之比，就是这套太阳能热水系统在这段时间内的平均得热效率。一般取一个白天为一个时间段。对于一个已知贮水量和有效太阳辐射吸收面积的太阳能热水系统，其平均得热效率的表达式为：

表1 参量说明

式中，Q为系统总的得热量，单位kJ，其表达式为：

各变量的物理意义及单位详见表1。

4.2 瞬时热损系数的计算

我们已经介绍过传热的基本方式，热能损失的方式也同样是热传导，对流和辐射这三种。计算时将贮水箱，真空管和连接器各部分所盛装的水分别看成开口体系，并对各部分分别建立瞬时能量平衡方程为：

其中

由（4）、（5）、（6）、（7）可知

其中

对于各个部分而言，u可近似看作常数。

由于太阳能热水系统中水得热与太阳辐射之间有延迟，所以在测量瞬时热损时最好选取q

=0的夜间；同时，为便于计算，去掉各部分之间由于质量交换而引起的相关性，即去掉由于U与U的不同所带来的影响，就要使m=0，即不开循环水泵，使水静止在系统内。这样（3）便成为：

再对（10）进行向前差分可得

即

式中，u就是单位质量水的瞬时热损系数，单位kW/（kg·℃）；Δτ 为时间步长；角标m 表示是在m 时刻的值。之所以取单位质量，是由于这样有利于后面对太阳能热水器各部分的热损大小作横向对比。

能量方程：

由（11）、（12）、（13）得：

4.3 其他物理量的计算

由于u在实验温度范围内波动不大，可近似看作常量，所以取其平均值u代替瞬时值。则能够计算得到：

总热损

又由式（2）知总得热量

定义一个热损变量k，它是总热损与太阳能集热器所吸收的总热能的比，是表示热量损失程度的一个无量纲数：

再定义系统太阳辐射吸收率η，它是太阳能集热器所吸收的总热能与太阳辐射总量的比，是表示集热器吸收太阳辐射情况的一个无量纲数：

根据式（1）、（14）、（15）可以得出：

利用Origin 软件算出该系统的各部分平均热损系数u，每一天的太阳能积累辐射总量H，平均热效率η，以及热损变量k 和系统太阳辐射吸收率η。

5 实验数据及分析

根据5 月18 日夜间完成的实验。取当日23：00到次日凌晨3：00 这段时间的数据进行分析。在这段时间内，停止水泵运行，从而使水温平稳下降。系统各部分水温变化曲线以及数据结果如图3～图6。

图3、图4 和图5 为系统真空管温度随时间的变化曲线。图中分别绘有不同形状的点，表示不同的热电偶在各个时间点上测得的温度值。其中真空管有三根，分别记做真空管1，2，3。每根真空管内有上，中，下三个热电偶探头；贮水箱内也有上，中，下三个热电偶；每根真空管出口处连接器内部分别有一个热电偶。由图可以看出，真空管各个部分的温度差别较大，其中以真空管上部温度最高。

贮水箱内的热水温度差别在10 ℃内，但位于真空管开口下的的水温低于上部的水温，从传热角度分析，真空管内水温应高于贮水箱内水温，但实际测量表明：倾角为35°的集热器，真空管内的水温稍低于贮水箱内水温，这是因为，真空管内的测温点设置在真空管的中心轴线上，被真空管加热的热水是沿着真空管的上壁流向贮水箱，因此，所测得的温度低于实际流入贮水箱的温度，导致所测得的真空管内温度低于贮水箱温度。

5.1 单位质量水的平均热损系数计算

图3 真空管1 内温度变化

图4 真空管2 内温度变化

图5 真空管3 内温度变化

图6 贮水箱内及环境温度变化

图7 热损实验连接器内温度变化

图8 平均瞬时热损系数曲线

表2 单位质量水的平均热损系数

5.2 单位表面积上的热损系数计算

表3 单位表面积上的热损系数

6 结论

由以上求出的各部分的单位质量水的平均热损系数之间相互比较，可以看出：真空管内单位质量水的热量损失最小，三者之中最大为真空管1 的热损系u=0.00409。由于三个真空管相同，且热损系数数值差别不大，因此可取其平均数u=0.00392 kJ /（min·kg·℃）。此外，连接器热量损失次之，贮水箱的热量损失最大。

换算成单位表面积上的热损系数计算，贮水箱热损系数以U=38.75 远远超过真空管和连接器的热损系数数值。根据国家标准GB/T 17049-1997：全玻璃真空太阳集热管的平均热损系数U≤0.90 W/（m·℃），可知这批真空管的保温性能符合要求，但贮水箱的保温材料的性能不是很理想。

该实验为进一步推动保温材料的发展和升级提供详细实验数据，实现能源收集效率提升以及传递过程中能源损耗降低，以进一步推动太阳能热水系统的发展。