横双排全玻璃真空管太阳能热水器热性能实验研究*

付鸿凯，左玉叶，刘啸，高文峰，丁祥

(云南师范大学 能源与环境科学学院，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明 650500)

1 引言

太阳能热水器是太阳能热利用技术中较为成熟的产品，在生活热水和冬季供暖等建筑节能领域发挥着重要作用[1].近年来，为了满足农村住宅或别墅的热水需求，一种大容量的新型太阳能热水器得到了应用，该太阳能热水器将系统工程中普遍应用的横双排真空管型太阳能集热器的联箱改成了水箱，对其产品结构进行重新设计，改变了真空管和支架的安装方式，安装简易可调，同时可与独栋建筑的屋顶进行一体化设计.

对太阳能热水器的热性能进行测试和分析，对提高太阳能热水器的能量转换效率有着十分重要的意义.国内外学者对太阳能热水器的热性能做了大量研究工作，研究结果表明热性能的影响因素有累计太阳辐照量[1]、日平均环境温度[2]、风速[3]、储热水箱初始温度[4]和真空管内初始温度[5]等环境因素及真空管管间距、真空管长度和储热水箱保温层厚度等产品结构因素[6]，同时安装倾角[7-8]、循环流量[9]、水箱容量与集热器采光面积配比[10]等对热水器热性能也会产生影响.

目前未见针对上述新型太阳能热水器的日有用得热量和平均热损因数等热性能评价指标及实际运行特性方面的研究，因此本文参照国家标准GB/T 18707—2002《家用太阳热水系统热性能实验方法》[11]和GB/T 19141—2011《家用太阳热水系统技术条件》[12]的实验方法及热性能评价方法，在昆明地区晴好天气条件下对某型号新型太阳能热水器进行单天和连续多天热性能实验，并改变新型太阳能热水器的安装倾角，对日有用得热量和平均热损因数等热性能评价指标及水箱内部温度变化和分层现象等运行特性进行分析.

2 实验方法

2.1 实验平台搭建

实验平台搭建在云南省昆明市呈贡区国家太阳能热水器质量检验检测中心(昆明)的室外实验场地，实验时间为2022年3月.实验设备包括TBQ-2型太阳总辐射表、EC-9S型风速仪、PT-100型温度传感器、PTWD-2A型太阳辐射传感器和TRM-2型太阳能数据采集仪等，新型太阳能热水器及相关实验设备布置如图1所示.由于水箱水温存在分层现象，因此在热水器水箱横向两个三等分点处的上、中、下位置各安装1个温度传感器测量水温，共计6个温度传感器(如图1中1(1′)、2(2′)、3(3′)编号所示)；采用风速仪及带防辐射通风罩的温度传感器测量周围环境风速和环境温度，采用太阳总辐射表测量热水器集热倾斜面接收的太阳辐照度及累计辐照量，利用连接线将传感器与太阳能数据采集仪相连.

1(1′)-上层温度传感器;2(2′)-中层温度传感器;3(3′)-下层温度传感器;4-全玻璃真空管;5-装配式可调角度安装支架;6-储热水箱;7-太阳总辐射表;8-风速仪;9-环境温度传感器;10-太阳能数据采集仪

热水器集热部分由40支Φ58 mm×1 800 mm规格的全玻璃真空管组成，集热面积为5.19 m2，水箱容量为323.6 L，初始南北向集热倾角为0°，东西向集热倾角为3°.

2.2 实验设计

单天热性能实验：9:30开始热性能得热实验，确保实验开始时水箱内的平均水温低于20 ℃；夜间热性能热损实验开始时确保水箱内的平均水温高于50 ℃.

连续多天热性能实验：晴好天气条件下连续接收太阳辐射闷晒3 d，第1天上午开始热性能实验时确保水箱内的平均水温低于20 ℃，中间过程不人为改变热水器状态.

增大南北向集热倾角连续多天热性能实验：将南北向集热倾角由0°调整为6°，不改变东西向倾角，进行连续闷晒热性能实验.

3 实验结果分析

3.1 单天热性能评价指标

在单天热性能对比实验中，采用2022年3月7日-3月8日的实验数据，计算得到日有用得热量QS=5.71 MJ/m2，测试时间为9:30-17:30；热损因数USL=1.22 W/(m3·℃)，测试时间为20:00-4:00(第二天)[13]；QS不符合国家标准GB/T 19141-2011必须大于或等于7.7 MJ/m2的要求，USL符合国家标准GB/T 19141-2011中关于平均热损因数必须小于或等于16 W/(m3·℃)的要求.

3.2 单天运行特性

热水器储热水箱内的各层水温和太阳辐照度变化如图2所示.

图2 水温、环境温度和辐照度

由图2可知，在白天运行期间热水器水箱存在明显水温分层现象，上层水温明显高于中层水温，中层水温明显高于下层水温.在9:00-13:00期间，随着太阳辐照度不断升高，水箱上层水温升温速率较快，在13:00之后，上层水温升温速率随着太阳辐照度的降低而减缓，但中层及下层水温升温速率变快.原因是真空管插入安装在水箱的中部偏下位置，在集热开始时真空管内的热水自然循环至水箱上部，热水主要集中在水箱上层，在11:00之后，上层水温同中层水温存在较大温差，向下热传导速率加快，故在11:00-16:00期间的中层水温升温速率变快.

在夜间运行期间，水箱各层水温仍存在明显的分层现象，上层水温明显下降，中层及下层水温均呈上升趋势，且下层水温升温速率较快.

3.3 南北向倾斜角度对水箱温度分布的影响

在2022年3月10日-3月13日及3月15日-3月18日晴好天气状况下对热水器进行不同安装倾角下连续多天闷晒热性能实验，得到初始南北向集热倾角为0°时的水箱各层水温分布和太阳辐照度，以及南北向集热倾角为6°时两个三等分点处各层水温分布和太阳辐照度，分别如图3和图4所示.

图4 连续多天闷晒下太阳能热水器水温变化(6°倾角)

由图3可知,水箱中层水温在第1天白天及夜间均升高，第2天白天温度速率最快，夜间水温开始下降，第3天白天温升达到与上层水温相似的最高温度94.1 ℃，夜间水温下降.水箱下层水温在第1天白天几乎没有升高，之后白天及夜间水温均持续升高，到第3天下午15:30后水温开始下降，此后各层水温及变化趋势基本保持一致，水箱内几乎不存在温度分层现象.

由图4可知，当南北向集热倾角增大到6°后，各层水温变化趋势基本不变，但是北向的三等分点处水温均高于南向.

4 结果与讨论

通过单天及连续多天闷晒条件下的热性能实验，对一种新型横双排全玻璃真空管太阳能热水器的热性能评价指标、水箱水温变化及分层现象等运行特性进行研究，得到以下主要结果：

(1)热水器的单天日有用得热量QS为5.71 MJ/m2，USL为1.22 W/(m3·℃)，QS不符合国家标准GB/T 19141-2011[12]中关于日有用得热量必须大于或等于7.7 MJ/m2要求，但整体保温性能良好.真空管在水箱内的位置处于水箱中层偏下处，导致水箱中真空管以上部分被加热，随后出现明显的分层现象，故其QS偏低.因水箱内存在明显分层现象，致使上层同中层以及下层之间有强烈的热传导，故其USL较小.

(2)对实验数据分析可知，在热水器水箱内部，上层同中层水温相差最大可达36.3 ℃，中层同下层水温相差最大可达23.3 ℃；在普通太阳能热水器水箱内部，上层同中层水温相差最大为6.8 ℃，中层同下层水温相差最大为2.9 ℃[13];相较而言，新型太阳能热水器的水箱温度分层现象比普通太阳能热水器明显.在连续闷晒3 d实验中，每天各层水温变化均有所不同，第三天下午15:30后各层水温开始下降且变化趋势基本一致，水箱内温度分层现象消失.

(3)在增大热水器的南北向集热倾角后，北向水温均高于南向，原因是由于倾角增大，导致水箱内部南北向自然循环速率加快[9]，热水更快达到北向更高位置所致.但是中层和下层的南北向两个三等分点处水温温差较小，上层北侧水温在第一天时明显高于南侧上层水温，之后温差减小.