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    作者：曹建國(guó)

    隨著太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化研究的不斷發(fā)展，分體式太陽(yáng)能熱水器受到更多的關(guān)注。在村鎮(zhèn)住宅太陽(yáng)能系統(tǒng)巾，基于成本的考慮，村鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)大部分都是自然循環(huán)式的。另外，間接式換熱的二次循環(huán)方式不易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象，防凍效果良好，又可以提高平板型集熱器的使用壽命，適用性更強(qiáng)。集熱器與儲(chǔ)熱水箱的高差是系統(tǒng)自然循環(huán)的動(dòng)力因素，兩者之間的高差將會(huì)影響到集熱器進(jìn)出口的水溫、流量，進(jìn)而影響到熱水系統(tǒng)的效率。因此，本文利用間接式平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過改變集熱器與水箱之間的高差，通過試驗(yàn)的方法研究系統(tǒng)效率的變化，找到實(shí)際應(yīng)用中的最佳高度。

1  間接式平板太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)模型的搭建

    間接式自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)主要由集熱器、儲(chǔ)水箱、循環(huán)管路及閥門組成，如圖1。按照《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的要求集熱器傾角定于450，表面無遮擋與陰影投射。集熱板尺寸2000mm（長(zhǎng)）x1000mm（寬），集熱器側(cè)的循環(huán)工質(zhì)為乙二醇一水防凍液，密度為1.087g/m3，冰點(diǎn)為-680C，滿足冬季夜間集熱器防凍的需要。為了依靠重力保證自然循環(huán)順利進(jìn)行，水箱放置于集熱器的上方，利用可調(diào)節(jié)支架固定。循環(huán)管及冷熱水管都選用鋁塑管，其特點(diǎn)是具有金屬管堅(jiān)固耐壓和塑料管抗酸堿耐腐蝕的兩大特點(diǎn)，也便于水箱與集熱器之間的高度調(diào)節(jié)。

2  實(shí)驗(yàn)方法

    本實(shí)驗(yàn)分為四組進(jìn)行測(cè)量，為水箱底部距集熱器進(jìn)口高度分別為116cm、86cm、56cm、36cm。每組實(shí)驗(yàn)包括3天對(duì)整個(gè)系統(tǒng)全天的室外實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的起止時(shí)間為每天8:00到16:00共八個(gè)小時(shí)。每天試驗(yàn)測(cè)得的輸入（照射到系統(tǒng)的太陽(yáng)輻射）和輸出（系統(tǒng)得到的熱量）繪制在輸入／輸出圖上。

    根據(jù)GB/T18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，每組實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)滿足具有相近的值，其中，是日平均環(huán)境或周圍空氣的溫度，0C；tb是集熱試驗(yàn)時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃。環(huán)境溫度應(yīng)在8～390C的范圍內(nèi)。在距離蓋板表面50mm處，空氣流動(dòng)的平均速率不大于4m/s。

    本文在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)測(cè)試中使用的主要儀器包括：PC-2-T太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，HOBO Weather Station Logger 15通道氣象站數(shù)據(jù)采集器，T型熱電偶 測(cè)量及IMP多通道數(shù)據(jù)采集器。PC-2-T太陽(yáng)輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)太陽(yáng)總輻射、散射輻射、直接輻射、反射輻射、凈全輻射，測(cè)試范圍在0~4000W／m2內(nèi)，誤差小于5%；氣象站數(shù)據(jù)采集器氣壓傳感器測(cè)量范圍660～1070mbar，精度±3.0mbar，溫度測(cè)量范圍-40～100。C，精度±0.20C( 0～+500C)，相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100%( -40~+750C)，精度±2.5%（10%～90%典型），風(fēng)速測(cè)量范圍0～45m/s，精度±1.1 m/s；T型熱電偶測(cè)量范圍-200。C～3500C，精度±1℃。

3  實(shí)驗(yàn)期間的天氣情況

實(shí)驗(yàn)日期如表1所示。

    實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行近一個(gè)月時(shí)間，選擇天氣情況符合實(shí)驗(yàn)要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)期間的太陽(yáng)輻照情況、氣溫變化情況及風(fēng)速變化情況列于圖2~圖4中。實(shí)驗(yàn)期間，總輻射日累計(jì)平均值為2.5MJ，每日輻照量相近，僅2日、4日及20日輻照量偏低；氣溫平均值為220C，晝夜平均溫差為6℃；風(fēng)速在0～3.8m/s之間變化，波動(dòng)較大。

4儲(chǔ)水箱高度對(duì)系統(tǒng)效率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

貯熱水箱內(nèi)水體積Vs中所含的得熱量Qs可用下式計(jì)算得到：

式中：Qs為貯熱水箱中水所含的系統(tǒng)得熱量，MJ；為水的密度，kg/m3；為水的比熱容，J/(kg0C)；Vs為貯熱水箱中流體的容積，m3；te為集熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃；tb為集熱試驗(yàn)開始時(shí)貯熱水箱內(nèi)的水溫，℃。

    在整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試期間內(nèi)，每天開始和結(jié)束時(shí)貯熱水箱內(nèi)的溫度列入表2。

    系統(tǒng)測(cè)試期間照射到集熱器表面的總輻射量如表3所示。

    按照GB/T18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的要求，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該由不同H值下的輸入，輸出圖表示。家用單一太陽(yáng)熱水系統(tǒng)的性能可由下式表示：

式中：系統(tǒng)的系數(shù)a1和a3由試驗(yàn)結(jié)果用最小二乘法來確定。Qs即為貯熱水箱的得熱量，即集熱量。

    由試驗(yàn)結(jié)果確定的不同高度下的輸入-輸出關(guān)系式為：

1. 高差為116cm

    將以上四個(gè)關(guān)系式繪入輸入-輸出關(guān)系圖，如圖5所示：

    熱水系統(tǒng)的效率可以定義為系統(tǒng)得熱量與照射到集熱器表面的總太陽(yáng)輻照量的比值。

    由圖5可知，四條線的斜率為Qs/H，由這個(gè)值可以清楚地表示出所測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試期間的效率。對(duì)于所測(cè)試的集熱器有效吸熱面積1.81m2、水箱80L的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，當(dāng)高差為86cm時(shí)，輸入一輸出關(guān)系式曲線的斜率最大，即整個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的效率最高。將測(cè)試期間內(nèi)，不同高差系統(tǒng)的平均效率列入表4中。

    從圖6看出，在集熱器與水箱之間循環(huán)管徑不變的條件下，當(dāng)集熱器頂部與水箱底部之間的高差為86cm時(shí)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的效率最高，達(dá)到31%，其比高差在116cm及56cm時(shí)系統(tǒng)的效率高了8%，比高差為36cm時(shí)的系統(tǒng)效率高了10%。

通過以上的數(shù)據(jù)分析還可以得出，平板式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的得熱量受天氣的影響比較大。當(dāng)某天的太陽(yáng)輻射較少或者陰天時(shí)，平板集熱器太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的得熱量就會(huì)較少，系統(tǒng)的效率就變得較低。

5  結(jié)論

針對(duì)間接式自然循環(huán)平板式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，本文就集熱器與水箱的高差問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將集熱器與水箱之間的高差分別設(shè)定為116cm、86cm、56cm、36cm。通過對(duì)每組系統(tǒng)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)四種高差下熱水系統(tǒng)的效率分別為23%、32%、23%、21%。當(dāng)集熱器與水箱之間的高差為86cm時(shí)系統(tǒng)的效率最高，并且比最低的高差為36cm時(shí)系統(tǒng)的效率高出11%。 

6 摘要：

在自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，儲(chǔ)水箱與集熱板位置間存在的高差是整個(gè)系統(tǒng)循動(dòng)力的關(guān)鍵因素。本文通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了儲(chǔ)水箱與集熱板高差對(duì)自然循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)效率的影響。實(shí)驗(yàn)中，通過改變儲(chǔ)水箱 高度，得到了不同高差條件下系統(tǒng)得熱量與太陽(yáng)輻照量的關(guān)系，同時(shí)得到熱水系統(tǒng)的效率平均值分別為：23%.31%.23%.21%。當(dāng)集熱器頂部與儲(chǔ)熱水箱底部之間高差為86cm時(shí)平板式太陽(yáng)能系統(tǒng)的熱性能最好。