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作者：張毅

  平板型集熱器由于具有制作工藝簡(jiǎn)單、建筑結(jié)合程度高、承壓運(yùn)行使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使得其在建筑采暖、供熱、工業(yè)加熱等方面得到了廣泛的應(yīng)用。平板集熱器略顯不足之處是高溫段效率較低，熱損失大。本文對(duì)一種平板太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了優(yōu)化，目的是提高集熱器的集熱效率，減少熱損失。

1  一種平板太陽(yáng)能集熱器

平板太陽(yáng)能集熱器主要由透明蓋板、吸熱板、保溫層和外殼組成，如圖1所示。透明蓋板主要作用是讓太陽(yáng)輻射透過(guò)并減少吸熱板的對(duì)流和輻射損失。吸熱板表面涂有選擇性涂層，充分吸收入射的太陽(yáng)能，并傳給通過(guò)其中的工作流體。保溫層填充保溫材料，減少吸熱板背部以及側(cè)面的熱損失。

  外殼則是對(duì)透明蓋板和吸熱板起支撐作用。平板集熱器的集熱性能提高主要從兩個(gè)方面進(jìn)行，一方面是通過(guò)提高透明蓋板的透射率和吸熱板對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，以及減少集熱器邊緣及面蓋支撐物對(duì)太陽(yáng)的遮擋等來(lái)增加得熱量；另一方面是通過(guò)提高保溫材料的性能、改變透明蓋板和吸熱板的間距來(lái)減少熱損失。

  本文從以下幾方面來(lái)對(duì)平板集熱器進(jìn)行優(yōu)化：

  1)增加透明蓋板與吸熱板之間的間距，使得透明蓋板和吸熱板之間的距離不小于30 mm。

  2)透明蓋板采用低鐵超白布紋鋼化玻璃，并在蓋板表面鍍?cè)鐾改�，使得透明蓋板透光率達(dá)到94. 6%。

  3)采用激光焊接，吸熱板的銅鋁接觸處打?qū)�熱膠。

  4)保溫材料采用35 mm厚的聚氨酯板，鋁箔反光面朝向吸熱板。

2平板太陽(yáng)能集熱器性能測(cè)試

2.1測(cè)試數(shù)學(xué)模型

  目前太陽(yáng)能集熱器的測(cè)試方法都是基于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的熱平衡方程模型建立起來(lái)的。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下，照射到平板集熱器上的太陽(yáng)能輻射量等于工質(zhì)帶走的熱量和散失到周?chē)�的熱量之和。根�?jù)這個(gè)基本原理，建立在試驗(yàn)條件下的熱平衡方程。

集熱器工質(zhì)獲得的有用能Q�？杀硎緸椋�

式中：c。為集熱器工質(zhì)的比熱容，J/( kg。oC)；m為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s; AT（AT=r。-T．，To為集熱器的出口溫度，℃；T。為集熱器的進(jìn)口溫度，℃）是集熱器進(jìn)出口工質(zhì)的溫差，℃。

  當(dāng)集熱器的總面積為Ac時(shí)，集熱器接收的太陽(yáng)輻射為AcG。則集熱器的瞬時(shí)效率為：

式中：FR為集熱器的熱遷移因子；U為總熱損系數(shù)，W／(m2．℃)；（丁d）。為有效透射率一吸收率乘積。

  假如F。，U。和（T“）。是常數(shù)，由式(2)、式(3)可以看出，以η。為縱坐標(biāo)，T+為橫坐標(biāo)的效率曲線將是直線，其截距等于FR (-ra)。，斜率等于一FRUL。因此，在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)出質(zhì)量流量m，進(jìn)出口溫度T．和T。，以及瞬時(shí)太陽(yáng)輻照度G，用式(2)求出瞬時(shí)效率；再測(cè)出環(huán)境溫度T。，則可按式(3)來(lái)整理效率曲線。

2.2測(cè)試方法

  基于平板型太陽(yáng)能集熱器的熱性能測(cè)試方法有很多不同的標(biāo)準(zhǔn)，目前主要有國(guó)際IS09806-1、美國(guó)ASHRAE93和歐洲的EN-12975，以及國(guó)標(biāo)GB/T4271-2007。ASHRAE93標(biāo)準(zhǔn)要求在穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行測(cè)試，EN-12975提供了相對(duì)動(dòng)態(tài)的測(cè)試方法，從而對(duì)環(huán)境的適用性增強(qiáng)。

  本文采用GB/T 4271-2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》和ANSI/ASHRAE93 -2010標(biāo)準(zhǔn)，采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)進(jìn)行測(cè)試。溫度傳感器采用PT1000，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后測(cè)量誤差為±0.1 K；流量計(jì)采用精度為1.5級(jí)的渦街流量計(jì)，輻照儀采用Kipp&Zonnen公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，測(cè)量精度為±5%。本文分別對(duì)普通平板集熱器和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平板集熱器的熱性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試中兩塊平板集熱器的集熱面積均為2m2；工質(zhì)采用水，流量為0. 04 kg/s；測(cè)試地址為上海交通大學(xué)機(jī)動(dòng)學(xué)院C樓樓頂，根據(jù)上海地區(qū)緯度將集熱器傾斜30。放置，集熱器方向?yàn)檎�南方向�?/p>

2.3測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)主要由平板集熱器、集熱水箱、循環(huán)水泵、流量計(jì)、輻照儀、管道閥門(mén)以及數(shù)據(jù)采集儀等組成，如圖2所示，圖3為實(shí)物圖。

  測(cè)試時(shí)間為2015年5月7日~ 22日。測(cè)試過(guò)程為：

  1)按圖2所示搭建測(cè)試臺(tái)；

  2)對(duì)集熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)水；

  3)開(kāi)啟循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)流量至流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定在0. 04 kg/s；

4)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集儀，記錄集熱器的進(jìn)出口溫度、環(huán)境溫度以及太陽(yáng)全輻照度，采集頻率為5 s／次；

  5)數(shù)據(jù)處理，畫(huà)出瞬時(shí)集熱效率與歸一化溫差的曲線，并擬合一次公式。

  按照同樣的步驟，對(duì)普通平板集熱器和優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平板集熱器分別進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)處理。

3  測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在測(cè)得集熱器的進(jìn)出口溫度、環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度和集熱器流量的多組數(shù)據(jù)之后，選取滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并利用最小二乘法對(duì)所得的瞬時(shí)效率進(jìn)行擬合，可以得到歸一化溫差對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)效率曲線，如圖4所示。

擬合的效率方程見(jiàn)式(4)、式(5):

優(yōu)化平板集熱器：

普通平板集熱器：

式中各參數(shù)含義同前。

  優(yōu)化后的平板集熱器瞬時(shí)截距效率相較普通平板集熱器提高了15. 1%，熱損系數(shù)減少更多，達(dá)到了20. 3%。以下為對(duì)平板集熱器集熱性能改善的原因進(jìn)行分析。

4透明蓋板與吸熱板的間距對(duì)瞬時(shí)效率的影響

在熱平衡條件下，集熱器的有效能Q。應(yīng)當(dāng)?shù)扔谖�收的輻射和熱損失之差：

式中：S為吸收的太陽(yáng)輻射量；UL為總熱損系數(shù)，W/( m2.℃)。總熱損系數(shù)UL又包括三部分：

式中：U。為頂部損失系數(shù)；Ub為底部損失系數(shù)；U。為邊緣損失系數(shù)。Ub和U。比U。小很多。

平板集熱器的頂部損失主要包括透明蓋板與吸熱板之間的對(duì)流換熱損失和輻射換熱損失，以及透明蓋板與外界的對(duì)流換熱損失和輻射換熱損失。透明蓋板與吸熱板之間的對(duì)流熱阻為1/hp_e，輻射熱阻為1/h,一。；透明蓋板與外界的對(duì)流換熱主要由風(fēng)引起，熱阻為1/h。，輻射熱阻為1/hr,c_。。由上可知頂部損失系數(shù)的計(jì)算公式為：

  又透明蓋板與吸熱板之間的對(duì)流換熱系數(shù)hp_e與其之間的間距為反比關(guān)系，即：hp_e oc l/L，代入式(8)可知，當(dāng)透明蓋板與吸熱板的間距L增大時(shí)，頂部熱損系數(shù)減小，即總熱損系數(shù)減小，從而使得平板集熱器的有效能Q。增大。

  本文按照  Solar Engineering of ThermalProcesses書(shū)中所述，模擬計(jì)算了透明蓋板與吸熱

板間距對(duì)總熱損系數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)透明蓋板與吸熱板的間距為30 mm時(shí)，總熱損系數(shù)很低，且此時(shí)總熱損系數(shù)下降最快。此后隨間距的增大，總熱損系數(shù)下降趨勢(shì)減慢，即間距對(duì)總熱損系數(shù)的影響減弱。當(dāng)間距增大到65 mm時(shí)，總熱損系數(shù)達(dá)到最小。

  因此，優(yōu)化后的平板集熱器透明蓋板與吸熱板之間的間距在30～65 mm范圍時(shí)，可以有效減少熱損系數(shù)，提高集熱效率。

5平板集熱器TRNSYS模擬計(jì)算

  本節(jié)使用TRNSYS模擬程序?qū)μ��?yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。在TRNSYS中建立的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的模型如圖5所示，其中采用的平板集熱器的性能參數(shù)設(shè)置與實(shí)際測(cè)試條件一致，在相同的進(jìn)口溫度、環(huán)境溫度以及太陽(yáng)輻照度下，模擬計(jì)算平板集熱器的出口溫度，并與測(cè)試出口溫度值進(jìn)行比較，如圖6所示。

由圖6可以看出，TRNSYS模擬與實(shí)際測(cè)試得出的出口溫度值隨進(jìn)口溫度增大的變化曲線基本吻合，由此可以證明測(cè)試結(jié)果的有效性。同時(shí)可以看到，隨著進(jìn)口溫度的增加，出口溫度的上升基本呈線性趨勢(shì)，即優(yōu)化平板集熱器的溫度變化靈敏度很高。

6  其他因素對(duì)瞬時(shí)效率的影響

  對(duì)透明蓋板鍍?cè)鐾改�，使其透光率達(dá)到94.6 %，增加了投射進(jìn)入到吸熱板的太陽(yáng)光線，從而使吸熱板吸收到的太陽(yáng)輻射能增加，即增加了平板集熱器的得熱量。

  對(duì)吸熱板的管板連接處采用激光焊接，能夠有效減少管板的接觸熱阻，使得吸熱板吸收的熱量能夠很好的傳遞給工質(zhì)，即減少了平板集熱器的熱損。

  保溫材料的厚度底部增加至35 mm，并在吸熱板和保溫材料間采用鋁箔反光，能夠有效減少平板集熱器的底部和側(cè)邊的散熱損失。

  由以上所述，這三方面也同時(shí)能夠提高平板集熱器的集熱性能，使得瞬時(shí)集熱效率增加。

7  結(jié)論

  為了提高平板集熱器的集熱性能，本文優(yōu)化得到了1種新型平板集熱器：

  1)增加透明蓋板與吸熱板之間的間距，使得透明蓋板和吸熱板之間的距離不小于30 mm。

  2)透明蓋板采用低鐵超白布紋鋼化玻璃，并在透明蓋板表面鍍?cè)鐾改ぃ�使得其透光率達(dá)到94. 6%。

  3)采用激光焊接，吸熱板的銅鋁接觸處打?qū)�熱膠。

  4)保溫材料采用35 mm厚的聚氨酯板，鋁箔反光面朝向吸熱板。

  經(jīng)過(guò)以上四方面的處理后，對(duì)優(yōu)化的平板集熱器進(jìn)行了熱性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，平板集熱器的集熱性能得到很大的提高：瞬時(shí)截距效率提高了15. 1%；熱損系數(shù)減少了20. 3%。8[摘要]為了提高平板太陽(yáng)能集熱器的集熱性能，通過(guò)增大透明蓋板和吸熱板之間的間距、在透明蓋板上鍍?cè)鐾改�、激光焊接、采用聚氨酯板、鋁箔反光面朝向吸熱板等措施，對(duì)平板集熱器進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了平板太陽(yáng)能集熱器的歸一化溫差與瞬時(shí)效率曲線，優(yōu)化后的平板集熱器相較普通平板集熱器的瞬時(shí)截距效率提高了15. 1%，熱損系數(shù)減少了20. 3%。