王敏鵬,蘇凱群
(櫻花衛(wèi)廚(中國)股份有限公司 江蘇昆山 215300)
作為可持續(xù)利用的清潔能源,太陽能得到了越來越廣泛的重視。作為太陽能熱利用的代表,太陽能熱水器是實(shí)現(xiàn)能源替代、減少排放以及改善城鄉(xiāng)居民生活條件的重要保障。集熱管是太陽能熱水器的核心部件,它的工作是吸收太陽輻射能,再將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,因此集熱管熱性能的好壞直接影響到太陽能熱水系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和應(yīng)用范圍。當(dāng)前國標(biāo)規(guī)定的集熱管熱性能測(cè)試方法存在:不同起始溫度測(cè)試的集熱器的熱性能參數(shù)不具有可比性的問題。而二維積分法算集熱管溫度曲線和環(huán)境溫度曲線間的面積則可以很好的解決該問題。
利用太陽能支架,架設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以GB/T17049內(nèi)檢測(cè)手法為基礎(chǔ),利用各家廠商提供之樣管進(jìn)行測(cè)試。
本系統(tǒng)包括測(cè)試平臺(tái)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2.2.1 測(cè)試平臺(tái)
將集熱管放置于支架平臺(tái),樣管擺放方式,依次為陪管-實(shí)驗(yàn)管-陪管,分別對(duì)A、B、C、D四家真空管進(jìn)行檢測(cè)。利用鉑電阻溫度計(jì),分別布置于管內(nèi)距管口300mm、900mm與1500mm位置上(如圖1所示)。
2.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
利用多點(diǎn)溫度計(jì)以巡檢的方式將每分鐘輸出的溫度記錄于PC上。
圖2 積分幾何定義
圖3 5/26時(shí)間輻照量與真空管溫度變化圖
·24h環(huán)境溫度。
·24h集熱管內(nèi)溫度變化。
·24h太陽幅照量。
·天氣狀況。
測(cè)試用樣品的規(guī)格見表1。
·同樣環(huán)境情況(天氣、風(fēng)力、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、幅照量)。
·根據(jù)當(dāng)日環(huán)境因素每兩個(gè)小時(shí)記錄環(huán)境情況,包含天氣情況、環(huán)境溫度。
·針對(duì)集熱管結(jié)構(gòu)、測(cè)試形式與數(shù)據(jù)記錄做統(tǒng)一規(guī)范。
·測(cè)試位置:江蘇省昆山市,北緯31.23°、東經(jīng)120.57°。
采用二維積分的幾何定義進(jìn)行計(jì)算,二維積分幾何定義是指函數(shù)f(x)在規(guī)定區(qū)間[a,b]內(nèi)與x軸圍成的曲面的有向面積:在x軸上方(藍(lán)色)的面積為正,下方(黃色)的面積為負(fù)(如圖2所示)。
圖4 5/30時(shí)間輻照量與真空管溫度變化圖
實(shí)驗(yàn)利用24小時(shí)溫度變化曲線與環(huán)境溫度、輻照量整合,形成綜合性比較圖。其中,5月26日的數(shù)據(jù)見表2和圖3;5月30日數(shù)據(jù)(天氣:陰轉(zhuǎn)雨;風(fēng)速:0.6m/s;濕度:56%)見表3和圖4:6/1數(shù)據(jù)(天氣:陰 風(fēng)速:0.6m/s;濕度:55%)。
式中:tA(7:00)—A廠商真空管內(nèi)7:00時(shí)溫度,其它依次類推;
t環(huán)境(7:00)—7:00時(shí)的環(huán)境溫度,其它依次類推;
圖5 6/1時(shí)間輻照量與真空管溫度變化圖
圖6 二維積分統(tǒng)計(jì)圖
表1 測(cè)試樣品
表2 5/26測(cè)試數(shù)據(jù)(天氣:晴轉(zhuǎn)陰;風(fēng)速:0.8m/s;濕度:54%)
表5 廠商整機(jī)規(guī)格一覽表廠商 E F真空管規(guī)格(mm) ¢58*1920*18 ¢58*1800*18標(biāo)稱容量(L) 165 160管升數(shù)配比(L) 8.89 8.5真空管管距(mm) 75 75發(fā)泡料(mm) 45 55標(biāo)稱采光面積(mm2) 2.53 2.32
圖7 E廠商輻照量H和日有用得熱量q關(guān)系
圖8 F廠商輻照量H和日有用得熱量q關(guān)系
通常取0.5h為積分單元進(jìn)行計(jì)算。
根據(jù)真空管溫度曲線變化與環(huán)境溫度曲線歸納統(tǒng)計(jì)出二維積分面積,取出科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù),匯整為二維積分統(tǒng)計(jì)圖(見圖6)用計(jì)算數(shù)據(jù)比較出各種結(jié)構(gòu)真空管在不同環(huán)境下優(yōu)劣。
利用二維積分面積分析后,比較三天數(shù)據(jù)資料結(jié)果:
結(jié)論:通過比較可得出C廠商真空管的綜合熱性能最優(yōu)。
GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定的換算成輻照量為17MJ/m2的得熱量q17=17q/H算法,存在輻照量較高的情況下日有用得熱量反而不準(zhǔn)確的缺陷,這里可通過E廠商和F廠商的整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。已知E、F廠商的整機(jī)規(guī)格如表5所示。
按GB/T 19141-2011中規(guī)定的試驗(yàn)條件擇取E廠商和F廠商的太陽能熱水系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù):
(1)日太陽輻照量H≥16MJ/;
(2)試驗(yàn)開始時(shí)儲(chǔ)熱水箱的溫度
tb=(20.0±1.0)℃;
圖9 E廠商輻照量H和日有用得熱量q17關(guān)系
表3 5/30測(cè)試數(shù)據(jù)(天氣:陰轉(zhuǎn)雨;風(fēng)速:0.6m/s;濕度:56%)
圖10 F廠商輻照量H和日有用得熱量q17關(guān)系
表4 6/1測(cè)試數(shù)據(jù)(天氣:陰;風(fēng)速:0.6m/s;濕度:55%)
圖11 E廠商整機(jī)輻照量、環(huán)境溫度、試驗(yàn)結(jié)束溫度關(guān)系
圖12 F廠商整機(jī)輻照量、環(huán)境溫度、試驗(yàn)結(jié)束溫度關(guān)系
(3)試驗(yàn)期間日平均環(huán)境溫度
8℃≤tad≤35℃;
(4)環(huán)境空氣的流動(dòng)速率v≤4m/s;
E、F廠商數(shù)據(jù)如表6、7(為方便觀察各參數(shù)關(guān)系,擇取的數(shù)據(jù)按H的升序排列)。
舉例比較7/27和4/3兩日的數(shù)據(jù)可以看出:7/27輻照量H值<4/3輻照量H值,而7/27的q17值>4/3的q17值,輻照量越大,日有用得熱量q17反而偏小,這一現(xiàn)象利用圖表向?qū)е谱鞒扇鐖D7、8、9、10關(guān)系圖。
通過圖表可以觀察到輻照量H和日有用得熱量q不具有線性比例關(guān)系。因此,在q一定的情況下,公式q17=17q/H中的H 和q17成線性關(guān)系是不準(zhǔn)確的。因此我們采用E廠商和F廠商的試驗(yàn)結(jié)束溫度和環(huán)境溫度作二維積分計(jì)算,來減少q17計(jì)算公式對(duì)日有用得熱量的影響。并輔以GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》為標(biāo)準(zhǔn),比較兩廠商整機(jī)的得熱性能情況。E廠商整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整如表8、圖11(按國標(biāo)規(guī)定選取試驗(yàn)起始溫度為20℃數(shù)據(jù)):
F廠商整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整如表9(按國標(biāo)規(guī)定選取試驗(yàn)起始溫度為20℃數(shù)據(jù))。
表6 E廠商H、q、q17試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整表
表7 F廠商H、q、q17試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整表
表8 E廠商整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整
表9 F廠商整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯整
根據(jù)圖11、圖12利用積分求和計(jì)算:
并得到二維積分統(tǒng)計(jì)圖13。
利用二維積分面積分析,可總和數(shù)月數(shù)據(jù)資料結(jié)果,整機(jī)綜合性能:∑E>∑F
結(jié)論:通過比較可得出,E廠商的綜合熱性能要優(yōu)于F廠商的綜合熱性能。
通過對(duì)多臺(tái)家用太陽能熱水系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,可得出結(jié)論:通過比較溫升變化曲線和環(huán)境溫度變化曲線所積面積的大小來確定集熱器或者整機(jī)的熱性能,可以避開試驗(yàn)起始溫度對(duì)集熱器,或者q17計(jì)算公式對(duì)整機(jī)試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差影響;同時(shí)若放寬試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間范圍,二維積分統(tǒng)計(jì)表可以綜合反映出當(dāng)日的得熱量和熱損情況,可謂一舉兩得。
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[6] GB/T 17049-2005《全玻璃真空太陽集熱管》
[7] GB/T 19141-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件》
[8] GB 26969-2011《家用太陽能熱水系統(tǒng)能效限定值及能效等級(jí)》