鄢 雨，沈國(guó)民*，張 豪，王飛飛，吳祖國(guó)

(1. 華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源工程系，武漢 430000；2. 武漢博茗低碳產(chǎn)業(yè)股份有限公司，武漢 430000)

0 引言

太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括平板太陽(yáng)能集熱器、真空管太陽(yáng)能集熱器等多種類型。但傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能集熱器占地面積大且集熱性能較差，難以應(yīng)用于高度城市化的地區(qū)，如何解決這一問題已成為建筑節(jié)能的一個(gè)重要課題[1]。

黃俊鵬等[2]梳理了國(guó)內(nèi)外平板太陽(yáng)能集熱器的發(fā)展現(xiàn)狀，分析得出目前我國(guó)市場(chǎng)上平板太陽(yáng)能集熱器在集熱效率上仍有很大的提升空間，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)存在一定差距的結(jié)論。丁海兵等[3]對(duì)陽(yáng)臺(tái)壁掛式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的平板太陽(yáng)能集熱器與南立面墻夾角分別為28°和0°時(shí)的集熱性能進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，平板太陽(yáng)能集熱器傾斜安裝時(shí)的得熱量明顯高于其以0°安裝時(shí)。這說(shuō)明安裝角度對(duì)平板太陽(yáng)能集熱器的集熱效率有很大的影響。

相較于傳統(tǒng)的平板太陽(yáng)能集熱器集熱性能差的缺點(diǎn)，新型的曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱性能有大幅提高。為了研究曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器集熱性能的差異，本文設(shè)計(jì)搭建了太陽(yáng)能集熱器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)這2種尺寸完全一致的太陽(yáng)能集熱器在相同太陽(yáng)輻照度下以不同角度安裝時(shí)的集熱性能進(jìn)行了研究，以便為曲面太陽(yáng)能集熱器在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 曲面太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)所用曲面太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該集熱器的吸熱板表面是由大圓弧和小圓弧組成的曲面，小圓弧的半徑為7 mm、大圓弧的半徑為50 mm，2種圓弧的角度均為149°；吸熱板表面2個(gè)相鄰的大圓弧柱面間存在反射，且小圓弧凹槽可以聚集低密度太陽(yáng)能，進(jìn)而提高整個(gè)集熱器的集熱性能。

圖1 曲面太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of curved solar collector

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

根據(jù)GB/T 18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》[4]的要求搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由集熱器、貯熱水箱、一級(jí)總?cè)丈浔?、風(fēng)速儀、環(huán)境溫度測(cè)試儀、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及循環(huán)管路組成。曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器并排朝向正南放置，以保證在測(cè)試期間，2臺(tái)集熱器的表面環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻射角度、表面風(fēng)速均相同。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig. 2 Photo of experimental platform

為測(cè)試太陽(yáng)能集熱器的集熱性能，在集熱器進(jìn)水口、出水口設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，在貯熱水箱上離上部1/3的位置設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，在吸熱板的上、中、下3根換熱銅管上設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，在吸熱板背面的上部、下部設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)；利用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行記錄。具體如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試點(diǎn)分布示意圖Fig. 3 Schematic diagram of test point distribution of experimental platform

同時(shí)，根據(jù)GB/T 18708-2002《家用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)熱性能試驗(yàn)方法》的要求，安裝數(shù)據(jù)采集儀、一級(jí)總?cè)丈浔?、溫度傳感器、環(huán)境溫度測(cè)試儀及風(fēng)速儀，分別用于測(cè)量太陽(yáng)輻照度及周圍的環(huán)境參數(shù)。

表1 主要儀器的參數(shù)Table 1 Main instrument parameters

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12975-2:2006《太陽(yáng)熱利用系統(tǒng)及部件—— 太陽(yáng)能集熱器：第2部分：測(cè)試方法》給出了太陽(yáng)能集熱器測(cè)試的2種方法：穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法和動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。由于穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法對(duì)于周圍環(huán)境參數(shù)的要求過(guò)于嚴(yán)格，因此本實(shí)驗(yàn)采取動(dòng)態(tài)測(cè)試方法[5]；并通過(guò)采集曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器在不同安裝角度(60°傾斜安裝和90°垂直安裝)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，分析2種太陽(yáng)能集熱器的集熱性能差異。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 60°傾斜安裝太陽(yáng)能集熱器

3.1.1 太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度測(cè)試

為了分析2種太陽(yáng)能集熱器在60°傾斜安裝時(shí)的集熱性能差異，實(shí)驗(yàn)選取2019年6月7日與6月24日這2個(gè)典型日作為測(cè)試日，測(cè)試日的氣象條件如表2所示。

表2 測(cè)試日的氣象條件Table 2 Meteorological conditions of test days

為保證測(cè)試開始時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)水溫度一致，所以6月7日與6月24日的測(cè)試時(shí)間分別從11:30和10:00開始。

6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度變化情況如圖4所示。

圖4 60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度及太陽(yáng)輻照度情況Fig. 4 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 60°

由圖4a可知，測(cè)試期間，2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)水溫度不斷升高，其中，17:00時(shí)曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)水溫度達(dá)到了39.2 ℃，平板太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)水溫度達(dá)到了36.8 ℃；曲面太陽(yáng)能集熱器的出水溫度均高于平板太陽(yáng)能集熱器的，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)二者的溫差基本都維持在3.5 ℃左右。

由圖4b可知，測(cè)試期間，曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度變化規(guī)律均趨于一致；其中，曲面太陽(yáng)能集熱器的出水溫度高于平板太陽(yáng)能集熱器的，二者的溫差最大時(shí)達(dá)到了3.3 ℃；曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)水溫度也基本比平板太陽(yáng)能集熱器的高，且二者溫差不斷增大，在17:30時(shí)達(dá)到了2.9 ℃。

綜上所述，在2天的測(cè)試中，2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度變化規(guī)律均相同，且曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度均比平板太陽(yáng)能集熱器的高。

3.1.2 太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度測(cè)試

測(cè)試6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度變化，具體情況如圖5所示。

圖5 60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度情況Fig. 5 Temperature of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 60°

由圖5可知，在6月7日，曲面太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱與平板太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的最高溫度分別為46 ℃和42.9 ℃。在6月24日，曲面太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱與平板太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的最高溫度分別為52.2 ℃和49.5 ℃。

從圖中可以看出，在2天的測(cè)試中，2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度變化規(guī)律一致，且溫度均不斷升高；測(cè)試期間，曲面太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度比平板太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的高。

3.1.3 太陽(yáng)能集熱器的集熱效率測(cè)試

由于本測(cè)試采用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，因此，以2種太陽(yáng)能集熱器每小時(shí)的集熱效率作為評(píng)價(jià)其集熱性能的參數(shù)之一。

集熱器的集熱效率為傳熱工質(zhì)從太陽(yáng)能集熱器中獲得的能量與同時(shí)入射在集熱器采光面上的太陽(yáng)輻射量的比值[6]。其可表示為：

式中，η為集熱效率，%；Q為給定時(shí)間段內(nèi)傳熱工質(zhì)從太陽(yáng)能集熱器中獲得的能量，J；A為太陽(yáng)能集熱器采光面的面積，m2；H為給定時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)能集熱器采光面單位面積所接收到的太陽(yáng)總輻射量，J/m2，可利用一級(jí)總?cè)丈浔頊y(cè)量得到太陽(yáng)能集熱器采光面的太陽(yáng)總輻照度Eg，根據(jù)Eg與時(shí)間的積分計(jì)算得到H的值。

測(cè)試6月7日與6月24日，60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的集熱效率，具體情況如圖6所示。

圖6 60°傾斜安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的集熱效率情況Fig. 6 Heat collection efficiency of two kinds of solar collectors with installation angle of 60°

由圖6可知，2種太陽(yáng)能集熱器的集熱效率變化規(guī)律趨于一致，且曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱效率比平板太陽(yáng)能集熱器的高。

3.1.4小結(jié)

綜上所述，在2次測(cè)試期間，曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度，貯熱水箱溫度及集熱效率均比平板太陽(yáng)能集熱器的高。由此可知，在60°傾斜安裝時(shí)，曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱性能高于平板太陽(yáng)能集熱器的集熱性能。

3.2 90°垂直安裝太陽(yáng)能集熱器

為進(jìn)一步分析曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器在90°垂直安裝時(shí)集熱性能的差異，選取2019年6月27日進(jìn)行測(cè)試，具體環(huán)境參數(shù)見表2。

3.2.1 太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度測(cè)試

圖7為90°垂直安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度變化情況。

圖7 90°垂直安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度及太陽(yáng)輻照度情況Fig. 7 Inlet and outlet water temperature of two kinds of solar collector and solar irradiance with installation angle of 90°

由圖7可知，測(cè)試期間，2種太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度變化規(guī)律基本一致；二者的進(jìn)、出水溫度相差不大，且隨著時(shí)間推移，二者的出水溫差越來(lái)越小。

3.2.2 太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度測(cè)試

90°垂直安裝時(shí)，2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度變化情況如圖8所示。

由圖8可知，測(cè)試期間，2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度變化規(guī)律一致，溫度均為不斷升高的趨勢(shì)。在10:00時(shí)，曲面太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度比平板太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度低0.47 ℃，但至17:00時(shí)，二者的溫度已基本相同，這說(shuō)明曲面太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度上升速度較平板太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的略快。

圖8 90°垂直安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器貯熱水箱的溫度變化情況Fig. 8 Temperature change of hot water storage tank of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

3.2.3 太陽(yáng)能集熱器的集熱效率測(cè)試

90°垂直安裝時(shí)，2種太陽(yáng)能集熱器的集熱效率變化情況如圖9所示。

圖9 90°垂直安裝時(shí)2種太陽(yáng)能集熱器的集熱效率情況Fig. 9 Heat collection efficiency of two kinds of solar collector with installation angle of 90°

由圖9可知，測(cè)試期間，曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱效率比平板太陽(yáng)能集熱器的高。

但通過(guò)對(duì)比圖9與圖6可以發(fā)現(xiàn)，同一測(cè)試時(shí)間內(nèi)，以60°傾斜安裝時(shí)，曲面太陽(yáng)能集熱器和平板太陽(yáng)能集熱器的集熱效率均高于二者在90°垂直安裝時(shí)的集熱效率。

3.2.4 小結(jié)

綜上所述，在整個(gè)測(cè)試期間，曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度，貯熱水箱溫度及集熱效率均比平板太陽(yáng)能集熱器的高。由此可知，以90°垂直安裝時(shí)，曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱性能高于平板太陽(yáng)能集熱器的集熱性能。

4 結(jié)論

本文對(duì)曲面太陽(yáng)能集熱器與平板太陽(yáng)能集熱器在2種安裝角度時(shí)的集熱性能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)在相同安裝角度下，曲面太陽(yáng)能集熱器的集熱效率比平板太陽(yáng)能集熱器的高。

2)以60°傾斜安裝時(shí)，曲面太陽(yáng)能集熱器及平板太陽(yáng)能集熱器的集熱效率均遠(yuǎn)高于二者以90°垂直安裝時(shí)。由此可知，安裝角度對(duì)太陽(yáng)能集熱器的集熱效率影響較大。

3) 對(duì)于2種安裝角度，曲面太陽(yáng)能集熱器的進(jìn)、出水溫度和貯熱水箱溫度均比平板太陽(yáng)能集熱器的高。