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Investigation on system efficiency of a flat plate solar wat

文章作者：丁 孟 达 发布日期：2012-02-17 16:01 人气： The influencing factors of the appearance time of the maximum temperature in the water tank are obtained. The applicability of the double loop solar water heating system in Beijing is demonstrated in the experiments, and the system efficienc

Investigation on system efficiency of a flat plate solar water heater

 
Ding Mengda,Zhang Ying,Lv Jian,Ma Xiaohong
The College of Architecture and Civil Engineering
Beijing University of Technology
Beijing, China
dingmengda@emails.bjut.edu.cn
 
Wang Yaotang
MEP Inst
China Architecture Design ＆ Research Group
Beijing, China

 
Abstract—A design method of a flat plate solar water heating system is presented. By analyzing the thermal efficiency of the whole system, it is obtained that daily radiant exposure is inversely proportional to the system efficiency. The condition that the heat gain in the system is proportional to the daily radiant exposure is achieved. The influencing factors of the appearance time of the maximum temperature in the water tank are obtained. The applicability of the double loop solar water heating system in Beijing is demonstrated in the experiments, and the system efficiency is 59.5%.
Keywords- flat plate collector; solar water heating system; system efficiency
I.    引言
在我国新能源和可再生能源中太阳能热水器是发展最为迅速的项目，并且已经形成了产业化规模。太阳能热水系统日益引起国内外研究者的广泛关注[1~6]。但在光热理论方面，许多研究都针对瞬时效率，而对于实际工程所关注的系统热效率却很少有人研究，导致理论研究与实际工程相脱节。另外，随着对太阳能热水器的深入研究，市场上的热水产品不断推新，分析其各个部分相互配合后的整体性能才能正确的评价热水系统。
II.    双盘管水箱
本实验太阳能热水系统的集热器选用TiNOX涂层平板集热器，使用双波纹盘管换热，非承压水箱。水箱原理如图1所示。与1，2号接口相连的盘管与太阳能板相连接，作为加热系统，用于加热水箱中的水；市政冷水由

 
 

图1  水箱原理图
4号接口进入，经盘管换热后从3号接口出水，由市政水压提供压力出水。加热介质在北方地区一般采用防冻液，由循环泵推动运行。这样的构造使得水箱为非承压安全水箱，水箱和集热板的位置布置灵活，易于与建筑相结合。
III.    太阳能热水系统的设计
A.    生活热水用热量计算
太阳能热水器的设计应考虑到设计热水用量，热水用量根据公式(1)计算：
   (1)
式中Qw：日生活热水耗热量，kJ；M w：日用水量，kg；C w ：水的定压比热容，kJ/（kg •℃）；tend ：用水温度，℃；ti：水的初始温度，℃；
根据《全国民用建筑工程设计技术措施-给排水》对居民生活热水用量的统计数据以及居民用水习惯，设计平均日用水量60L/人•天（40℃）。科研留有余量，这里取80 L/人•天（40℃），模拟家庭用水每户4口人，因此，M w=320千克（L）。ti取北京地区地下水的平均温度10℃。经计算Qw=40186kJ。
B.    太阳能集热面积的计算
根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 18713-2002 。直接式系统的集热器采光面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定，按公式(2)进行估算： 
   (2)
式中Ac：直接式系统集热器采光面积，m2； ：日平均用热水量，L；  ：太阳能保证率，无量纲； ：被检测太阳能集热系统面积，m2； ：被检测太阳能集热系统得热量MJ；ηL：管路及贮水箱热损失率，无量纲；
    日太阳辐照量 采用《中国气象科学数据库》中北京地区1993年至2007年总辐照量的日平均值13409.8kJ/ m2；北京地区太阳能保证率 选用80%；管路损失ηL可以取经验值为0.05～0.10；计算得集热面积约为5.9 m2。对于这里采用间接式系统，根据厂家提供的测试资料，可适当放大集热面积，因此选用3x2m²的平板集热器。
C.    太阳热水系统的布置
集热器的布置要根据当地太阳能的具体情况而定。非承压强制循换系统，可以充分与建筑结合，布置灵活。实验室的集热器选在三楼楼顶，集热器面向正南，底架选用钢型材，模块化处理，与地面成45°放置。换热水箱放置在三层，换热体积为400L。集热系统经太阳能板加热后进入水箱下部的加热盘管，用于加热水箱中的水。冷水由市政管道进入水箱上部的换热盘管加热，然后由实验室二楼喷淋头放出。热水系统安装图如图2所示。
 

 
图2 热水系统安装示意图
IV.    实验测试系统
实验测试系统主要由温度，流量，压力三个测试系统组成。鉴于本实验所测试的数据种类繁杂，测试时间长，数据量大，所以决定采用数据的自动采集和记录，即通过各类传感器收集数据，并通过相应的数据线传输至数据收集终端，在数据终端安装数据采集卡，以实现对信号的转化和传感器的检测，并最终由计算机记录全部试验的据，并以表格的形式输出原始数据。
温度传感器选用标定过的PT100铂电阻传感器，通过采集卡采集，配合LabView软件系统，每秒钟单个传感器的数据采集量可以达到1000个，以提高温度测量的准确性。
V.    系统热效率分析
太阳能热水器的系统效率可以反映太阳能热水系统的整体性能。系统效率可以定义为在有太阳辐照条件下的一定时间内，太阳能热水器贮水所获得的热量与照射到太阳能热水器采光面上的太阳辐射能量之比。参照国标《GB/T20095—2006》中日有用得热量和升温性能实验的测试方法，本实验的实验方法是首先对待测集热器在测试前一小时或前一天的日落后上满水。在测试前将储水箱、集热器等布置好测温点。然后测试开始，每隔30s记录一次数据，每天记录时间为8小时。
A.    日曝辐量与系统得热量分析
系统的得热量可以通过水箱中水的升温得到的热量值进行估算，即：
   （3）
式中 ：水的定压比热容，4.17 kJ/(kg•0C)， ：水箱终止温，℃， ：水箱初始温，℃，  ：容水量，400Kg。通过计算得到6 m2太阳能板的日曝辐量与水箱得到的热量之间的关系见表1。
通过表1绘制直观的得热量与日曝辐量的关系图，见图3。

 


  从图3中可以看出水箱起始温度相对较低的情况下，日曝辐量和水箱的得热量基本是成正比关系的。当水箱起始温度较高时，例如在7月6日的44.78℃起始温度的情况下，水箱得热量不会因为日曝辐量的增加而增大。
 
 

 
图3 日曝辐量和水箱得热量关系曲线
B.    水箱升温曲线分析
二级标题的正文部分。由公式（3）可见系统的得热量与水箱的升温值有直接关系。本实验通过安装在水箱上、中、下部的三个温度传感器测量得出水箱的平均水温。将每分钟的测量数据按照三次多项式进行拟合可以得到每天的水箱的升温曲线，从中选取有代表性的四组数据绘制曲
 
图4 水箱随日照时间升温曲线
线图，如图4所示。
图4中曲线1至4的温度极值点横坐标依次为：7.48h、8.05h、6.77h、7.27h。曲线3为7月6日的水箱随日照时间的升温曲线。对比可以看到，由于曲线3水箱的起始温度较高（44.78℃），它的温度极值点出现的最早，也即是说在日照6.77小时后，由于系统的温度过高而加大平板集热器和管网的热损失，导致水箱不再升温。这也解释了图3中7月6日在高曝辐量的情况下水箱得热量反而减少的原因。
水箱温度极值点的出现与日曝辐量和水箱的起始温度的关系为：
1）起始温度越低，极值点出现越晚。对比图4中曲线2、3、4可知，水箱的起始温度越低，温度上升的空间就越大，此时的极值点出现的就越晚。说明起始温度低的水箱可以充分利用太阳的辐照能量不断升温。
2）日曝辐量越小，极值点出现越晚。对比图4中曲线1、2、3可知，日曝辐量越大，极值点出现的就越早。这是由于辐照的强度变大使得水箱迅速升温，直到吸收的辐照能量与热损失达到平衡，水箱停止升温。
C.    系统效率与日曝辐量的关系
热水系统的系统效率可用用类似日效率的公式进行计算：
     (4)
式中 ：系统效率； －8小时累积太阳辐射量，KJ/ m2。
太阳能系统的系统效率与很多因素有关。从5月25日至7月23日的连续监测得到本实验装置的平均系统效率为59.5%。从中选取四天水箱起始温度相同，天气温度、风力情况相似，而辐照不同的四个典型日，对系统效率和日曝辐量的关系进行分析，见表2。
 
 
 

 

根据表2绘制日曝辐量与系统效率的关系图如图5所示。
从图5可以看出当日照强度大的时候，系统的系统效率反而很小，这是因为平板型集热器的热损失会随着平板的温度升高而增大，而系统的效率很大程度上与平板的性能相关。这种关系可以粗略的用公式表示为： ，当日曝辐量（ ）增大的时候，系统的损失（ ）也加大，系统效率 减小说明由于系统的损失 增大， 的增大速度小于的增大速度 。
 
 

 

图5 日曝辐量和系统效率的关系
水箱的得热量相当于 ，从图4中可以得出，当日曝辐量大的时候，水箱的温度极值点提早出现，使得水箱热量不再增加，此时太阳能的热量全部变为 被损失掉，损失量的增大导致了系统效率的降低。
VI.    结论
1）双盘管换热的分体式太阳能热水器布置灵活，易于与建筑结合。从5月25日至7月23日的连续监测可得该系统的系统效率为59.5%，满足使用要求。
2）水箱在相同起始温度的情况下，日曝辐量和水箱的得热量成正比关系的。然而当水箱起始温度较高时水箱得热量不会因为日曝辐量的增加而正比增大。
3）日曝辐量大的时候，水箱的极值点出现的早；水箱起始温度底的情况下，水箱的极值点出现的晚。
4）辐照强度大的情况下，系统升温很快，损失不断加大，水箱水温达到极值点就不再增温，此时太阳能提供的热量全部转化为损失。因此，日曝辐量与系统效率成反比。
致谢
感谢“集中太阳能热水系统与水源热泵耦合关键技术研究” （编号为：2010EG131260）的项目资助。

REFERENCES
[1]    T.T. Chow, K.F. Fong, A.L.S. Chan and Z. Lin, “Potential application of a centralized solar water-heating system for a high-rise residential building in Hong Kong,” Applied Energy, vol. 83, pp. 42–54, 2006.
[2]    B. Batidzirai, E.H. Lysen, S. van Egmond and W.G.J.H.M. van Sark, “Potential for solar water heating in Zimbabw,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 13, pp. 567–582, 2009.
[3]    K. Chuawittayawuth and S. Kumar, “Experimental investigation of temperature and flow distribution in a thermosyphon solar water heating system,” Renewable Energy, vol. 26, pp. 431–448,2002.
[4]    A. Hobbi and K. Siddiqui, “Optimal design of a forced circulation solar water heating system for a residential unit in cold climate using TRNSYS,” Solar Energy, vol. 83, pp. 700–714,2009.
[5]    G.N. Kulkarni, S.B. Kedare and S. Bandyopadhyay, “Optimization of solar water heating systems through water replenishment,” Energy Conversion and Management, vol. 50, pp. 837–846, 2009.
[6]    K.P. Ijumba, A.B. Sebitosi, P. Pillay and K. Folly, “Impact of extensive residential solar water heating on power system losses,” Energy for Sustainable Development, vol. 13, pp. 85–95, 2009.
 

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