水热容对太阳能集热器性能影响研究

摘要：本文通过对全玻璃真空管太阳能热水系统的模拟研究，实验验证水的热容量的集热器模型。发现，这种模型的实验结果远远好于传统上忽略了水的热容量的简化模型的实验结果。此外，对全玻璃真空管太阳能集热器的热水系统的动态性能也进行了研究。通过建立泵、控制器、集热器的简化模型进行模拟分析了不同热容量对产水量的影响。

关键词：太阳能集热器模拟；太阳能集热器热容；太阳能热水系统动态性能；

中图分类号：TK511文献标识码： A

对于现有太阳能集热器性能研究，主要集中在集热器的吸热保温能力，主要体反映在截距效率和热损系数，但是在太阳能实际应用过程中，集热器处在不稳定工况，这主要是太阳辐照和环境温度的波动造成的。通过已有研究发现集热器热容量会对集热器动态性能造成较大的影响[1]。 当集热器不考虑本身截距效率和热损的情况下，热容量的大小使太阳能集热器的动态运行出现既然不同的效果。对集热器现有的性能测试主要停留在稳态，准稳态工况，这就规避了太阳能集热器热容的大小对集热器动态性能的影响。Nayak and Amer总结分析了9种太阳能集热器的实验计算方法[2]。在Ashrae和 EN 12975-2推荐的太阳能设计计算方法中也提供了关于太阳能集热器的稳态准稳态测试方法[3-4]。

以上所介绍的方法由于为考虑集热器的动态运行，在综合评价太阳能集热器性能是还是不够全面。对于稳态条件下的太阳能集热器研究模型，实际上只能够反映集热器的稳态特性，而平板式集热器或其他较小热容集热器受此影响不大，对于大热容集热器用稳态方法就不太合理了。

1.理论方法

在集热器侧的热平衡方程可以描述为太阳辐照，周围空气介质与集热器工质进行的热交换。也就是说集热器的传热方程可以用总的太阳辐照吸收量，集热器输出量，向空气的综合热损失量和集热器由于热容所储存的热量：

(1)

其中Es为总的集热器的太阳能吸收量，W；Eu总的集热器的热量输出，W；El为总的热量损失，W；Ec则表示由于集热器热容所储存在集热器中的热量，W。

依据传统集热器测试或模拟方法Duffie and Beckman[5]，一般采用稳定工况忽略了热容的作用，其热平衡方程则可以表示为：

(2)

根据对太阳能真空管集热器的研究发现其热容量主要在15~30L/m3；与其他较小热容的集热器（U型管集热器单位面积的热容量为3L/m3）相比其热容量最大大了近10倍。这一量是非常可观的，于是应建立包含热容项热平衡方程，由于相较而言，集热器中水热容相对其他部件来说起到决定作用，于是为更准确描述集热器的动态性能，其热平衡方程可表示为：

(3)

其中ρ为水的密度， kg/m3；Cw为水的比热容，KJ/(kg・K)；V为集热器的含水体积。Tf是集热器含水的平均温度，C；Ta为环境温度。

由于建立带有动力的集热器系统，需要输入对于水泵的控制策略。本文中所用的控制策略为，集热器系统常常采用到的温差控制，所选的控制参数为∆T = Tout C Tin。

并设水泵的开关阀值：∆TH为水泵的开启阀值，当∆T∆TL时，判断为水泵由开启到停。

2.模型验证

为研究集热器热容量对其的性能影响。通过已有的实验台进行数据测试应与模型进行对比验证。实验在北京进行，实验装置包含：太阳能真空管集热器、集热水箱、水泵及其控制器、温度传感器、辐照表、流量计等组成。实验及模拟的原理图如图1所示。

图1 集热器热水系统原理图

相同气象参数下，模拟、实验出口结果比较如图2所示。传统模型与包含热容项的模型分别通过计算方程2和3得到。比较两种模型计算结果与实验结果可知，不含热容模型除了在连续运行阶段（11:00-4:00），与实验对比结果不理想，对于较大热容集热器采用这种方式模拟并不合理。尤其是在水泵停止运行阶段（0:00-7:00和16:00-24:00）模拟结果偏离实验值，基本与空气温度接近。

另外，含热容模型可以与实验值较好的吻合。在白天，最大误差在4C左右，此时模拟与实验的温度分别为74C和68C，且水泵处于运行状态。在辐照量较少时，二者最大误差在2C左右。尤其是水泵运行时间两者基本没有差异。总的来说，在太阳能集热器的计算或测试时用，尤其是对于较大容水量的集热器，需要考虑热容的因素。

3.不同容水量集热器模拟研究

图2 出口温度比较

如图3所示，该图为单日北京气候参数，由图可知单日辐照量和环境温度的变化曲线，观察环境温度的变化曲线可以发现峰值出现在14时，温度为7C，其平均值为0.5C；辐照量在7到16时出现较大范围波动，出现两个峰值，分别为1200W/m2和900W/m2，辐照量的平均值为600W/m2。基本在同一时间范围内会出现辐照量和环境温度的峰值。

图3环境气象参数

为正价直观的描述出集热器的集热效果，将集热器的出口温度折合成流量为40kg/m3流量下40C热水产水量。如图4所示，该图为三种不同容水量集热器的产水量比较图，由图可知容水量为30L/m2的产水量为246L/m2，容水量为15L/m2的产水量为262L/m2，容量为3L/m2的产水量为332L/m2，所以由图可以发现容水量越大产水量越小，及较小的容水量集热器可以更好的收集太阳能，并生产处更多的热水。对于15-30 L/m2容水量的集热器更多表现为热容的作用，而小容水量的集热器，热容影响不大。

图4不同容水量集热器产水量比较

4.结论

有热容模型比传统模型尤其是对于较大容水量集热器来说模拟效果好，可以更加准确合理描述实际情况下的集热系统动态效果。另外不同容水量集热器的集热效果不同，较小水容量的集热器总的来说集热效果更佳。

参考文献

[1]Gao Y, Zhang Q l, Fan R, Lin X X, Yu Y. Effects of thermal mass and flow rate on forced-circulation solar hot-water system: Comparison of water-in-glass and U-pipe evacuated-tube solar collectors. Solar Energy, 2013; 98: 290-301.

[2]Nayak, J.K., Amer, E.H., 2000. Experimental and theoretical evaluation of dynamic test procedures for solar flat-plate collectors. Solar Energy 69 (5), 377C401.

[3]ASHRAE 93-2003, 2003. Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors.

[4]EN 12975-2, 2006. Thermal Solar Systems and Components C Solar Collectors C Part 2: Test Methods.

[5]Duffie J A, Beckman W A. Solar Engineering of the Thermal Processes, second ed. John Wiley & Sons Inc., New York, 1991.