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所需水箱水温对装有热管真空管集热器的太阳能热水系统的能量性能和取水潜力的影响

摘 要

热水是许多工业和家庭供暖系统的关键需求。但是，在何时需要热水和要求的水温方面，该需求都是可变的。本工作研究了将太阳能用作产生热水的替代方法。设计了带有热管真空管集热器（ETC）的太阳能热水系统（SWH），并研究了所需水箱水温（rTWT）对系统能量性能的影响，同时确定了最大可抽取热水量。结果表明，随着rTWT的增加，系统可存储的净能量下降，在太阳辐射输入 8000 W hm-2d-1（系统效率范围 56-73％）的前提下，在 40°C 和 80°C 的rTWT之间，其差异超过 1000 W hm-2d-1。。这种减少是由于收集器效率降低以及回路管中的能量损失随 rTWT 的增加而增加的结果。rTWT 越高，首次排放热水所需的太阳辐射就越多（80°C时为6500 W hm-2d-1）。另外，由于放电之间的时间增加，一天中可能的放电次数会减少。随着rTWT 的增加，排出的热水量将下降，这是集热器效率下降和水的能量含量降低等的结果。此降低量符合 R²= 0.99 的功率曲线：超过 300 L m-2d-1 是在 40°C 的rTWT 下生产的，而对于 80°C 的其中一种仅生产了 20 L m-2d-1（总体效率分别为 62％和 21％）。对于 80°C 的 rTWT，大部分的输入能量将作为热水积聚在水箱中，但没有达到所需的温度。辅助系统将需要从这种能量中获利，应尽快使用；当然，如果直到第二天才使用这种水，那么水箱的夜间热量损失将大大减少可用水量。因此，随着 rTWT 的增加，这种类型的设备作为热水的唯一提供者的可行性会大大降低。

关键词：太阳能热水系统；真空管收集器；水温；水量

简介

太阳能热水器（SWHs）是最流行的利用太阳能的方法，这是其技术可行性和所带来的经济利益的结果（Ayompe等，2011年）。他们提供了一种可替代使用不可再生能源的常规热水系统的选择（ Gunerhan 和Hepbasli，2007 年）。自然地，这意味着与需要燃烧化石燃料的系统相比，SWH 产生的环境污染更少（Ayompe等，2011年；Kalogirou，2004年）。

随着社会的飞速发展，空调、制冷、建筑供暖、海水淡化和工业供热等许多应用都需要更高的水温（Pei等人，2012年）。在工业环境中，所需的温度和水量（以及何时需要）在一个过程与另一个过程之间是不同的。但是，迄今为止，大多数关于 SWHs 的研究都集中在生产低于 60°C的家用水上。

太阳能集热器是任何太阳能系统的主要组成部分。它们收集太阳辐射并将热量传递给流体（Azad，2012年）。SWH 系统通常使用三种类型的固定收集器：平板收集器（FPCs），真空管收集器（ETCs）和复合抛物线收集器（CPCs）。FPCs和ETCs被最广泛地用于小型水加热应用（Ayompe 等，2011年）。常规的FPCs被开发用于晴天和温暖的气候。但是，当条件在寒冷，阴天和大风天气变得不利时，它们的效益就会大大降低（Kalogirou，2004年）。

ETCs的优势在于其真空包络减少了对流和传导损失（Kalogirou，2004年）；因此，即使 FPCs由于热量损失而表现不佳，它们也可以在寒冷的天气中发挥作用（Alghoul 等，2005年）。在高传热流体温度下，ETCs还比FPCs具有更好的性能和效率（Alghoul 等，2005年; Ayompe 等，2011a; Kalogirou，2004年; Liang 等，2011年; Morrison 等，2005年；Riffat 等，2005年）。

因此，当试图生产热水时，ETCs具有优于FPCs的优势。

玻璃ETCs作为SWH系统的组成部分现在引起了极大的兴趣（Liang等，2011年），近年来，人们投入了大量的工作来分析诸如夜间的热性能等因素（Tang和Yang，2014年）以及所使用的传热流体的影响（阿拉伯和阿巴斯，2013年）。还提出了SWHs的新设计（Al-Madani，2006年；Chong等，2012年）。许多研究将收集器进行了比较，通常在能量性能方面进行了比较，尽管有些研究比较了它们经济和环境方面的差异（Budihardjo和Morrison，2009; Chow等，2013年; Gao 等，2013年; Greening and Azapagic，2014年; Hang等，2012年; Hazami 等，2013年）。

根据加热系统是主动还是被动，需要不同地研究水箱水温与系统性能之间的关系。一些作者研究了通过热虹吸效应自然循环的 SWH 中水的循环和温度（Budihardjo等，2007年；Koffi 等，2008年； Morrison等，2005年）。在这种系统中，温差驱动循环流体的运动，从而可以加热水箱中的水。但是，很少对有源系统进行过研究，而那些研究主要集中在所需的水箱水温（rTWT）和系统性能上。对于gt; 60°C的rTWT，Pei 等人（2012年）研究了带有U型管的复合抛物面聚光器（CPC）型太阳能热水器的冬季性能，后来将获得的结果与没有CPCs反射器的系统提供的结果进行了比较（Pei 等，2012年）。但是，这些作者没有研究这些系统的取水潜力，也没有研究影响该变量的因素。由于它们是在短时间内进行的，因此他们的实验都没有涉及广泛的太阳辐射值。

一些研究（Ayompe 等，2011年；Ayompe 和Duffy，2013年）在考虑到热水需求模式的情况下，研究了真实SWH-ETC系统在真实运行条件下的性能。然而，这些关注于家庭热水需求。rTWT决定了可以产生的热水量，并且随着rTWT的增加，这些系统的性能可能会有所不同。当然，将其用作唯一热水供应商的可行性必然与它们的全球效率和需水特征有关。因此，需要进行研究，以研究活跃的SWH-ETC系统在不同的rTWT处产生水的潜力，并确定这些系统的性能。

本工作研究了rTWT对SWH–ETC系统性能以及在环境条件下产生的热水量的影响。当评估在需要水温超过 60°C的环境中安装此类系统的可能性时，该结果可能有用。

材料和方法

2.1. 太阳能热水系统

设计了具有四个子系统的实验性SWH：太阳能捕获，能量分配和累积，控制和监视。本质上，该系统与商业上用于生产家用热水的系统相同，不同之处在于控制子系统允许将 rTWT设置为不同的温度–40°C，50°C，60°C，70°C 和 80°C。监视子系统允许捕获数据，以分析这些不同的rTWT的功能和性能。实验系统安装在西班牙马德里的一栋建筑物的屋顶上（40°26031.1100N，3°43039.7100W；海拔 600 m）（图 1）。

图1. 实验太阳能热水系统

2.1.1. 太阳能捕获子系统

选择用于SWH 系统的ETC是 WesTech Solar SP-S58 / 1800-24 型号。它具有24个有以下特征的真空热管真空管（SP-TT58 型号）：长1800 mm，外管直径58 mm，内管直径47 mm，玻璃厚度1.6 mm，由硼硅酸盐玻璃3.3制成AL / N/ AL吸收涂层，吸收系数gt;92％，发射系数lt;8％，真空度lt;3.5 x 10^-3Pa，抗风性 30 m / s，耐冻性-35°C，停滞温度gt; 220°C，净重 2.7 kg，热水输出量（17 MJ / m²·天Delta; 45°C）9升。

ETC的技术特征如下：净吸收面积2 m²，总面积4.20 m²，总重量（空）90 kg，热流体含量1.5 L，热水输出量（17 MJ / m²·天Delta;45°C）215 L，最大工作压力800 kPa，最小和最大工作角度25°和65°，抗风性30 m / s，最大停滞温度245°C，吸收器类型–等级 AL / N / AL 玻璃，绝缘材料–真空和岩棉，传热介质–去离子水混合物，流量 200 L / h。根据标准EN：12975-1：2006和EN：12975-2：2006对ETC进行了测试，并记录了以下性能数据：总效率 61.7％，光学效率 71.5％，热损失系数（W m^-2°C ^-1）和热损耗系数的温度依赖性（W m^-2°C^-1）。为了确保最佳的年度性能，ETC安装在以41°角固定的朝南金属结构上。收集器的效率与收集器本身的位置纬度，倾斜度和方位角以及当地的气候条件有关。为了使北半球的年度能量收集最大化，收集器应面向南，并相对于地平线以每年最佳的倾斜角倾斜（Tang等，2011年）。

2.1.2. 能源分配与积累子系统

该子系统允许ETC收集的能量通过一次回路中的传热流体（水）传递到热水箱。使用的蓄能器是THERMOR IAV 80型号。它具有20毫米厚的硬质聚氨酯绝缘涂层（密度40 kg / m³）和80升不锈钢罐。盘管热交换系统的表面积为0.53 m²，内部容积为3.5 L，能量交换功率为19.3 kW（在90°C 的主回路和60°C 的储能回路中测量）。液压回路由铜管制成（内径20 mm；厚度1 mm），符合标准ISO / TR 10217和 UNEEN806-1。水平部分在循环方向上的最小倾斜度为1％。所有的管子都用普通的 13 毫米厚的绝缘材料（在20°C时的导热系数为0.040 Wm^-1°C^-1进行绝缘。在该材料的外部覆盖一层沥青漆，覆盖一次回路该系统还包括一个8 L的固定膜膨胀瓶；这补偿了传热流体在变热时会膨胀，而在冷却时会收缩。所使用的泵是 Wilo-Star-ST 15/6 ECO-3潜水转子模型。系统中安装了一个6 bar门槛的安全阀，以应对任何超压。

2.1.3. 控制子系统

该子系统的作用是调节ETC，分配和累积子系统之间的能量流以及水箱中的热水排放。该子系统的主要组件包括两个控制器，三个传感器和两个执行器。控制器 1（Sonder Control，Allegro 453 型）控制一次回路中水泵的功能，根据在ETC出口（传感器SC1）和水箱内部测得的温度之间的差来打开或关闭水泵（传感器 SC2）（见图 2）。控制器2（SIEMENS 徽标，PLC 型）控制着水箱的排空，当水到达水箱上部的 rTWT上方1℃（传感器 SC3）时，打开热水排放出口的电磁阀。该控制器还允许定期更改rTWT，因此可以根据需要以不同的温度排放水。三个控制探针（SC1-SC3，见图 2）均为PTC 1000 型（温度范围）-50°C 至150°C，0°C 时精度为plusmn;0.15°C）。

2.1.4. 监视不同的系统变量

安装了传感器和数据记录器，以收集和存储系统产生的信息。十个PTC100个探头（T1-T10；范围-50°C至150，精度在0°C 时为plusmn;0.15°C）来测量系统关键点的温度（图 2）；通过使用特殊设计的密封井，所有这些都直接与水接触。使用两个机械流量计（数字输出）测量流速：一个在集水器进水点附近以测量一次回路中的总体积和流速，另一个在水箱上的热水出口处以记录总流速。二次回路的体积和流量。设置这些流量计的目的是为每升检测到的循环水提供脉冲。使用位于防风雨箱中的 Datatakermod DT50数据记录器收集数据（图 2）。在主电源断电的情况下，两个数据记录器均具有备用电池系统。在2013年7月至2013 年10 月之间，每隔 1 分钟捕获一次数据。

图 2 实验系统图，显示控制和监视设备的位置

2.1.5. 监测天气变量

使用 HOBO Micro-HWS Microstation记录气象变量。测得的环境温度（Ta；精度plusmn;0.2°C，范围 0–50°C），风速（W，分辨率 0.38 ms-1，最大偏差plusmn;1.1 ms^-1）和相对湿度（小时；准确度plusmn;2.5％，范围 5–95％）。使用HOBO 气象站硅热敏仪智能传感器（图2 中的R）测量总太阳辐射（波长覆盖 300–1100 nm，范围 0-180 W m^-2，精度为plusmn;10 W m^-2 或plusmn;5 ％）与真空管倾斜的角度相同。

2.2. 系统配置和实验步骤

按照 ETC 制造商的建议配置一次回路中的水泵，以重现正常的工作条件。当集热器中的传感器 SC1 与位于靠近热交换器的水箱底部的SC2之间存在4°C 的温差时，控制器1启动泵。当差值降到2°C 以下时，控制器 1 关闭泵。该研究的目的是记录根据rTWT 产生的可抽水量的变化。控制器2设置为全天保持恒定的 rTWT 温度，但在5天的循环中从一天到另一天（40、50、60、70 或 80°C）变化。为了确定在任何给定的rTWT（最初使用来自总管的冷水）下产生的最大水量，当在水箱上部靠近出水口的位置达到rTWT 时，开始排放。当传感器SC3（位于出水口附近水箱的上部）检测到温度高于当天设定的rTWT 1℃时，控制器2打开排水阀。从水箱顶部排放热水是通过主压力实现的，进入水箱底部的冷水量。这些水通过扩散器进入，以避免破坏水箱内的分层（图2）。分层对于从ETC中获取最大能量至关重要（Shukla 等2013年）。当 SC3 检测到的温度比rTWT低1°C 时，放电结束，

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