空晒对太阳能集热器工作效率影响测试研究

中国建筑科学研究院 张昕宇 何涛 郑瑞澄 路宾 李忠

国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)   黄祝连 张磊 邓昱

摘要 太阳能热水系统在建筑中应用的越来越普及，太阳能采暖和太阳能空调系统的工程应用。

近年来也有发展，由此带来了在非采暖季节和非空调季节太阳能集热器的空晒问题，笔者所在团队结合工作实际，对四种常见的太阳能集热器空晒前后的工作效率进行了测试,量化了空 晒对集热器工作效率的影响，供设计人员参考。

关键词 空晒 集热器工作效率 太阳能采暖 太阳能空调

1 问题的提出

      太阳能热水系统在建筑中应用越来越普及，为了更好利用太阳能，太阳能采暖和太阳能空调 系统在建筑中开始应用，由于采暖和空调具有季节性，而太阳能集热系统是全年吸收太阳能 的，由此带来用热负荷与太阳能供热的不匹配性，会导致在非采暖季节和非空调季节太阳能 集热器出于没有负荷消耗状态，导致太阳能集热器由闷晒状态到空晒状态。空晒过久会导致 太阳能集热器的工作效率下降，导致太阳能系统不能充分发挥应有的节能效果，但是空晒如 何影响太阳能集热器的工作效率过去没有定量的研究，因此，我们结合科研工作的实际情况， 选取了四种厂家的太阳能集热器进行了空晒前后的太阳能集热器效率测试，量化了空晒对太 阳能集热器效率的影响，供广大设计人员在设计时参考。

2 测试方案制定

     在国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)接受委托测试的样品中，我们随机  选择了四种类型的太阳能集热器，进行空晒前后的太阳能集热器工作效率的测试， 样品来自不同的生产企业，类型涵盖平板型太阳能集热器，玻璃-金属封接式真空  管型太阳能集热器，热管式真空管型太阳能集热器和 U 型管真空管型太阳能集热器。样品基本参数如下：

      太阳能集热器工作效率的测试依据 GB/T4271-2007 《太阳能集热器热性能试验方法》，空   晒参照欧洲标准 EN12975-2《太阳能热水系统与部件—太阳能集热器–第二部分：测试方法》， 测试所用仪表均经过计量检定。

3 测试过程

      根据国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)的工作安排，对四块样品进行了测试，样 品最长的空晒时间为 241 天，最短空晒时间 88 天，空晒时太阳能集热器的安装倾角不同， 测试期间，环境温度在 24℃以上，详细的测试周期及期间的气象参数汇总见表 1。

4 太阳能集热器空晒前后的效率变化

      图 1 至图 4 为四种类型的太阳能集热器空晒前后的太阳能集热器效率曲线对比。

从图 1 至图 4 可以看出，空晒之后所有集热器的热性能均有所下降。空晒前的太阳能集热器 热效率满足国家标准要求，但空晒后的太阳能集热器热效率均达不到国家标准要求。

空晒前：ηa=0.769－5.055Ti*

空晒后：ηa=0.658－7.669Ti*

图 1 平板型太阳能集热器空晒前后效率变化

空晒前：ηa=0.752－2.462Ti*

空晒后：ηa=0.737－4.015Ti*

图 2 玻璃-金属封接式真空管型太阳能集热器空晒前后效率变化

空晒前：ηa=0.768－2.361Ti*

空晒后：ηa=0.694－7.910Ti*

图 3 热管式真空管型太阳能集热器空晒前后效率变化

空晒前：ηa=0.738－2.444Ti*

空晒后：ηa=0.620－6.438Ti*

图 4 U 形管型真空管型太阳能集热器空晒前后效率变化

 

      按采暖的工况计算空晒前后的集热器效率变化，如太阳能采暖系统的回水温度为 40℃，环境 温度按-5℃，太阳能辐照度按 600W/㎡考虑，则归一化温差 Ti*=0.08 ( ㎡?K/W)，计算得 出四种类型的太阳能集热器空晒前后的太阳能集热器的热效率变化见表 2。从表 2 可以看出， 在 Ti*=0.08 ( ㎡?K/W)时，空晒前后的太阳能集热器的热效率下降很大。

表 2  四种类型的太阳能集热器空晒前后的太阳能集热器的热效率变化(Ti*=0.08( ㎡?K/W))

5 结论及建议

     以上测试数据仅对某种太阳能集热器空晒前后的工作效率进行比较，因为生产厂家、生产工 艺等方面的不同，以及空晒时间的不同，不同类型集热器之间的热性能比较是没有意义的， 但是通过测试数据表明：空晒对太阳能集热器热效率的影响比较大，因此在进行太阳能采暖 系统和空调系统设计时，应合理制定系统方案，从方案角度避免集热器处于空晒时间过长。 避免太阳能集热器出现空晒状况，建议采用以下几种方式：( 1 )首先充分利用太阳能，将收集到的太阳能全部用掉，这是最好的解决方式；( 2 )其次采用蓄热手段将不能消耗的热量蓄存；( 3 )最后考虑采用冷却器，当集热系统温度过高时，开启冷却器，将多余的热量散出。