空調(diào)用太陽(yáng)能集熱器適用性分析

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田琦張于峰李新宇鄧娜摘要：計(jì)算了平板集熱器、真空管集熱器、熱管真空管集熱器和ＣＰＣ真空管集熱器的太陽(yáng)能利用系數(shù),分析了幾種太陽(yáng)能集熱器在空調(diào)系統(tǒng)中的適用性。結(jié)果表明,太陽(yáng)能空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)集熱器的熱性能隨著氣象條件、熱源溫度的變化而變化,具有不同熱源溫度要求的系統(tǒng)應(yīng)選用不同的集熱器。關(guān)鍵詞：空調(diào)系統(tǒng)熱泵系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)適用性太陽(yáng)能空調(diào)所需要的能源部分或全部來(lái)自于太陽(yáng)能。目前太陽(yáng)能空調(diào)的主要型式有:太陽(yáng)能電制冷空調(diào)、太陽(yáng)能熱制冷空調(diào)、太陽(yáng)能熱泵、太陽(yáng)能液體除濕空調(diào)等。太陽(yáng)能熱制冷空調(diào)主要包括:太陽(yáng)能蒸氣壓縮式制冷空調(diào)、太陽(yáng)能吸收式制冷空調(diào)、太陽(yáng)能噴射式制冷空調(diào)等。在太陽(yáng)能熱制冷空調(diào)和太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)中,太陽(yáng)能集熱器是必不可少的組成部件,其合理選擇對(duì)太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。本文對(duì)平板集熱器、真空管集熱器、熱管真空管集熱器和ＣＰＣ真空管集熱器的性能進(jìn)行了對(duì)比研究,對(duì)各種集熱器在不同空調(diào)系統(tǒng)中的適用性進(jìn)行了分析。1集熱器的太陽(yáng)能利用系數(shù)集熱器的太陽(yáng)能利用系數(shù)是指一定時(shí)期內(nèi),集熱器所獲得的有效能量與集熱器表面所接受的太陽(yáng)輻射量的比值。利用該系數(shù)可對(duì)一定時(shí)期內(nèi)太陽(yáng)能集熱器的熱性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由定義,月(季)太陽(yáng)能利用系數(shù)Ψ計(jì)算式為（1）（2）（3）式(1)～(3)中　Qui為第i天單位面積太陽(yáng)能集熱器獲得的有用能量，MJ/(m2·d)；Hi為第i天集熱器表面太陽(yáng)輻照量,MJ/(m2·d);ｎ為月(或季)天數(shù);Ｎ為日照時(shí)間,ｓ;η(τ)為集熱器瞬時(shí)效率;Ｉ(τ)為集熱器表面太陽(yáng)輻照度,W/m2;τ為計(jì)算時(shí)刻。1．1太陽(yáng)輻射量計(jì)算瞬時(shí)太陽(yáng)輻射量的計(jì)算按兩種氣候類型進(jìn)行。晴天時(shí),太陽(yáng)輻射量按文獻(xiàn)[1]介紹的方法進(jìn)行,其他天氣按實(shí)際輻射計(jì)算。晴天時(shí)水平面上太陽(yáng)總輻射量及直射輻照度隨時(shí)間的變化曲線大體是正弦曲線,所以,一天中水平面上的太陽(yáng)總輻射輻照度可用下式計(jì)算:（4）式中Im為一天中水平面上最大太陽(yáng)輻照度,W/m2;τｒ,τｓ分別為一天中日出、日落時(shí)刻。同理,一天中水平面上的太陽(yáng)輻射直射輻照度可用下式計(jì)算:（5）式中?。桑?τ)為水平面上的太陽(yáng)輻射直射輻照度,W/m2;Ｉｂｍ為水平面上的最大太陽(yáng)輻射直射輻照度,W/m2。根據(jù)直散分離原理,水平面上的太陽(yáng)輻射散射輻照度Ｉｄ(τ)為（6）根據(jù)文獻(xiàn)[2],傾斜面(集熱面)上太陽(yáng)輻照度可用下列式子計(jì)算:（7）（8）（9）（10）式(7)～(10)中　Ｉθ(τ)為傾斜面(集熱面)上的太陽(yáng)總輻射輻照度,W/m2;Ｉｂθ(τ)為傾斜面(集熱面)上的太陽(yáng)輻射直射輻照度,W/m2;Ｉdθ(τ)為傾斜面(集熱面)上的太陽(yáng)輻射散射輻照度,W/m2;Ｉρθ(τ)為傾斜面(集熱面)上的太陽(yáng)反射輻射輻照度,W/m2;ｊ為傾斜面(集熱面)太陽(yáng)入射角,°;ｈ為太陽(yáng)高度角,°;θ為集熱面傾角,°;ρ為地面反射率。1.2　太陽(yáng)能集熱器效率方程1.2.1　單層蓋板平板集熱器單層蓋板平板集熱器以常見(jiàn)的銅鋁復(fù)合材料翼形管板作為吸熱板,單層玻璃蓋板。吸熱板長(zhǎng)1880mm、寬960mm;吸收率為0.95;發(fā)射率為0.4。計(jì)算得其效率方程[2]為（11）式中　η為集熱器效率;5.52為系數(shù),W/(m2·℃);Ｉ為太陽(yáng)輻射輻照度,W/m2;ti為集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度,℃;ｔａ為環(huán)境氣溫,℃。1.2.2　全玻璃真空管集熱器Ｅ－Ｗ真空管集熱器為例。該集熱器由全玻璃真空管、Ｍ2型連接管、漫反射板構(gòu)成。其效率方程[3]為（12）1.2.3　熱管真空管集熱器以ＢＴＺ－2型熱管真空管集熱器為例。集熱器由熱管真空管、連接管、漫反射表面構(gòu)成。玻璃管外徑為100ｍｍ,套管透過(guò)率為0.9,吸收器吸收率為0.92,底板漫反射率為0.6。其效率方程[4]為（13）1.2.4?。茫校谜婵展芗療崞饕裕兀牛?00型集熱器為例。集熱器由ＴＣ－100集熱器管、復(fù)合拋物面聚光反射器等構(gòu)成。反射器的聚光比為1.3,采用強(qiáng)化玻璃保護(hù)蓋板。其效率方程[2]為（14）2　集熱器適用性分析2.1冬季太陽(yáng)能輔助熱泵用集熱器性能分析冬季太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)主要利用太陽(yáng)能集熱器為熱泵蒸發(fā)器提供熱量,對(duì)太陽(yáng)能集熱器供水溫度要求較低,這里設(shè)太陽(yáng)能集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度為15℃。在太原氣象條件下,計(jì)算得各種集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù),如表1所示。從表1可以看出,在冬季,各集熱器各月太陽(yáng)能利用系數(shù)均較高,這主要是集熱器進(jìn)口介質(zhì)溫度低的緣故。4種集熱器中,熱管真空管集熱器的冬季太陽(yáng)能利用系數(shù)最大,為0.5869;全玻璃真空管集熱器次之,為0.4892;以下依次為單層蓋板平板集熱器和ＣＰＣ真空管集熱器。平板集熱器月太陽(yáng)能利用系數(shù)在0.3973～0.5446之間變化,冬季太陽(yáng)能利用系數(shù)為0.4864,比熱管真空管集熱器低,但比ＣＰＣ真空管集熱器高,與全玻璃真空管集熱器相比,其太陽(yáng)能利用系數(shù)只低0.0028。這主要是由于在集熱器集熱工質(zhì)溫度較低的情況下,集熱效率受集熱器蓋層透過(guò)率與吸熱板吸收率的影響較大而受集熱器熱損系數(shù)的影響較小,因此,具有較大透過(guò)吸收積的單層蓋板平板集熱器雖然受冬季太陽(yáng)輻照度較弱及陰天真空管集熱器效率較高等因素的影響而使其冬季太陽(yáng)能利用系數(shù)仍低于熱管及全玻璃真空管集熱器,但其冬季太陽(yáng)能利用系數(shù)已高于透過(guò)吸收積較小的ＣＰＣ真空管集熱器,且與全玻璃真空管集熱器冬季太陽(yáng)能利用系數(shù)基本相等。根據(jù)以上分析,冬季太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)采用熱管真空管集熱器熱性能最佳,考慮價(jià)格等因素,單層蓋板平板集熱器也是較好的選擇。2.2夏季太陽(yáng)能制冷用集熱器性能分析夏季太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)主要利用太陽(yáng)能集熱器為發(fā)生器提供熱量,對(duì)太陽(yáng)能集熱器供水溫度要求較高。雙元混合工質(zhì)噴射式制冷系統(tǒng)發(fā)生器熱源溫度可低至60℃[5];兩級(jí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源溫度為65～75℃[6],這里取平均值70℃;常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)熱源溫度在88℃以上[6],這里取為90℃。根據(jù)發(fā)生器對(duì)熱源溫度的要求,設(shè)集熱器溫升為8℃,則集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度可分別取為52,62,82℃。在太原氣象條件下,各種集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度為52℃時(shí),在夏季6,7,8月中,各集熱器月太陽(yáng)能利用系數(shù)均在0.34以上。在4種集熱器中,熱管真空管集熱器的夏季太陽(yáng)能利用系數(shù)最大,為0.5140,以下依次為ＣＰＣ真空管集熱器、全玻璃真空管集熱器、單層蓋板平板集熱器,其夏季太陽(yáng)能利用系數(shù)分別為0.4435,0.4352,0.3526。全玻璃真空管集熱器與ＣＰＣ真空管集熱器熱性能接近,而熱管真空管集熱器卻明顯優(yōu)于其他集熱器。集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度62℃時(shí),夏季各集熱器月太陽(yáng)能利用系數(shù)均在0.27以上。各種集熱器中,熱管真空管集熱器夏季太陽(yáng)能利用系數(shù)仍最大,為0.4610。ＣＰＣ真空管集熱器次之,為0.4293。以下依次為全玻璃真空管集熱器(0.3949)、單層蓋板平板集熱器(0.2787)。各集熱器的太陽(yáng)能利用系數(shù)雖有所變化,但熱性能排序沒(méi)有變化,仍以熱管真空管集熱器為最佳。集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度82℃時(shí),夏季平板集熱器各月太陽(yáng)能利用系數(shù)已較低,僅0.15左右;ＣＰＣ真空管集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)仍高達(dá)040;熱管真空管集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)已明顯低于ＣＰＣ真空管集熱器。這說(shuō)明隨著吸熱器與環(huán)境溫差的增大,ＣＰＣ集熱器只能利用部分散射輻射的缺陷得到了其熱損失系數(shù)小這一優(yōu)點(diǎn)的彌補(bǔ),集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度82℃時(shí),其熱性能已明顯優(yōu)于其他集熱器。因此,常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源采用ＣＰＣ真空管集熱器較好。2.3冬夏聯(lián)合運(yùn)行工況下集熱器性能分析冬季利用太陽(yáng)能集熱器作為太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱源為發(fā)生器提供熱量時(shí),各集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)見(jiàn)表3。從表3可以看出,利用單層平板集熱器作太陽(yáng)能熱泵驅(qū)動(dòng)熱源時(shí),其月太陽(yáng)能利用系數(shù)都很低,又因其抗凍能力較差,冬季容易凍損,所以,用單層平板集熱器作太陽(yáng)能熱泵驅(qū)動(dòng)熱源不適宜。綜合分析表1～3數(shù)據(jù),將集熱器冬夏聯(lián)合運(yùn)行工況分為五種。工況1:夏季太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度52℃,冬季太陽(yáng)能集熱器作蒸發(fā)器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度15℃。工況2:夏季太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度62℃,冬季太陽(yáng)能集熱器作蒸發(fā)器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度15℃。工況3:冬夏季均以太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度52℃。工況4:冬夏季均以太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度62℃。工況5:冬夏季均以太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度82℃。各工況下各集熱器冬夏綜合太陽(yáng)能利用系數(shù)見(jiàn)表4。從表4可以看出,工況1時(shí),各集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)均較大,都在0.42以上,單層蓋板平板集熱器比太陽(yáng)能利用系數(shù)最大的熱管真空管集熱器的太陽(yáng)能利用系數(shù)小0.1274(占單層蓋板平板集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)的29.8%)。所以,從熱性能考慮,采用熱管真空管集熱器比較好,如果考慮價(jià)格等因素,單層蓋板平板集熱器也是可行的。工況2時(shí),各集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)都在0.39以上,平板集熱器與其他集熱器在熱性能上的差距進(jìn)一步加大。工況3,4,5時(shí),單層蓋板平板集熱器已不適合,工況3時(shí),熱管真空管集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)稍高于ＣＰＣ真空管集熱器;工況4時(shí)真空管集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)已低于ＣＰＣ真空管集熱器;工況5時(shí),真空管集熱器太陽(yáng)能利用系數(shù)已明顯低于ＣＰＣ真空管集熱器。所以,工況3時(shí),選擇熱管真空管集熱器較好;工況4,5時(shí),選擇ＣＰＣ真空管集熱器較好。3　結(jié)論通過(guò)上述分析可以看出,太陽(yáng)能空調(diào)(熱泵)系統(tǒng)集熱器的選用不可一概而論,應(yīng)該根據(jù)氣象條件、熱源溫度、價(jià)格等多種因素綜合計(jì)算分析而定。在太原及類似氣象條件地區(qū),冬季太陽(yáng)能輔助熱泵系統(tǒng)采用熱管真空管集熱器為熱泵蒸發(fā)器提供熱量熱性能最佳,而價(jià)格低廉的單層蓋板平板集熱器也是較好的選擇。夏季太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能集熱器為發(fā)生器提供熱量,如制冷所需熱源溫度低于70℃(集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度為62℃),選用熱管真空管集熱器較好;如熱源溫度在90℃(集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度為82℃)以上,選用ＣＰＣ真空管集熱器較好。不同的冬夏聯(lián)合運(yùn)行工況應(yīng)選擇不同的集熱器。夏季太陽(yáng)能集熱器作發(fā)生器熱源,冬季作蒸發(fā)器熱源時(shí),熱管集熱器熱性能最好;如果考慮價(jià)格等因素,夏季制冷所需熱源溫度低于70℃時(shí),單層蓋板平板集熱器也是比較合適的。夏季、冬季太陽(yáng)能集熱器均作發(fā)生器熱源時(shí),如所需熱源溫度低于60℃(集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度為52℃),熱管集熱器熱性能最佳;如所需熱源溫度高于70℃,ＣＰＣ真空管集熱器熱性能最佳。參考文獻(xiàn)1李申生,主編.太陽(yáng)能熱利用導(dǎo)論.北京:高等教育出版社,19892　WilliamsJRichard(美),著.太陽(yáng)能采暖和熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝.趙玉文,鄭敏樟,霍志臣,譯.北京:新時(shí)代出版社,19903　李德堅(jiān),唐軒,殷志強(qiáng),等.溫室太陽(yáng)能供暖.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002,23(5):557-5634　何梓年,蔣富林,葛洪川,等.熱管式真空管集熱器的熱性能研究.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1994,15(1):73-815　ZhangYufeng,ZhangLimin,LiCanhua,etal.Thetheoreticalresearchofbinarynon-azeotropicrefrigerantmixturesinejectorrefrigerationsystem.TransactionofTianjinUniversity,1998,4(1):246　李戩洪,黃志成.我國(guó)太陽(yáng)能制冷空調(diào)研究與發(fā)展.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),1999,特刊:36-42