自然循环平板式太阳能热水器水箱放置高度研究

云南师范大学太阳能研究所郑土逢、李明、魏生贤、罗熙、王炳灿

摘要:搭建自然循环平板式太阳能热水器（NFSWH）的实验平台，根据太阳能热水器国家测试标准方法对系统的热效率进行测试。用TRNSYS软件建立NFSWH 的瞬态模型。模拟和实际测量水箱放置高度对热水器热效率的影响。结果显示，实验结果与模拟结果吻合较好。

关键词:太阳能热水器，自然循环，水箱放置高度，TRNSYS

0前言

在太阳能利用技术中，太阳能热水器困其环保、技术简单、成本低廉被广泛应用。随着太阳能与建筑相结合的深入，分体式太阳能热水器引起更多学者的关注。分体式太阳能热水器的储热水箱与集热器高度差是产生系统循环动力的重要因素。如果高度差过小，则不能实现自然循环；过大则增加循环管道的长度和散热面积，既不利于提高热水器的热效率又增加经济成本。因此，合理高度差的确定显得十分重要。

基于TRNSYS软件和搭建的实验平台，本文从理论与实验两个方面分析水箱放置高度对太阳能热水器集热效率的影响。

1系统描述及TRNSYS模型构建

NFSWH工作原理如图1所示，它由集热板、循环管道和储热水箱组成。冷水由水箱底部经下循环管道流人集热器，流体经集热器加热后在热虹吸压力的作用下通过循环管道流回水箱上部，完成一次循环。本文储热水箱是卧式圆柱体结构，置于集热板上方，高度可调，以评估集热水箱对太阳能热水器的热效率及水箱温度分层的影响。

太阳能热水器的能量完全由太阳能提供，不安装辅助加热设备，不考虑热水使用情况。

TRNSYS 模型主要由天气数据、太阳能热水器和输出部件等组成。其中太阳能热水器部件选用集热器与水箱连成一体的type45a，该部件包括平板集热器、分层水箱和水工质。将循环管路分解成多个垂直于工质流动方向的单元，并为每个不可压缩流单元应用伯努利方程式求解，即可分析整个系统。type45a主要参数设置如表1所示。

集热器的热性能是评价太阳能热水器优劣的一个重要指标。其有效能量输出可由Hottel—Whillier公式描述：

自然循环太阳能热水器的循环动力来源于集热器进出水温差产生的热虹吸压力，可由流体静力学计算得出。将集热器平均分成垂直于工质流向的k个节点，每个节点的平均温度可由（6）式计算：

2实验装置构建

为验证储热水箱放置高度对太阳能热水器集热性能的影响，制作了一台储热水箱高度可调的太阳能热水器装置。

该系统集热器总面积为1.5m2，有效吸收面积为1.325m2，循环管道外套橡塑保温棉和锡箔纸，储热水箱采用卧式放置的圆柱体水箱，系统的其他参数见表1。

实验地点为昆明，为获取尽可能多的太阳辐射量，集热器选取正南方向35°倾角放置。各技术指标如表2所示。

表2：TRM-2型太阳能测试系统技术指标

3实验结果及讨论

TRNSYS模型的气象数据是由Me teorological数据库提供的典型气象年数据，与实际测量的数据可能存在一定差距。为尽可能减少这种差距，本文选取一月份太阳辐照度与实际测量值较为相近的一天。实际测量太阳辐射量比模拟所用的辐照量约大0.46MJ/a。

改变水箱的放置高度，以评估其对系统集热效率的影响，结果如图2所示。

由图2可知，对于实验部分，水箱底部到集热器出水口的高度为0.14m-0.74m，太阳能热水器的热效率从62.5%提高到67.7%。主要原因是随着水箱的放置高度升高，热虹吸压力增大，循环得到改善。虽然在此过程中，循环阻力也随之增大，但热虹吸压力增量比阻力增量大，系统循环速率加大，集热器收集的太阳能及时由水带入储热水箱储存，终系统的热效率增大。然而高度进一步提高到1.34m时，效率却由67.7%降至64%。虽然提高水箱安装高度可以增大热虹吸压力，但流量增大会引起储水箱内水掺混，扰乱了温度分层。此外也增大系统的循环管道的长度和散热面积，终导致热水器的集热效率不升反降。也就是说水箱底部到集热器出水口存在一个佳高度，系统的集热效率大。

4结论

本文建立了自然循环平板式太阳能热水器的TRNSYS 模型和实验装置，通过理论和实验分析储热水箱底部到集热器顶端的高度对太阳能热水器集热效率的影响，得出以下的结论：

1援对于集热器总面积为1.5m2，水箱容积为120L的太阳能热水器，水箱底部到集热器顶端的高度为0.7m 时，太阳能热水器有大的热效率。

2援水箱底部相对于集热器顶端的高度为0.7m-1.4m 比0.2m-0.7m 有更高集热效率。

3援水箱底部到集热器顶端的高度为0.44m-1.04m，系统热效率变化不超过3%。

本文的研究结果可为自然循环平板式太阳能热水器的安装提供数据支撑，对太阳能集热器与建筑相结合有一定的参考价值。