分离式太阳热水系统日有用得热量解析

    分离式太阳热水系统安装方便灵活，太阳集热器安置房顶，水箱放置地面，房顶不承受水箱重量，更加安全可靠。但由于集热器与水箱之间管路距离较大等原因，引起有用热量的损失，其日有用得热量要小于同规格紧凑式热水器。归纳起来，影响日有用得热量的原因主要有以下几个方面：

1．太阳集热器瞬时效率

2．集热器与水箱之间管路距离与保温状况

3．管路中是否充满热媒，有无气阻

4．环境温度

5．热交换器效率

6．循环泵流速

7．一段时间内管路中热媒停止循环次数与停留时间

一旦分离式太阳热水系统安装完毕，以上影响日有用得热量的前5种原因是不可变量或不可控量，只有第6、7种原因是可控变量。可控变量与日有用得热量的关系如何？怎样调整才能使日有用得热量最大？下面进行讨论：

一．分离式双循环太阳热水系统的组成:

    由图可知：该系统由太阳集热器、管路（以10米为例）、循环泵、水箱、热交换器、温差循环控制器组成。目前，分离式双循环太阳热水系统大都采用温差循环方式，通过对温差控制器参数的设定实现对循环状态的控制，实践证明：温差参数和循环流速对日有用得热量有直接的影响。

一．热媒停止循环次数与停留时间对有用得热量的影响：

太阳辐照度I可表述为时间t的函数：I =f(t),  单位：W/m²。太阳辐照量H等于太阳辐照度I从0时刻起到某时刻x一段时间的积分，即(附图一) ，单位：MJ/m²。假定太阳集热器瞬时效率为0.70，采光面积为A_c，在太阳辐照度基本稳定与忽略管路散热的情况下，热水系统的有用得热量近似为(附图二)。而实际上对于分离式太阳热水系统，由于管路较长（10米左右），保温性能也不是理想状况，如果循环停止，热媒停留在管路中，当外界环境温度低于管路中热媒温度较多时，热媒通过管路对外散热降温，使其温度低于水箱中的贮水温度；当循环再次启动后，低于水箱中贮水温度的热媒通过水箱中的热交换器后， 吸收水箱中的有用热量，使热媒温度升高，有用热量的损失为：Q_损=ρ_wc_pw v(t_b-t_e), t_e —热媒通过热交换器前的温度； t_b—热媒通过热交换器后升高的温度； v--管路中热媒的体积。在一段时间x内，若循环停止n次，则分离式热水系统的有用得热量变为：

       图一

        图二

由此看出，循环停止次数n越多，循环停止时间越长（t_b-t_e值越大），管路越长(v越大)，导致系统的有用得热量Q_s损失就越大。所以，减少有用热量在管路中的损失，使nQ_损=nρ_βc_pw v(t_b-t_e) 值最小，是提高系统日有用得热量Q_s的有效途径。

1．启动温差Δt₁对热媒在管路中停留时间的影响：

由以上分析可知：减少有用热量在管路中的损失，使nQ_损=nρ_βc_pw v(t_b-t_e) 值最小，关键是要减少热媒停留在管路中的时间，即减少循环停止次数和循环停止时间。

设太阳集热器瞬时效率为0.70，太阳辐照度为I，集热器中热媒体积为v, 集热器采光面积为A_c，则集热器中热媒从循环停止到温升为Δt₁时所需的时间t可由能量转换公式 0.7A_cI* t =ρ_wc_pw vΔt₁ 导出：

停留时间t=(ρ_wc_pw vΔt₁)/（0.7A_cI）

 可以看出：热媒在管路中的停留时间t与启动温差Δt₁成正比，与太阳辐照度I成反比，减小启动温差Δt₁可减少热媒在管路中停留时间，从而减少有用热量损失。这对于环境温度较低、日照度较弱时尤为重要。

2．停止温差Δt₂对循环停止次数的影响：

实验证明：设定停止温差Δt₂=1℃时，在多云天气，太阳集热器采光面上平均日照度I为270W/m²、环境温度为14℃的一段时间内，当循环流速为快速（14L/m）时， 实测集热器出口温度25℃，水箱水温23℃，即实际温差Δt₂=2℃，系统仍能正常循环。若设定停止温差Δt₂高一些，则循环就已停止，热媒停留在管路中并散热，造成有用热量损失。可见Δt₂值越大，停止时间越提前，停止次数越多；在太阳辐照度较弱、环境温度较低的情况下更是如此。

见下面测试结果：

测试条件：流速10L/m(Ⅰ档)，启动温差9℃，辐照量18MJ/m²以上，环境温度：15℃~20℃，测试时间：8小时。

分析与测试证明：减小Δt_1、和Δt₂值既可减少热媒循环停留时间，又可减少循环停止次数，从而减少有用热量损失。

二．           循环流速对有用热量损失的影响：

     当Δt_1、、Δt₂确定后，循环流速对有用得热量又有何影响呢？我们知道：循环时热媒通过管路所用时间越短，散热就越少。设循环流速为ν，单位：L/m，设长10米管路中所容热媒体积为V，那么，循环时热媒通过管路所用时间t=V/v,单位：m(分钟)，可知：管路长度一定时，时间t与流速成反比。因此，提高流速可以减少有用热量在管路中的损失。

测试结果见下表：

测试条件：启动温差3℃，停止温差1℃，辐照量18MJ/m²以上，环境温度：15℃~20℃，测试时间：8小时。循环泵型号：UPS 25-40 180

    总而言之，影响系统日有用得热量的3个因素：Δt_1、、Δt₂、流速ν，它们之间是对立统一的关系，实际运行中互相影响。例如：增大Δt₁值则热媒在管路中停留时间长，但在日照度较好的情况下，增大Δt₂值又可减少停留时间；又如：增大循环流速可减少热媒通过管路的时间，但在日照度较弱和环境温很低的情况下，由于热媒通过集热器时间少，导致集热器出口温度低于Δt₁而停止循环。因此我们不能孤立地设定某一变量，而应相互兼顾。流速设定的原则是：当Δt_1、、Δt₂确定后，在考虑日照度较弱和环境温度低的情况下，使         集热器出口温度大于Δt₁，循环停止次数越少越好。如果系统在这种条件下能循环良好，那么在理想条件下，系统的有用得热量将更上一层楼。