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空调用太阳能集热器适用性分析
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内容提示：计算了平板集热器、真空管集热器、热管真空管集热器和CPC真空管集热器的太阳能利用系数,分析了几种太阳能集热器在空调系统中的适用性。结果表明,太阳能空调(热泵)系统集热器的热性能随着气象条件、热源温度的变化而变化,具有不同热源温度要求的系统应选用不同的集热器。
田琦 张于峰 李新宇 邓娜
摘要：计算了平板集热器、真空管集热器、热管真空管集热器和CPC真空管集热器的太阳能利用系数,分析了几种太阳能集热器在空调系统中的适用性。结果表明,太阳能空调(热泵)系统集热器的热性能随着气象条件、热源温度的变化而变化,具有不同热源温度要求的系统应选用不同的集热器。
关键词：空调系统 热泵系统 太阳能集热器 太阳能利用系数 适用性
太阳能空调所需要的能源部分或全部来自于太阳能。目前太阳能空调的主要型式有:太阳能电制冷空调、太阳能热制冷空调、太阳能热泵、太阳能液体除湿空调等。太阳能热制冷空调主要包括:太阳能蒸气压缩式制冷空调、太阳能吸收式制冷空调、太阳能喷射式制冷空调等。在太阳能热制冷空调和太阳能热泵系统中,太阳能集热器是必不可少的组成部件,其合理选择对太阳能空调系统高效、经济运行具有重要意义。本文对平板集热器、真空管集热器、热管真空管集热器和CPC真空管集热器的性能进行了对比研究,对各种集热器在不同空调系统中的适用性进行了分析。（参考《建筑中文网》）
1 集热器的太阳能利用系数
集热器的太阳能利用系数是指一定时期内,集热器所获得的有效能量与集热器表面所接受的太阳辐射量的比值。利用该系数可对一定时期内太阳能集热器的热性能进行评价。由定义,月(季)太阳能利用系数Ψ计算式为
（1）
（2）
（3）
式(1)～(3)中 Qui为第i天单位面积太阳能集热器获得的有用能量，MJ/(m2·d)；Hi为第i天集热器表面太阳辐照量, MJ/(m2·d);n为月(或季)天数;N为日照时间,ｓ;η(τ)为集热器瞬时效率;I(τ)为集热器表面太阳辐照度,W/m2;τ为计算时刻。
1.1 太阳辐射量计算
瞬时太阳辐射量的计算按两种气候类型进行。晴天时,太阳辐射量按文献[1]介绍的方法进行,其他天气按实际辐射计算。晴天时水平面上太阳总辐射量及直射辐照度随时间的变化曲线大体是正弦曲线,所以,一天中水平面上的太阳总辐射辐照度可用下式计算:
（4）
式中Im为一天中水平面上最大太阳辐照度, W/m2;τr,τｓ分别为一天中日出、日落时刻。同理,一天中水平面上的太阳辐射直射辐照度可用下式计算:
（5）
式中 Ib(τ)为水平面上的太阳辐射直射辐照度, W/m2;Ibm为水平面上的最大太阳辐射直射辐照度, W/m2。根据直散分离原理,水平面上的太阳辐射散射辐照度Id(τ)为
（6）
根据文献[2],倾斜面(集热面)上太阳辐照度可用下列式子计算:
（7）
（8）
（9）
（10）
式(7)～(10)中 Iθ(τ)为倾斜面(集热面)上的太阳总辐射辐照度, W/m2;Ibθ(τ)为倾斜面(集热面)上的太阳辐射直射辐照度, W/m2;Idθ(τ)为倾斜面(集热面)上的太阳辐射散射辐照度, W/m2;Iρθ(τ)为倾斜面(集热面)上的太阳反射辐射辐照度, W/m2;j为倾斜面(集热面)太阳入射角,°;h为太阳高度角,°;θ为集热面倾角,°;ρ为地面反射率。
1.2 太阳能集热器效率方程
1.2.1 单层盖板平板集热器单层盖板平板集热器以常见的铜铝复合材料翼形管板作为吸热板,单层玻璃盖板。吸热板长1880mm、宽960mm;吸收率为0.95;发射率为0.4。计算得其效率方程[2]为
（11）
式中 η为集热器效率;5.52为系数, W/(m2·℃);I为太阳辐射辐照度, W/m2;ti为集热器进口工质温度,℃;ta为环境气温,℃。
1.2.2 全玻璃真空管集热器
E-W真空管集热器为例。该集热器由全玻璃真空管、M2型连接管、漫反射板构成。其效率方程[3]为
（12）
1.2.3 热管真空管集热器
以BTZ-2型热管真空管集热器为例。集热器由热管真空管、连接管、漫反射表面构成。玻璃管外径为100mm,套管透过率为0.9,吸收器吸收率为0.92,底板漫反射率为0.6。其效率方程[4]为
（13）
1.2.4 CPC真空管集热器
以XE-300型集热器为例。集热器由TC-100集热器管、复合抛物面聚光反射器等构成。反射器的聚光比为1.3,采用强化玻璃保护盖板。其效率方程[2]为
（14）
2 集热器适用性分析
2.1 冬季太阳能辅助热泵用集热器性能分析
冬季太阳能辅助热泵系统主要利用太阳能集热器为热泵蒸发器提供热量,对太阳能集热器供水温度要求较低,这里设太阳能集热器进口工质温度为15℃。在太原气象条件下,计算得各种集热器太阳能利用系数,如表1所示。
从表1可以看出,在冬季,各集热器各月太阳能利用系数均较高,这主要是集热器进口介质温度低的缘故。4种集热器中,热管真空管集热器的冬季太阳能利用系数最大,为0.5869;全玻璃真空管集热器次之,为0.4892;以下依次为单层盖板平板集热器和CPC真空管集热器。平板集热器月太阳能利用系数在0.3973～0.5446之间变化,冬季太阳能利用系数为0.4864,比热管真空管集热器低,但比CPC真空管集热器高,与全玻璃真空管集热器相比,其太阳能利用系数只低0.0028。这主要是由于在集热器集热工质温度较低的情况下,集热效率受集热器盖层透过率与吸热板吸收率的影响较大而受集热器热损系数的影响较小,因此,具有较大透过吸收积的单层盖板平板集热器虽然受冬季太阳辐照度较弱及阴天真空管集热器效率较高等因素的影响而使其冬季太阳能利用系数仍低于热管及全玻璃真空管集热器,但其冬季太阳能利用系数已高于透过吸收积较小的CPC真空管集热器,且与全玻璃真空管集热器冬季太阳能利用系数基本相等。根据以上分析,冬季太阳能辅助热泵系统采用热管真空管集热器热性能最佳,考虑价格等因素,单层盖板平板集热器也是较好的选择。
2.2 夏季太阳能制冷用集热器性能分析
夏季太阳能空调系统主要利用太阳能集热器为发生器提供热量,对太阳能集热器供水温度要求较高。双元混合工质喷射式制冷系统发生器热源温度可低至60℃[5];两级溴化锂吸收式制冷机驱动热源温度为65～75℃[6],这里取平均值70℃;常规溴化锂吸收式制冷机驱动热源温度在88℃以上[6],这里取为90℃。根据发生器对热源温度的要求,设集热器温升为8℃,则集热器进口工质温度可分别取为52,62,82℃。在太原气象条件下,各种集热器太阳能利用系数见表2。
从表2可以看出,集热器进口工质温度为52℃时,在夏季6,7,8月中,各集热器月太阳能利用系数均在0.34以上。在4种集热器中,热管真空管集热器的夏季太阳能利用系数最大,为0.5140,以下依次为CPC真空管集热器、全玻璃真空管集热器、单层盖板平板集热器,其夏季太阳能利用系数分别为0.4435,0.4352,0.3526。全玻璃真空管集热器与CPC真空管集热器热性能接近,而热管真空管集热器却明显优于其他集热器。
集热器进口工质温度62℃时,夏季各集热器月太阳能利用系数均在0.27以上。各种集热器中,热管真空管集热器夏季太阳能利用系数仍最大,为0.4610。CPC真空管集热器次之,为0.4293。以下依次为全玻璃真空管集热器(0.3949)、单层盖板平板集热器(0.2787)。各集热器的太阳能利用系数虽有所变化,但热性能排序没有变化,仍以热管真空管集热器为最佳。
集热器进口工质温度82℃时,夏季平板集热器各月太阳能利用系数已较低,仅0.15左右;CPC真空管集热器太阳能利用系数仍高达0 40;热管真空管集热器太阳能利用系数已明显低于CPC真空管集热器。这说明随着吸热器与环境温差的增大,CPC集热器只能利用部分散射辐射的缺陷得到了其热损失系数小这一优点的弥补,集热器进口工质温度82℃时,其热性能已明显优于其他集热器。因此,常规溴化锂吸收式制冷机的驱动热源采用CPC真空管集热器较好。
2.3 冬夏联合运行工况下集热器性能分析
冬季利用太阳能集热器作为太阳能热泵系统驱动热源为发生器提供热量时,各集热器太阳能利用系数见表3。
从表3可以看出,利用单层平板集热器作太阳能热泵驱动热源时,其月太阳能利用系数都很低,又因其抗冻能力较差,冬季容易冻损,所以,用单层平板集热器作太阳能热泵驱动热源不适宜。综合分析表1～3数据,将集热器冬夏联合运行工况分为五种。工况1:夏季太阳能集热器作发生器热源,集热器进口工质温度52℃,冬季太阳能集热器作蒸发器热源,集热器进口工质温度15℃。工况2:夏季太阳能集热器作发生器热源,集热器进口工质温度62℃,冬季太阳能集热器作蒸发器热源,集热器进口工质温度15℃。工况3:冬夏季均以太阳能集热器作发生器热源,集热器进口工质温度52℃。工况4:冬夏季均以太阳能集热器作发生器热源,集热器进口工质温度62℃。工况5:冬夏季均以太阳能集热器作发生器热源,集热器进口工质温度82℃。各工况下各集热器冬夏综合太阳能利用系数见表4。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200606/8556.htm
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