倾斜翅片平板太阳能集热器试验研究

建　筑　・技　术　第４８卷第３期２０１７年３月　、，０１．４８　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１７　３０８・　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　倾斜翅片平板太阳能集热器试验研究　管振忠　，　王崇杰　２　，　薛一冰　，　王艺涵　２　（１．山东建筑大学建筑城规学院，２５０１０１，济南；２．教育部可再生能源建筑利用技术重点实验室，２５０１０１，济南；３．山东省可再生　能源建筑应用技术重点实验室，２５０１０１，济南）　摘要：对倾斜翅片平板太阳能集热器的集热效率及使用该集热器的热水系统得热量进行试验分析，结　果表明，与常规平板集热器相比，倾斜翅片平板集热器具有更平缓的集热效率曲线，垂直安装时用于热水系　统得热量更高，为建筑立面垂直一体化安装及构件化提供了更多依据。　关键词：倾斜翅片；平板太阳能集热器；集热效率；得热量　中图分类号：ＴＵ２０１．５　文献标志码：Ａ　文章编号：ｌ０００—４７２６（２０１７）０３—０３０８—０３　ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ　ＳＴＵＤＹ　ｏＮ　ＩＮＣＬＩＮＥＤ　ＦＩＮＳ　ＦＬＡＴ　ＰＬＡＮＴＥ　ＳｏＬＡＲ　ＣｏＬＬＥＣＴｏＲ　ＧＵＡＮ　Ｚｈｅｎ．ｚｈｏｎｇ　’２Ｉ３　ＩＷＡＮＧ　Ｃｈｏｎｇ－ｊｉｅ　，２，３＇ＸＵＥ　Ｙｉ．ｂｉｎｇ　，２，３｜ＷＡＮＧ　Ｙｉ．ｈａｎ　　，，　（１．Ｔｈｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｕｒｂａｎ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２５０１０１，Ｊｉ’ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＲｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，２５０１０１，Ｊｉ’ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；３．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆＲｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２５０１０１，Ｊｉ　ｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　１ｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｃｕｒｖｅ　ａｎｄ　ｄａｉｌｙ　ｕｓｅｆｕ１　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｆｉｎｓ　ｆｌａｔ　ｐｌａｔｅ　ｗａｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｆｉｎｓ　ｆｉａｔ　ｐｌａｔｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｈａｓ　ａ　ｍｏｒｅ　ｇｅｎｔｌｅ　ｃｕｒｖｅ　ｗｈｉｃｈ　ｂｒｉｎｇｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｎｎｕａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｆｉｎｓ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ａｃｑｕｉｒｅｓ　ｍｏｒｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｈａｎ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｇｅ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｍｏｒｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｎ　ｓｏｌａｒ　ｂｕｉｌ￣ｎｇ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｃｌｉｎｅｄ　ｆｉｎｓ；ｆｉａｔ　ｐｌａｔｅ　ｓｏｌａｒ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ；ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｄａｉｆｌｙ　ｕｓｅｆｕｌ　ｅｎｅｒｇｙ　平板集热器具有工艺简单、造价低、视觉效果好　将集热器垂直布置，通过构造设计与建筑立面一　等优点，目前建筑立面安装平板集热器的常见做法为　体化安装是解决上述问题的途径，但由于集热器倾角　通过连接件将集热器固定在建筑外墙或预制构件上，　过小会导致热效率降低，严重影响使用效果。　集热器利用支架或建筑构件与建筑立面形成一定倾角　将集热器吸热元件翅片板旋转一定倾角，可提高　以保证热效率。集热器与建筑立面的倾角是保证太阳　集热器垂直安装时辐射入射在吸热元件法线方向的分　能热水系统热效率的有效措施，但会对太阳能系统与　量，从而使集热器获得更高的热量；解决太阳能热水　建筑的一体化产生较大负面影响：（１）形成倾角的　器与建筑一体化的美观、安全等Ｉ、口］题，又可避免对下　集热器对建筑立面美观不利，影响了建筑师和用户使　层的遮挡，实现一体化安装与热效率的良好平衡。　用太阳能热水的主动｝生；（２）为形成倾角所设置的　１技术原理　构件和支架，增加了土建安装成本；（３）增加了建　当太阳辐射强度为同一数值时，倾斜翅片吸热板　下层产生遮挡；（４）在高层建筑中，该倾角会导致　上接收到总太阳辐射法向上的分量比无倾斜的吸热板　集热器尤其是平板集热器较大的风荷载，长年使用的　接收到总太阳辐射法向上的分量大（图１），即接收　筑冷热桥，易破坏外墙保温系统，部分情况下还会对　安全性受质疑；（５）随着各地逐步推出政策将太阳　到垂直于集热器的太阳辐射量较强，使倾斜翅片集热　能热水应用扩展到１　００　ｍ高度以内的高层住宅，其安　器的瞬时集热量更高。　装时的安全陛成为制约因素。　收稿日期：２０１６－１１－２１　由于具有倾斜翅片的设计（图２），倾斜翅片平　板太阳能集热器可垂直安装于建筑物墙面，使集热器　获得更高的热量，提高集热效率；太阳能热水器与建　基金项目：山东省自然科学基金项目“太阳能空气集热效率优化机理　研究”（ＺＲ２０１　１ＥＥＱ０２４）　作者简介：管振忠（１９８１一），男，山东济南人，讲师，硕士，　ｅ－ｍａｉｌ：ｇｚｚｓｄｊｚｕ＠１６３．ｃｏｍ．　筑一体化，美观安全；而普通平板集热器为提高集热　物的美观及安全性。　效率，需倾斜一定的角度，安装过程繁琐，影响建筑　什振忠，等：ｆ｝！ｊ！斜趔片　扳爪　能　热　试验研究　・３０９・　（ａ）　（ｂ）　ｌ　倾祭｝与无倾斜趔　接收的太…辐射最，１　窟　（ａ）无倾斜趔』上１．（ｂ）　淙４趔片　喋栓一样接　倾斜趔片　蘸　保温材料　１能集热器　／　／ｒ羼　鼹　々墙＾．此预埋　（ａ）　（ｂ）　图２两种平板太阳能　热器安装剖面示意　（ａ）倾斜翅片平板集热器；（ｂ）常规平板集热器　２试验研究　２．１试验方法及样品　为确定应用效果，在理沦分析的基础上，参照　ＧＢ／Ｔ４２７１－２００７《太阳能集热器热性能试验方法》　埘＿，顷斜翅片平板太阳能集热器进行试验研究，并与常　规平板集热器瞬时效率及热水器热『生能进行对比。　甲板集热器的瞬时效率如式（１）所示…：　ｒ／＝ｑ　。　，　（１）　式中：，７为集热器瞬【｛１『效　；ｇ　，为太阳能集热器　的瞬时集热量（Ｗ）；Ａ为太阳能集热器的集热面积　（１１１＿　）；，为太阳辐射强度（ｗ／ｍ　）。　太阳能的瞬时集热量如式（２）所示：　ｇ　－－ｐｌ　Ｖｉｃｌ（ｆ　．　一ｆ　）／３６００　（２）　式巾：Ｐ．为集热介质的密度（ｋｇ／ｍ’）；　为　集热介质的瞬时流量（ｍ　／ｈ）；Ｃ　为集热介质比热　［Ｊ／（ｋｇ・℃）］；ｔｏ　。为集热器出口温良（℃）；ｆ．　为集热　器进ｒ］温霞（℃）。　通过测定太阳辐射强度、计算集热器的得热量可　得到集热效率，但由平板型太阳能集热器的集热理论　可知．影响集热效率的因素很多，包括集热器本身的　结ｆ勺／特征、集热流体的传热心流动特性、集热流体流　赶、太阳辐射强度以及室外风速等。　为体现倾斜趔片发挥的实际作用并确保对比效　果，本文制作了相同结构、　：艺、材料和规格的集热　器样品进行测试，『甘台样品的唯一不同点为趔片倾角：　考嗯　Ｉ－：程实际，倾斜翅片平板集热器样品翅片与集热　器平面倾角没为２５。，试验　统如图３所示　３　热效牛ｉ　－Ｌ￣Ｊ：：ｔ　２．２　集热效率试验结果　常觇集热器样品瞬时效牢　线如　４所示。　丛ｆ进ｒＩ温度的ｉＪｌ　ｔ—ｆｔｆｆａ，　／Ｔ，　４常觇平板骥热　罅时效　缸ｆ１１］　其瞬时效率曲线方程为：　ｑ＝Ｏ．５８＿４．７４　（３）　式巾：　＝（　ｔ　）ＩＧ，　为１＿顷进¨温度（℃）；　环境温度（℃）；Ｇ为集热器采光面上总日射辐照　（ｗ／ｍ　）。　试验结果显示：常规平皈集热器瞬时效率截距　０．５８，但整条瞬时效率曲线　较大斜率，随环境温度　及辐照量降低，集热器集热性能衰减较大。　倾斜翅片集热器样品瞬时效率曲线如图５所示。　・３ｌ０・　４８巷第３埘　其瞬时效率曲线方程　：　ｑ＝０．５３一１．８２　（４）　利用式（６）：　ｑＩ　７＝１　７ｑ／Ｈ　（６）　试验结果显示：倾斜翅片平板集热器样品瞬时效　式中：ｑ　为日太阳辐照量为ｌ７　ＭＪ／ｍ　时，家　率截距为０．５３．整条８舜时效率曲线斜率较缓，随环境　用太ｌ５Ｈ能热水系统单位轮廓采光面积日有用得热量　温度及辐照量降低，集热器集热性能衰减较小。　（ＭＪ／ｍ　）；Ｈ为试验期Ｉ’卣Ｊ太阳辐照量值［ＭＪ／（ｍ！・ｄ）】。　由两种平板集热器瞬时效率试验结果对比可知，　换算成太阳辐照量为１７ＭＪ／（ｍ２．ｄ）时的日有用得　与常规平板集热器相比，倾斜翅片平板集热器瞬时效　热量为３．３５　ＭＪ／ｍ　。　率截距略低，但瞬时效率曲线较平缓，全年整体性能　２．３．２倾斜翅片平板太阳能热水器　优于常规平板集热器　２．３热水器热性能试验结果　在集热器瞬时效率试验研究基础上，将样品分别　接人相同的６２　Ｌ水箱及管路组成热水器，测试其有　效得热量，以对比两卡『｛嗪热器的太阳热水器运行中太　阳辐照量的转换量。两台样品均垂直安装（图６），　测试时Ｉ’同］为９月初　２．３．１　常规平板太阳能热水器　测　教据ｌ洵：环境平均温度２７．０℃，环境风　速１．１　ｍ／ｓ，注水前流　ｉｔ　读数０ｍ　，注水后流量计　读数０．０６２ｍ　．检测肝始　：水箱水温ｌ９．９℃，检测　结束贮水箱水温５０．０　，柃测开始时总辐射表读数　０．０３　ＭＪ／ｍ　；检测结束时总辐射表读数２　１．６４　ＭＪ／ｍ　，　实测轮廓采光面积１．８７　１１１１　系统测试期间单位轮廓采光面积的目有用得热量　掖式（５）计算　】：　ｑ＝ｐ　ｃ　ｖＣｔ　一，ｂ）／ｌ０００Ａ　（５）　ｙＬｔ：￣：ｑ为试验期间家Ｊ｝ｊ太阳能热水系统单位轮　廓采光面积口有刷得热量（ＭＪ／ｍ　）；Ｐ　为水的密度　（ｋｇ／ｍ　）；ｃ　水的比热容（Ｊ／ｋｇ）；Ｖ为储热水　箱中的容水量测量值（ＩＴＩ　）；ｔ　为集热试验结束时储　热水箱内的水温（ｏ（　）；　为集热　验开始时储热水　箱内的水温（℃）；Ａ　洵轮廓采光而积测量值（Ｉｎ　）　代人删得的数据后，　ｆ得常规平板太阳能热水器　单位轮廓采　面积的日有用得热量为４－２　ＭＪ／ｍ　测试数据为：环境平均温度３３．０℃，环境ｒ×Ｉ　速１．５ｍ／ｓ，注水前流量计读数０ｍ　，注水后流量汁　读数０．０６２ｍ　，检测开始贮水箱水温２１．０　ｏＣ，检测　结束　水箱水温４７．６℃，检测开始时总辐射表读数　０．０２　ＭＪ／ｍ　，检测结束时总辐射表读数ｌ　６．７７　ＭＪ／ｍ：，　实测轮廓采光面积１．８７ＩＴ１。。　系统测试期间单位轮廓采光面积的日有用得热　量按式（４）计算，代入测试所得数据．可得倾斜趔　片　板太阳能热水器单位轮廓采光面积的目有用得热　量为３．７０ＭＪ／ｍ　。利用式（５）换算成太阳辐照量为　ｌ７ＭＪ／（ｍ－’．ｄ）时的日有用得热量为３．７６ＭＪ／ｍ　．　对比热水器的试验结果，可看出两种集热器均为　垂直安装时，倾斜翅片平板太　能热水器的日仃用得　热量较高，热性能优于常规平板太阳能热水器。结合　理论分忻结果进行分析，预计倾斜翅片平板太［５｝ｊ能热　水器冬季运行效果优势更大。　３　结论　（１）与常规平板太Ｉ￣ＨＳｔ集热器相比，倾斜翅片　平板太阳能集热器具有更平缓的集热效率曲线，冬季　热性能和全年整体性能也更好　（２）在垂直安装时，倾斜翅片平板太阳能集热　器可比常规平板太阳能提供更多的得热量，是提高壁　挂式太阳能热水系统性能的有效途径。　（３）本文为太阳能集热器在建筑立面以垂直方　式一体化安装和构件化提供了更多数据依据，在进一　步试验优化研究的基础上，可开展基于垂直安装的建　筑一体化掏造设　ｔ‘研究　（４）本措施对提高空气集热器等其他类型的集　热装置集热效率有一定借鉴意义。　参考文献　［Ｉ】ＧＢ／Ｔ６４２４－－２００７，平板型太　能集热嚣［ｓ］．　［２］ＧＢ／Ｔ２００９５－－２００６，太阳热水　统性能评定规范［ｓ］．　［３】ＧＢ／Ｔ　１９１４ｌ一２叭ｌ，家用太阳能热水系统技术条件【ｓ】　［４］敢永唆．许志鸱，祁亚芬，等．太阳能　暖糸统存【｛　国的发展仓　【Ｊ］ｌ建筑技术，２０１５，４６（１１）：９６６—９７０