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1、建筑热能通风空调太阳能热水系统贮热水箱温度分层实验结果及分析娆春妮1郝斌1贾春霞2住房和城乡建设部科技发展促进中心2 北方工业大学搞要：本文研究的蓄热水箱形状为立方体，为工程中经常采用的形式之一。土要就立方体水箱的温厦分层做出实验研究。水箱内设两层保温隔热板，将水箱内腔分成三个腔，从左至右分别为低温腔、中温腔和高温腔。来自太阳能集热器的高温水从右侧顶部人口进 ，依次通过由保温隔板形成的导流榴进人中温区和低温区，从而从丘侧低温区将低温水送至太阳能集热器右侧高温区的高温水进至热水用户。关键词：太阳能热水系统，贮热水箱，温度分层1 引言水箱作为太阳能热水系统的贮热设备，其贮热性能的好坏直接影响着整个
2、系统的运行。好的贮热水箱除了满足热负荷要求，还能够提高太阳能集热效率，进人太阳能集热器的水温( 传热介质为水时)越低，集热器向周围散热越少，集热器的集热效率就会越高“1 一。所以水箱应能够维持很好的温度分层，使低温区的水流向太阳能集鼎器，高温区的水流向热用户，将有效提高太阳能集热效率。2 水箱实验介绍图2l 所示为实验的流程图，水箱为水平放置立方体水箱，长1 1 3 c m ，宽6 3 c m ，高8 8 c m ，外表皮由不锈钢制成，外包厚4 0 r a m 的玻璃棉保温材料。窖量可容纳5 0 0 L 的水，与小型的太阳能热水系统中使用的水箱容量近似相等。水箱内设两层保温隔热板将水箱内腔分成
3、三个腔，从左至右分别为低温腔、中温腔和高温腔。水箱左侧面距底部8 0 r a m 处开通两个内径为2 5 m m 的水管连接1 2 1 一个用来连接来自市罔的自来水补水，另一个用来连接太阳能集热器的循环水，右侧距底部8 0 r a m 处开通一个内径为2 5 r a m 的水管连接口，连接热水供应管路，顶面( 高温区上部) 开通一个内径为2 ；m m 的水管连接日，连接太阳能集热器的循环水，来自太阳能集热器的热水通过此管口流 水精 水箱前侧商还开通 卟内径2 0 r a m 的水管连接E 1 连接一竖直巢起的软管，用来观察水糟内水位，水箱需要检修时还可以用来作为泄水口。SE ”自m # 漫”
4、- # ”口f n0m 目2l木箱# 目女验e t 8 目水箱内共设置2 4 个热电偶温度计，每个温区设8 个，从下向上依次问距5 0 m m 。在自来水补水与循环水 口处分别殴置一个热电偶温度计，另设置个热电倡温度计用来测量环境温度。热电偶温度计经过校核，测得温度误差o1 。热电偶温度计测得的温度信号通过K e i t h l e y 数据采集仪连接到实验电脑。表21 给出了水箱内热电偶标号代表的对应位置。& 2L 木箱自* 自标R # 的对t I高温腔中温腔低蜢腔距箱底位置唧C h e l lC h a 2 C h a 3 IC h a l 2C h a 2 2C h a 3 2C h a
5、 l 3C h a 2 3C h a 3 3C h a l 4C h a 2 4C h a 3 4t h a i 5C h a 2 5C h a 3 5C h a l 6C h 0 2 6C h a 3 6C h a l 7C h a 2 7C h a 3 7C h a l 8C h a 2 8C h a 3 8流量测量采用旋转式流量计，共 殳置3 个，分别设置在水箱的自来水补水口、热水 口处和连接热建筑热能通风空调水供应管路的热水出口处。旋转式流量计测量误差为士0 1 l m i u 。循环粟设置在水箱循环水出口址用来在初始循环加热水箱中的术，这时水不存在分层现象。在水箱顶部( 高温区上部)
6、 设置一个压力袁用来实时测量水箱内压力情况。水箱为闭式承压水箱。因为实验时问段是不利于利用太阳能的时期，所以采用电加热器替代太用能加热功率是 0 K W ，相当于辐照度为6 0 0 W 耐时、集热效率为4 0 “的真空管集热器04d 。分别针对三种工况进行水箱温度分屡实验每种t 配实验前，首先将水箱中的水预热，然后在眦下三种工况下分别进行实验( 为区别工况简单起见，水箱从自来水补水到莲接热水供应管路的热水出口处称为用户部分水箱从到集热器的循环水出口到循环水八口称为加热部分) 。工况( 1 ) 加热部分关闭，用广部分打开，工况( 2 ) 加热部分打开，用Y 部分打开，工况( 3 ) 加热部分关闭
7、，用户部分关闭。3 实验结果殛分析31 工况1 的实验结果水箱中的水由电加热器预热莹7 0 然后加热部分关闭用户部分打开，即水箱左侧由自来水管网( 温度为l ；) 补永同时右侧热水流出王用户。为保证水箱温度分层明显实验应在低雷诺数R 。或高理查德数R 条件下进行。R 的定义式如式3 1 所, s ER 一G ，R ；( 31 )其- h 格拉晓夫数G ，= g ! 譬，表征浮升力与w枯性力之比雷诺敷R ，= 竺表征惯性力与牯性力之比，则理查德数R ，是浮升力与惯性力之比的种度量。式中为水箱的特征长度= = 半( 本文取值o7 3 m ) ，口为热水的体积嘭胀系数( 查表可得) ，d t取水箱高
8、温匹平均温度与低温区平均温度之间的温度差“为热水 口流速。文献“研究指出，在低R 。条件下揣流占优的扰动会加快水箱中高、低温水之间的混舍，从而降低温度分层效果；R ，36 时，水箱进u 结构对温度分层产生影响；而当R 1 0时可雌不考虑进口对温度分层的影响或由于馄台对分层的影响裉微弱。图3 1 给出了用户部分进出口流速均为01 1 4 m 5 时( R = 16 ) 的低、中、高温区的温度分层情况。：p ：j ：嘲1三|- 二j 捷i。：L i 越：_ 目3 。Im p * H m 口i * oI I 5 H4 女E i 自H * m 从图0 1 可以看出，在玲水注 后，低温区( C h a
9、3 1 3 8 ) 的水温首先受到影响距箱底5 0 r a m灶的温度层在2 5 0 s 时即开始温度下降，距箱底15 0 r a m 处的温度层在j 0 0 s 时间开始温度下降，依次类推，也就是随温度层从下向上莲时开始温度F降，出现温度分层。中温区( C h a 2 1 2 8 ) 的术温在时同6 0 0 s 距箱底5 0 n m l 处的温度层开始下降，高温区( t h a i l1 8 ) 的水温在时间7 5 0 s 距箱底5 0 r a m 处的温度屡开始下降。说明虽向水箱充注冷水，但并不影响开始较长一段时问内球箱另一侧的热水输出。保征了用户的热负荷要求体现了水箱的能够减少冷热掺混井
10、长时间供应热水的另一优点。此工况F ，还进行丁另两组实验，分别在片j 户部分进出口流速为0 8 7 m s ( R 一59 6 ) 和o2 7 m s时( R ，= 29 ) 的水箱温度分层实验，分别如图3 2和圈3 3 所示。练台图3l 、图32 和图33 可以看出，第一种工况下较易实现水箱内温度分层即时在iRt ：36 的流建下也出现了温度分层现象。从第一种工况的三组实验数据看来，低温区的温度分层情况变化不大。大多数温度层很快保持低温；中温区的温度分层情况变化也不大，均在时间1 2 0 0 s 左右已保持很好的温度分层；高温区随着流速增大温度层温降速率增大，在 5 0 0 s 时速率为01
11、 1 4 m s 、018 7 m s 、02 7 m s 下，距箱底5 0 r a m 处的温度层的温度分别降至6 2 、4 j c 、3 2 ，其它位置温度层的建筑热能通风空调温度也相应随着速率增大而碱小。水流速为019 7 m s ，同水流速017 8 m s 。向用户供水箱由电加热器预热至7 0 ，然后加热部分打开，州户部分打开热水即水箱在加热的同时向用户供应热水。加热循环进水流速为o3 4 m s ，回水流速03 3 m s ，向用户供应热水流速02 3 m s 条件下，这时水箱内R 36 ，水箱内水温变化情况如图34 所币。由圈34 可以看出。强制循环运行条件下，水箱各区的温度分层
12、减弱，低温区甚至出现了同一温度层温匪渡动的现象；中温区在开始阶段完全混台温腰不分层，在1 2 0 0 s 时才开始出现温厦分层随着时间增长，分层保持良好高温区由于R 36 ，需要考虑 口肘水精温度分层韵影响，循环热水人口为一短直管( 位于高温区上部) 。增大了水箱高温区内的水的混合，降低r 温度分层程度，从罔中可以看出人口对温度分层的影响非常大。在加热循环进”s 嚣盛燥豁勰“转：；：勰：可以看出，图3 5 显示的温度分层情况无论是在低温区、还是高温区，都比第一组宴验结果分层程度好。但从整体来讲，第二种工况下受各流速的控 制操作起来具有一定难度，而第种工况下冰箱较易出现理想的温度分层。第二种工况
13、，相当r 实际太阳能热水系统中集热的阿时供热水的情况；第一种工况相当于实际太用能热水系统中白天集热晚上用热的情况。综合两种工况的实验分析，第一种工况较易实现水箱内的温度分层，第二种工况较难实现水箱内的韫度分层。33 工况3 的实验结果第二种工况为加热部分关闭，用户部分关闭，即一 翼豁了一、麓一一。艇。赫罐一蜀|一网髓一鋈嚣|鋈封一熏萄一一建筑热能通风空调实际太阳能热水系统集热完毕用热也完毕的工况，这时水箱的水处于静止状态水箱内各温区的不同温度层之间存在热扩散，各温区之间通过保温隔板存在导热，除此之外，承箱内的水还向环境散热宴验结果如图3 6 所示。t ：* ：- ： 夏：j 基墨兰嚣目蔓兰兰基
14、i 銎1一4 一J0：2：=：=：2：*：2ji自d目a6 月P H * 目，镕4 m * 古B H * 目目 m * 十女= 白勺m H 目口a 目图36 显示了在水箱静止1 2 小时后水箱内的温度分层情况可以很明显看出来，水箱内各个温医内温度分层明显，由于保温隔板的导热作用，使得各温区之问同一水平位置上的温度层的温度近似相等。4 水箱与环境的换热系数计算水箱由于存在温度分层，三个腔与环境的换热系牧并不相同，中温腔温度分层最明显也最稳定，所以选择中温腔来计算水箱与环境的换热系数h 口。自先将水箱里的水预热至7 l ，经过近1 8 个小时的静止，水箱与环境进行自然对流散热，水箱的中温区的温度变
15、化曲线如图4 1 所示。目4 1 g t 自# 女却十m 变* 目从图4 1 看出水箱底部温度下降最快顶部温度下降最慢，说明水箱底部易散热，与环境的换热系数大，顶部不易散热，与环境的换热系数小。所以选择了C h 2 8 和C h 2 2 温度层的温度变化，分别计算水箱底部和顶部与环境之间的按热系敬，计算结果分别如幽42 和d 一3 所示整个水箱与环境的换热系数升干两者之间，图中C h O l 代表r 环境温度。目42m # B ；# 月# # x 目目43 女* S g * 目# * 目从图中看出，水箱底部同环境问的换热系数经过一段时问后稳定在03 K J 到06K J 时C 之间，水箱顶部同环境间的换热系数经过一段时间后稳定在01 K J 耐到03K J d - 之问。相同环境温度和热阻下。说明水箱底部温度低，水箱顶部温度高遗也是由水箱内温度分层引起的。4 小结本文针对内置保温隔板的水箱、分别在不同I况下的温度分层情况做了大量实验，井相应地做r宴验结果分析与总结。一j戮避：=曩土一耵= ： I熏兰2 0 0 建筑热能通风空调2 0 0 9 年内置保温隔板有利于水箱温度分层，低温区中的低温水流向太阳能集热器，高温区的高温水流向热用户，中温区中温度分层最明显也最稳定。第二种工况相当于实际太阳
