空调用太阳能集热器适用性分析

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。

　　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　Q_ui为第i天单位面积太阳能集热器获得的有用能量，MJ/(m²·d)；H_i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;τ_ｒ,τ_ｓ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　Ｉ_ｂ(τ)为水平面上的太阳辐射直射辐照度, W/m²;Ｉ_ｂｍ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Ｉ_ｄ(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　Ｉ_θ(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;Ｉd_θ(τ)为倾斜面(集热面)上的太阳辐射散射辐照度, W/m²;Ｉ_ρθ(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;t_i为集热器进口工质温度,℃;ｔ_ａ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）