真空管集热系统性能分析

太阳能系统能效检测与评价 暖通窀调HV&AC 2010年第40卷增翻 ·57·
全玻璃真空管集热系统热性能分析
浙江太阳能产品质量检验中心沈斌☆徐永锋居仁林
沈金俞韩雷涛朱宁佳
摘要对采用普通真空管、三高真空管、紫金真空管和三腔真空管的4种集热系统的热性
能进行试验研究，结果表明：三腔真空管集热系统日有用得热量高达9．85 MJ／m2，在20～50
℃低温段，温升较快，集热系统瞬时效率在0．30---0．45出现最多；在50---'100℃高温段，仍然
有较高的温升性能，集热系统瞬时效率大部分出现在0．05---0．20，三腔真空管集热系统具有较
好的热性能。
关键词 真空管集热系统热效率
0引言
自20世纪印年代全玻璃真空太阳集热管问
世以来，因其集热效率高、制造工艺简单、成本低、
安装方便等特点而广受推崇。现今，全玻璃真空管
镀膜和真空技术长足发展，真空管集热核心吸收膜
层也从当初的普通选择性吸收涂层发展到目前的
高吸收率的干涉性吸收涂层，试验测得吸收率提高
约10％左右，达到0．95以上，真空管也从普通管
发展到目前的三高管、紫金管及热性能更好的三腔
管。以真空管为集热元件的集热系统也在不断进
步，因真空管集热器、真空管分体式及阳台壁挂式
热水器能与建筑有机结合而成为太阳能利用行业
的热点。国内外对真空管膜层及由真空管组成的
各种集热器、热水器性能研究较多r1唷]，本文基于检
测中心齐全的检测设备，对采用不同种类真空管的
集热系统的热性能进行试验研究，分析不同种类集
热系统的热性能，优化参数设置，提高集热系统品
质。
1全玻璃真空管集热系统性能试验
1．1热性能试验
根据参考文献E6]对采用4种不同真空管的集
热系统热性能进行试验研究，并采用集热系统参数
统一的058 x 1 800 iYinl18管，储热水箱容水量采用
Ⅲ级精度电子秤实际测量，将4套集热系统放置同
一测试平台上，同一时间进行测试，从上午8：00～
16：00，经过8 h测试，测试结果如表1所示。
表1测试结果
为保证测量的准确性，测试系统中均采用高精
度测量仪器，其中测温探头精度为±0．1℃；高动
态性能测风传感器精度为±0．5 m／s；总辐射表灵
敏度为14．53肛VW叫m2。为比较4种集热系统热
性能的好坏，国标规定，用转化为17 MJ／mz的日
有用得热量进行评价，计算公式如下：
g一弛掣
(1)
郎为工质的比热容，这里采用水作为传热工
质，取为4
186．8J／(kg-℃)。4种集热系统日有
用得热量和水温均达到国家标准，另外总体上看三
腔管集热系统的热性能最好，其次为紫金管集热系
☆沈斌，男。1976年5月乍，工

程师
314400海宁市文苑南路146号
(0573)87801616。137********
E-mail：shenbin@haining．gov．cn·58·
2010年全国太阳能热利用学术论文集 太阳能系统能效检测与评价
统，普通管集热系统热性较差。为直观了解各个集
热单元吸热性能、分析集热系统集热性能，给出日
辐照度变化图及4种集热系统的贮水温度随累计
辐照量变化情况，如图l和2所示。
鼬
45
p
杂40
赠
茁35
薯
羹30
越
26
20
记录时刻
——环境温度
十辐照度
圈1 日辐照度与环境温度变化圈
累计辐Jl[1量／(M／矿)
：委蓉蠢事蓉簸鞣：藕麦辫糕鞔
圈2 4种集热系统低温段贮水箱瞬时
温度随累计辐照度变化
图1显示一天辐照度和环境温度的变化，中午
辐照度最大，然后随着太阳的西偏辐照度逐渐减
小，环境温度并不随辐照度减少而降低，而是继续
缓慢增加，只有当太阳落到地平线以下后才开始逐
渐减少，但是当辐照减少时，环境温度增加的幅度
是逐渐减少的。因此可以说明，环境湿度与日累计
辐照量成比例，因此分析贮水箱内的温度也应以累
计辐照量为参考，只要累计辐照量还在增加，曝晒
在太阳下的集热系统肯定会吸收热量。本文给出
了贮水箱瞬时温度与累计辐照量的关系图(见图
2)。从图2可知，随着累计辐照量的增加，4种集
热系统的温度均在上升，紫金管和三高管有较好的
低温吸热功能，曲线在20,--．,30℃上升较快，而三腔
管则在31℃后升温迅速，到37．5℃后温度超过其
他集热系统，从图2可以看出，总体上来说三腔管
集热性能好，但不能够反映集热系统温度高于50
℃后的性能，在此温度基础上第二天再次对集热系
统热性能进行试验，如图3所示。
景计辐照量／(射／虚产)
：：素鐾矗妻簪囊黎鼍竞 二：三喜射鬟謦馨§i§蕊魂
圈3四种集热系统高温段贮水箱瞬时
温度随累计辐照度变化
由图3可知，三腔真空管集热系统高温性能优
越，其次为紫金管集热系统，最差的是普通真空管
集热系统。三腔管集热系统因为其内部是三个玻
璃管组成，内管直径很小，在吸收相同热量的同时
能较快地把热量存储起来，减少热量损失，提高换
热效率。另外，与三腔集热单元配备的是相当大容
量的储热水箱，这样就使得其低温性能平稳而高温
性能优越，因此三腔管集热系统适用于高温端，在
大型供热工程、集热器和分体式热水器上能发挥最
佳性能。紫金管和三高管通过调整吸收膜层配比
提高其对太阳光的吸收率，减少高温时半球发射
率，达到提升集热系统热性能目的，使其具有较好
的中低温性能，因此适用于中低温使用条件，在小
户型供暖供热系统中能发

挥最佳优势。为较好地
分析集热系统热性能，给出了4种集热系统不同温
度段贮热水箱瞬时温度随累计辐照度变化瞬时效
率公式‘7]：
旷是
(2)
』■rJ▲，
其中Q。=c彤(玉一tr-1)
(3)
由式(2)，(3)计算得到4种集热系统热瞬时热
效率，在2天测试过程中，4种集热系统瞬时效率
飧出现概率如图4和图5所示。
图4中有些瞬时效率可能会高达0．7～0．9，
这不能代表整体水平，出现这种情况主要因为是极
不稳定的状态，试验开始阶段和结束阶段都会出现
这种现象，因此不可把此效率当成平均水平，应该
在很长一段时间内观察瞬时效率在何种范围内出
现得最多。由图4可以看出，水从20℃加热到50
℃过程中，4种集热系统瞬时热效率在0．30一．-0．45
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c三高真空管集热系统d菁通真空管集热系统
圈5卯一i00℃时4种集热系统瞬时效搴
80
出现次数最多，即集热系统的总体平均热效率也在
此范围内，经过计算，4种集热系统的平均热效率
分别为：42．30％，42．10％，39．80％和39．70％。
图5为4种集热系统高温段瞬时效率，平均热效率
大多出现在0．05"--0．20范围内，4种真空管型集
热系统高温段平均热效率分别为10．30％，
7．54％，7．28％和6．61％，比低温段平均热效率分
别下降了：32％，34．56％，32．52％和33．09％。
1．2结果分析
经过2天的试验研究，4种集热系统热性能结
果如表2所示。
表2
4种集热系统热性能结果
名称 日有用得热量／ z0～50 C平均 50～100℃平均
(MJ／m2)
集热效率／％ 集热效率／％
普通 7．89 39．7 6．61
三高 8．26 39．8 7．Z8
紫金 8．87 42．1 7．54
兰壁 !：墅 丝! !竺：!旦
从表2可知，三腔集热系统的日有用得热量高
达9．85Ⅶ／m2，高出国家标准值31．33％，且其在
20～50℃具有42．3％的平均热效率，即使在50～
i00℃时仍然有10．3％的平均热效率，具有较高性
能而备受关注。但是，其生产工艺较为复杂繁琐，鉴
于目前条件，尚未大规模流水线生产；另外紫金管、
三高管也有不俗的集热性能，其特殊选择性吸收膜
层可使吸收率高达0．95以上，但是此涂层的制作工
艺成本较普通管要高，且完成整个工艺时间要更长
(由于紫金管和三高管膜层中掺入了铜的物质，因为
铜膜的附着力比铝膜的附着力要小，随着使用时间
的增加，紫金管和三高管的热性能会比普通管有所
下降。由于该

试验周期较长，本文尚未完成该试验。
2总结
1)本文试验分析了同一天4种集热系统热性
能，三腔真空管集热系统热性能最优，日有用得热
量高达9．85 MJ／m2，20---50℃平均集热效率为
42．3％，50---100℃平均集热效率10．30％。
2)组装集热系统时须考虑系统的最终用途、
用户的热利用温度需求，然后根据需求考虑采用何
种集热单元才能发挥最佳功能，做到性价比最优。
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