陶瓷板太阳能集热器保温隔热设计及养殖水体升温试验

工厂化水产养殖是中国北方水产养殖的重要模式[1],因受季节限制，该养殖方式每年有4～6个月需要为水体升温[2-3]，而依靠燃煤锅炉升温,费用高达生产成本的1/3，且排放烟气会造成环境污染[3-6]。近年来，学界已有利用热泵技术对养殖水体升温的研究与应用报道[7-10]，但是单独利用热泵升温，仍存在电耗大和升温成本高等问题[11-12]。另有研究表明，利用太阳能进行养殖水体辅助升温，具有明显的节能优势[13-15]。目前，水体升温常用太阳能集热器主要为全玻璃真空管式和金属平板式[16-17]，虽然真空管式集热器的换热效率较高，但耐压(冻)性能差且安装和维护成本高，而金属板式集热器耐海水腐蚀性差、间接换热效率低且造价成本高[16-18]，因此，在养殖水体冬季升温工程中的应用受到限制。另有资料显示，相同安装面积时，陶瓷板太阳能集热器的有效采光面积分别是全玻璃真空管和金属平板集热器的1.3和1.1倍[19],且陶瓷板太阳能集热器抗压(冻)能力强、耐腐蚀、造价低，且易于安装，近年来，在水体升温工程中的应用受到诸多关注[18-20]。然而，因陶瓷板太阳能集热器不具保温隔热功能，其热效率受环境影响较大[19-20]。针对中国北方工厂化养殖水体升温技术需求，本研究团队前期进行了陶瓷板和真空管太阳能集热器对养殖水体升温效果的对比研究，结果表明，陶瓷板太阳能集热器对养殖水体的升温幅度与真空管集热器十分接近，具有替代真空管集热器的潜力，但存在热量流失的问题[21]。在此基础上，本研究中通过对比试验，探讨了有无保温隔热结构对陶瓷板太阳能集热器的水体升温和集热效果的影响，旨在为陶瓷板太阳能集热器在养殖水体升温工程中的应用提供设计依据。

1 集热器保温隔热设计

1.1 保温隔热设计方案

因平板太阳能集热器的热能损耗主要由周围空气对流换热和底部导热引起[16-17]，为避免陶瓷板集热器与外界空气及支架等直接接触，拟在其底部面和侧面配置保温隔热框架，并填充导热系数低的保温隔热材料；在集热器的采光面配置透光率高的盖板。综合考虑保温隔热效果和工程应用成本，保温隔热框架采用硬聚氯乙烯(PVC)板材，保温隔热材料为聚氨酯泡沫，集热器盖板选用聚碳酸酯(PC)板材且表面贴附一层四氟聚乙烯隔热膜(ETFE)。

1.2 保温隔热结构设计

本研究中选用的陶瓷板太阳能集热器规格为710 cm×710 cm，管口直径为26 mm,壁厚为3 mm，单板有效集热面积为0.49 m2。集热器保温隔热层的厚度计算公式[22]为

其中：δ为绝热层厚度(mm)；λ为绝热层导热系数[W/(m·K)]，聚氨酯泡沫的导热系数为0.024 W/(m·K)；[Q]为绝热层外表最大允许热损失量(常年允许，W/m2)；T0为管道或设备的外表面温度(℃)，取25 ℃；Ta为环境温度(℃)，取大连地区冬季最低气温-19 ℃；αs为绝热层外表面与周围空气的换热系数[W/(m2·K)]，取14.7 W/(m2·K)。

根据计算结果，选取聚氨酯泡沫绝热层厚度为20 mm。陶瓷板太阳能集热器的保温隔热结构原理及实物图如图1所示。

2 水体升温效果试验

2.1 材料

2.1.1 试验材料试验用海水取自大连市黑石礁附近海域，沙滤后备用。

2.1.2 试验系统陶瓷板太阳能集热器水体升温系统原理如图2所示。该系统主要由有保温隔热结构的陶瓷板太阳能集热器、无保温隔热结构的陶瓷板太阳能集热器、保温管道、保温水箱、水泵、温度传感器、流量控制阀和流量计等组成。两个相同规格的陶瓷板太阳能集热器(1为有保温隔热，9为无保温隔热)，通过保温管道并联安装在系统中，对保温水箱中的水体进行升温。两个集热器与水平屋面的夹角均为45°，集热器和保温水箱的进、出口分别安装温度传感器和流量计，在两个集热器中间安装辐射照度计，与水平屋面的夹角均为45°，通过数据线将各传感器与微机相连。试验时，保温水箱中的养殖用水以相同的流量通过水泵自下而上分别泵入两个集热器中，升温后的水体返回保温水箱中，继续进行循环升温，检测数据由微机记录并输出。

2.1.3 其他仪器设备电子温控仪(XMT-JK8)、太阳能辐射仪(TES-1333)、照度仪(TESTO-540)、转子流量计(60～600 L/h)和温度传感器Pt100(±0.1)℃。

2.2 方法

2.2.1 试验时间及指标测定试验于2018年5月1日—31日在大连海洋大学室外进行，试验期间大连地区气温为11～24 ℃，水体初始温度为(21.5±1)℃。

试验期间，每天8:00—16:00，由微机自动检测、记录和输出各监测点的温度、光照度和辐射照度等。其中，温度和光照度每5 min采集1次；太阳辐射照度每1 h采集1次。

2.2.2 水体升温试验

(1) 不同辐射照度下的水体升温试验。分别选择晴天(辐射照度200～1100 W/m2)和阴天(辐射照度200～600 W/m2)，流量设定为60 L/h，进行辐射照度对陶瓷板太阳能集热器水体升温效果的对比试验，分别测定有保温、无保温隔热结构的两种陶瓷板太阳能集热器进、出水温度，同时监测太阳光照度和辐射照度，计算升温幅度与得热量等。

(2) 不同流量下的水体升温试验。按实验室循环水养殖系统每天需要升温水体500～1000 L、太阳能集热器每天运行8 h，设定水体流量分别为60、100、120、140 L/h，在晴天天气下进行升温效果对比试验，相关指标测定与计算方法同上。

(3)不同保温隔热模式下的水体升温试验。选择有盖板与无盖板两种保温隔热模式(分别记为有盖和无盖)，以无保温隔热为对照，在晴天、流量为120 L/h条件下进行水体升温对比试验，相关指标测定与计算方法同上。

2.2.3 系统得热量计算试验期间，太阳能集热器的累积得热量由运行8 h内各个时间段得热量累计相加得到，得热量和日有用得热量计算公式[23]为

其中：q为太阳能集热器的得热量(MJ/m2)；c为水的比热[kJ/(kg·℃)]；m为升温水体质量(kg)；Δt为集热器5 min内进、出口水体温度差(℃)；q17为太阳辐射在17 MJ/m2条件下太阳能集热器的日有用得热量(MJ/m2)；cp为水的比热[kJ/(kg·℃)]；Ac为太阳能集热器面积(m2)；H为太阳能日累积辐照度(kJ/m2)，本试验中取8 h的累积辐射照度。

2.3 结果与分析

2.3.1 不同工况条件下太阳能集热器的水体升温效果不同天气(晴天和阴天)、流量为60 L/h条件下，有保温和无保温隔热结构的两种陶瓷板太阳能集热器水体升温效果如图3所示。从图3可见：晴天天气条件下，试验开始后，有、无保温隔热的集热器的水体升温幅度均随辐射照度的增加而提高，其中，有保温隔热的集热器水体升温幅度由8:00时的3.3 ℃升至11:00时的4.9 ℃，无保温隔热的集热器相应时间的升温幅度由1.2 ℃升至2.1 ℃；此后，随着辐射照度逐渐降低，两种集热器的水体升温幅度均呈递减趋势，但无保温隔热的集热器降幅明显；14：00和16:00时，有保温隔热的集热器水体升温幅度分别降至2.7 ℃和0.2 ℃，而无保温隔热集热器14:00后的水体升温幅度甚至出现负值，16：00时降至-0.4 ℃。从图3还可见：阴天天气条件下，因辐射照度较低，两种集热器的水体升温幅度均明显下降，8:00—16:00期间，有保温隔热的集热器升温幅度为0.1～1.6 ℃，而无保温隔热的集热器水体升温幅度一直为负值，最大降幅为3.7 ℃。

不同水体流量(60、100、140 L/h)、晴天天气条件下，有保温和无保温隔热结构的两种陶瓷板太阳能集热器的水体升温效果如图4所示。从图4可见：水体流量对陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度有明显影响，随流量的增加，两种保温隔热模式的集热器水体升温幅度均出现不同程度的降低；11:00时,当水体流量由60 L/h分别增至100、140 L/h时，有保温隔热的集热器水体升温幅度由4.9 ℃分别降至3.2 ℃和2.5 ℃，无保温隔热的集热器升温幅度分别由2.9 ℃降至2.5 ℃和1.2 ℃；14：00—16：00时段，因水体升温幅度总体较低，流量的影响有所减弱，当流量由60 L/h升至140 L/h时，有保温和无保温结构的两种集热器平均水体升温幅度分别降低0.5 ℃和1.1 ℃。

不同保温隔热模式(有盖和无盖)、水体流量为120 L/h条件下，有保温和无保温隔热结构的两种陶瓷板太阳能集热器的水体升温效果如图5所示。从图5可见：试验开始后，两种保温隔热模式的集热器水体升温幅度均随辐射照度的增加而提高，8:00—12:00期间，有盖板集热器的水体升温明显高于无盖板集热器(平均高出1.3 ℃)；午后期间，两者的水体升温幅度均随着辐射照度的下降而降低，但有盖板集热器的水体升温幅度总体高于后者；试验期间，无保温隔热集热器的水体升温幅度最低，分别比有盖板和无盖板集热器平均低1.5 ℃和1.1 ℃。

2.3.2 不同工况条件下太阳能集热器的得热量核算不同天气(晴天和阴天)、流量为60 L/h条件下，有保温和无保温隔热结构的两种陶瓷板太阳能集热器的累积得热量如图6(a)所示。从图6(a)可见：晴天天气条件下，有保温隔热的集热器累积得热量大幅增加，12：00时达到9.4 MJ/m2,之后累积得热量增幅趋势减弱，14：00和16:00时，累积得热量分别增至12.6、13.3 MJ/m2；对比发现，无保温隔热的集热器虽然在试验开始后的累积得热量亦呈递增趋势，但是明显低于有保温隔热的集热器，13:00时达到最大，为5.1 MJ/m2，之后呈递减趋势，14：00和16:00时分别降至5.0、4.1 MJ/m2。从图6(a)还可见：阴天天气条件下，两种集热器的累积得热量明显较低，有保温隔热结构的集热器在16:00时累积得热量为3.3 MJ/m2；而无保温隔热集热器的累积得热量始终为负值，10：00以后降幅明显，16：00时累积得热量为-8.9 MJ/m2。

从图7(a)可见，晴天和阴天天气时，有保温隔热结构的集热器日有用得热量q17分别为10.0、3.9 MJ/m2，均高于对应天气条件下无保温隔热的集热器(3.1、-10.4 MJ/m2)。

从图6(b)可见：不同流量、相同天气(晴天)条件下，陶瓷板太阳能集热器的累积得热量随水体流量的增加而增加；当水体流量由60 L/h分别增至100、140 L/h时，有保温隔热的集热器16:00时累积得热量由13.0 MJ/m2分别增至18.8、22.4 MJ/m2，而无保温隔热的集热器累积得热量则由9.1 MJ/m2分别增至13.1、13.8 MJ/m2。

从图7(b)可见：集热器的日有用得热量亦随流量的增加而增加；当水体流量由60 L/h分别增至100、140 L/h时，有保温隔热的集热器日有用得热量q17由11.8 MJ/m2分别增至12.3、16.7 MJ/m2，而无保温隔热的集热器日有用得热量则由8.2 MJ/m2分别增至8.6、10.3 MJ/m2。

从图6(c)可见：试验期间有盖板的保温隔热集热器累积得热量一直高于无盖板保温隔热集热器，而且两者均明显高于无保温隔热的集热器；13:00时有盖板(有保温)、无盖板(有保温)和无保温隔热的集热器累积得热量分别为12.2、10.7、5.0 MJ/m2，之后无保温隔热的集热器累积得热量出现明显递减趋势；16:00时三者的累积得热量分别为14.2、12.6、3.7 MJ/m2。

从图7(c)可见：有盖板保温隔热集热器的日有用得热量q17略高于无盖板保温隔热集热器，且两者都明显高于无保温隔热的集热器，有盖板(有保温)、无盖板(无保温)和无保温隔热集热器的日有用得热量q17分别为10.3、9.1、2.7 MJ/m2。

此外，由图6的累积得热量试验结果看出，不同工况条件下(除阴天无保温隔热的集热器外)，集热器的累积得热量几乎呈指数关系增加。累积得热量(GL)与试验时间(t)的回归模型及其相关系数计算结果如表1所示。

3 讨论

3.1 不同工况条件对有保温隔热结构太阳能集热器水体升温及集热效果的影响

本试验中，不同天气条件的试验结果表明，陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度和得热量不仅与辐射照度呈正相关，且受保温隔热的影响非常明显。晴天天气条件下，有保温隔热的集热器水体升温幅度大幅度高于无保温隔热的集热器，两者平均温差为2.3 ℃，最大温差为2.6 ℃，累积得热量前者比后者提高68.8%，特别是午后时段，无保温隔热的集热器出现散热，约造成18.4%的热量损失；阴天天气条件下，有保温隔热的集热器仍获得了1.6 ℃的最大升温幅度和3.3 MJ/m2的累积得热量，而无保温隔热的集热器一直处于散热状态，大约造成14.3 MJ/m2的热量流失。因为无保温隔热的集热器与周围空气的对流换热量，以及底部与支架的导热量损失比较大[16-17]，而有保温隔热的集热器虽然会造成约20%的透光率损失，但热量流失显著降低[24]。由回归模型(表1)和日有用得热量计算结果[图7(a)]也可证明，保温隔热更有利于陶瓷板太阳能集热器的水体升温和集热。

不同水体流量的试验结果表明，陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度与流量成反比，而得热量则随流量的增加而增加，但同等流量条件下，有保温隔热的集热器的水体升温幅度和得热量明显高于无保温隔热的集热器。当水体流量由60 L/h分别增至100、140 L/h时，有保温隔热的集热器最大水体升温幅度分别降低1.2 ℃和1.6 ℃，累积得热量分别提升5.8、9.5 MJ/m2；而对应流量条件下，无保温隔热集热器在下午时段的水体升温幅度甚至出现负值，其累积得热量增幅也明显低于有保温隔热的集热器。分析原因，主要是流量增加，水体与集热器的接触时间缩短，故升温幅度降低，而流量增加，单位时间内与集热器交换的水量增加，换热负荷增大，因此，累积得热量增加[25]，Hashim等[26]对平板集热器应用在太阳能热水系统的研究亦得出了同样结论。另一方面，随流量增加，水体的湍流程度增加，换热系数增加[24]，因此，无保温隔热的集热器向外散失的热量亦随之增加，这与赵会刚等[27]对陶瓷板太阳能集热器的计算流体力学分析结果一致，而且在高流量条件下，保温隔热对提升陶瓷板太阳能集热器的集热性能更有利。由回归模型(表1)和日有用得热量计算结果[图7(b)]可以得出同样结论。

不同保温隔热模式试验结果表明，有盖板和无盖板的保温隔热集热器水体升温幅度和得热量都明显高于无保温隔热的集热器，其中，有盖板的保温隔热集热器总体更优于无盖板的保温隔热集热器。特别是上午时段，有盖板的保温隔热集热器水体升温幅度明显高于无盖板的保温隔热集热器。主要是因为该时段太阳的辐射照度较高，盖板遮光作用的影响不明显，相反，因盖板阻隔了集热器表面与外界空气的对流换热[16-17],故水体升温和得热量更高；下午时段，因辐射照度降低，无盖板的保温隔热集热器采光效果更好，在一定程度上补偿了其对流换热损失[16-17],使二者的水体升温幅度差别缩小，但在该时段，有盖板的保温隔热集热器水体升温幅度仍然比后者平均高出0.2 ℃。由回归模型(表1)和日得热量计算结果[图7(c)]也可证明，有盖板的保温隔热集热器的集热性能优于无盖板的保温隔热集热器。

3.2 有保温隔热结构陶瓷板太阳能集热器在养殖领域的应用前景

综合分析试验结果可知，保温隔热结构对陶瓷板太阳能集热器的水体升温效果和得热量均有显著的提升作用。Carbonell等[28]研究同样证明，在寒冷条件下，有保温隔热的平板集热器的得热量明显高于无保温的集热器。从集热效果方面考虑，周燕等[18]研究指出，陶瓷板太阳能集热器在中午时段的单位面积吸光率比全玻璃真空管集热器高出30%，且集热稳定性也高于后者；另外有研究表明，在寒冷地区使用真空管式集热器可以改善太阳能集热器热量损失，但系统成本要高于其他集热器[29]；陈朝炳[30]进行了不同集热器水体升温对比试验，结果表明，在相同工况条件下，无保温隔热陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度与全玻璃真空管集热器接近，但日有用得热量略低于后者。本研究结果显示，有保温隔热结构陶瓷板集热器比无保温隔热陶瓷板集热器的水体升温幅度平均提高2.3 ℃，日有用得热量平均提高49.7%。因此，与全玻璃真空管集热器相比，有保温隔热的陶瓷平板式集热器不仅投资和维护成本较低，而且拥有较理想的水体升温幅度和集热效率。此外，严军等[20]对陶瓷板太阳能集热器与燃煤锅炉的能耗和经济性进行对比分析，指出日升温水量1.5 t时，陶瓷板太阳能集热器的年燃料费用和总费用分别比后者降低5.9万元和10.8万元。

综上所述，从升温幅度、集热效果和经济性能来看，有保温隔热结构的陶瓷平板太阳能集热器在中国北方工厂化水产养殖水体升温领域具有良好的应用前景，可以尝试将陶瓷板集热器与热泵系统集成应用，利用陶瓷板集热器辅助升温，减少因辐照度变化引起的升温稳定性差的问题，切实解决工业化水产养殖中水体升温问题[21]。

4 结论

本研究中通过对陶瓷板太阳能集热器保温隔热设计及水体升温试验，发现陶瓷板太阳能集热器的水体升温幅度和得热量不仅与太阳辐射照度和流量有关，而且明显受保温隔热结构的影响。保温隔热可显著提高集热器的水体升温效果和集热性能，且在高水体流量条件下采用保温隔热更有利于集热器集热，有盖板的保温隔热结构在水体升温效果和集热性能方面更优于无盖板的集热器。与传统的真空管太阳能集热器比较，保温隔热陶瓷板太阳能集热器用于养殖水体冬季辅助升温工程更具潜力。

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