热管技术在太阳能地板辐射采暖中的应用

撖文辉

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

我国北方地区建筑以多层或单层建筑为主，其采暖形式主要为散热器或者地板辐射采暖。采用散热器采暖占据空间、室内温度不均匀，人体舒适度不佳、供水温度高且效率较低。采用塑料管地板辐射采暖，能有效解决以上问题，但由于塑料热阻较大，导热系数小，传热性能差，所以采用金属热管作为导热材料。太阳能作为一种可再生能源，在北方具有独特的地理优势，具有供给量大、可再生等一系列优点。同时，利用光热效应将太阳能转换成热能加以利用，是目前技术最成熟、成本最为低廉的太阳能利用方式。采用热管地板辐射采暖，除了具有塑料管辐射采暖的各种优点外，还具有很多塑料管不具有的特点。首先热管具有很高的导热性，是热的超导体，由于热管内为真空，热管在很低的温度下工作液体就可发生相变，导热速率快。其次热管具有很好的等温性，冷凝段温度基本一致。最后热管具有热流密度可变性，可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积，即以较小的加热面积输入热量，以较大的面积输出热量，或以大面积输入热量，而以小面积输出热量，从而改变热流密度。利用以上几个特点将其做成热管辐射板，太阳能集热器供给热媒水。

1 采暖系统构造

采暖系统热源来自太阳能集热器，水经集热器加热后流至电加热水箱，水箱内设有温控器，能自动调节水温。冬季在最寒冷月份，水温达不到设定要求的情况下，温控器会自动启动电加热器，加热水至设定温度。在天气较好的情况下，水温过高，超过辐射采暖温度要求，温控器会自动启动，进行补水调温至设定温度。到夜晚时，可关闭循环泵前的阀门，开启旁通阀门，这样回水不经过太阳能集热器直接进入电加热水箱加热。水箱设有液位计与泄水阀门，当液位超过设定液位时，可以开启泄水阀门。水经分水器至每个房间经热管散热器辐射采暖，散热后汇合至集水器，然后返回太阳能集热器进行加热。采暖系统图见图1。

图1 采暖系统图

2 太阳能集热器的选择

1)确定室内热负荷:

a.围护结构耗热量计算:

b.冷风渗透耗热量:

c.冷风侵入耗热量。Q3的计算公式与Q2相同，则室内的总热负荷为:

其中，Q4为室内得热量，为电器、人体等散热体散出的热量。

2)确定设计气象条件。太阳能集热器作为采暖热源时，在冬季运行时，环境气温一般取当地气温或最冷月平均气温，在2月份对于北方地区，太阳辐照度可取600 W/m2。

通过测试，太阳能集热器在冬季白天正常情况下，可将温水加热到40℃～50℃，完全满足采暖需求。

3 热管散热器性能测试

热管散热器采用φ20，壁厚δ=0.8 mm，长度L=1 000 mm的焊管。关于最佳充液量，Imura，Harada，Feldman等人做了大量试验，但结果都在18%～35%之间。经试验分析，如果充液量过小，会造成蒸汽不能有效的充满冷凝段，从而造成距离蒸发段较近的冷凝段壁温较高，较远的冷凝段壁温较低，从而造成热管冷热不均，增加热管的无效冷凝段。而充液量过大，第一会造成冷凝段空间过小，散热面积过小，从而减小了散热功率。第二充液量过大，热管相变导热变为部分相变导热和部分液体热传导导热，增加了热管内部热阻，使热管导热功率下降。实验得出充液量在30%时，热管传热功率较佳，所以取热管充液量为30%。热管结构地板图见图2。

图2 热管结构地板图

1)热管倾角试验。单根热管在不同的角度，其冷凝段壁面温度、传热功率、散热量都不相同。通过实验，测得热管在不同角度的壁面温度数据如下:从图3中可以看出，在供回水温度、充液量一定的情况下，冷凝段壁面温度随着倾角的减小而增大。这表明热管散热功率随着倾角的减小而不断增大。当热管垂直时，重力对工作液体的作用力最强，使得蒸汽及流体对热管冲刷距离最短，作用范围小，容易出现局部干涸现象，所以换热系数小，在蒸发段温度较低时，这时热管的顶部温度最低。当热管倾斜放置时，重力对工作介质的作用力逐渐减小，使得液体从蒸发段到冷凝段冲刷运动的频率加快，冲刷距离加大，热管内部扰动加强，因此换热系数较高，热管顶端的温度随即上升，热管壁面温度趋于均匀。倾角在30°左右时较佳，考虑到地板辐射采暖时地板厚度与房间空间较大，热管放置倾角不宜过大，倾角设于1°～2°左右。

图3 冷凝段平均温度随倾角的变化状况

图4 传热功率与蒸发段长度关系

2)热管蒸发段长度试验。从图4可以看出:a.充液量一定的热管，随着蒸发段长度的增加，壁面温度随之增加，但超过一定长度后，壁面温度会随之下降。b.随着蒸发段长度的增加，虽然蒸发段导入的热量增加，但冷凝段的长度随之减少，从而减少了散热面积，减小了传热功率。c.不同长度，不同充液量的热管其最佳蒸发段长度不尽相同。首先因为试验热管倾角较小，液体在热管内近似平铺于管内，蒸发段的长度直接导致了热管吸收热量的多少，充液量大则需较多热量蒸发，蒸发段长则冷凝段少，散热面积减小。充液量少，蒸发段短，冷凝段长会导致无效长度增加。对于充液量为30%，L=1 000 mm的热管，蒸发段长度为200 mm左右较佳。

图5 不同供水温度的热管壁面温度

3)供水温度试验。通过调节供水温度，测定充液量、蒸发段长度一定的热管壁面温度。从图5中可以看出:a.供水温度越高，壁面温度越高，传热功率越大。b.地板填充层的平均温度与恒温室内空气平均温度温差随着供水温度的提高而增大。c.供水温度过低，会造成室内温度偏低;而供水温度过高，又会造成能源浪费;当供水温度在40℃左右时，室内空气温度在20℃ ～22℃之间，达到室内冬季采暖要求。

所以，在冬季采暖期，在天气较好的情况下，如果太阳能集热器供水温度过高，则温控器会自动启动进行补水调节水温至40℃;而在天气不佳或者晚上没有太阳能的情况下，集热器供水温度不足时，电加热器启动，将水温加热至40℃。冷凝段散热翅片的利用。如果单采用热管冷凝段散热，填充层的平均温度与冷凝段的壁面温度有直接的关系，要增加填充层的平均温度，必须提高冷凝段的壁温或者增加冷凝段的散热面积。在前一种方式不易实现的情况下，在冷凝段加设散热翅片可以增加散热面积。增加传热面积是强化传热效果的有效途径之一，特别是在传热系数小的一侧采取强化传热效果特别有效，而在热管散热器外增加散热翅片或者采用外壁为螺纹管的热管都是增加传热面积的途径。在热管散热器外增加整体散热翅片以增加散热面积，对于翅片外的温度场可以通过建立数学模型模拟出散热翅片温度结果。

建立模型见图6。由于Ti，1，Ti，2，Ti，3，Ti，4与其他节点处于同一等温线上，温度相同，所以只要计算出这四点温度即可，将Ti，1看作管壁温度，Ti，4看作翅片表面温度。简单的将翅片表面分成三等分，四个温度点。翅片厚度为δ。

图6 翅片外温度场模型

建立热平衡式:

增加的翅片与周围填充层热量交换为:

由于增加了散热翅片，热管与填充层传热量增加Q，经过测试，填充层与地表温度都有明显上升。

试验测得地板表面温度与时间关系见图7。

图7 增加散热翅片后采暖参数的变化

从图7可以看出，热管经过一段工作时间后，地表温度趋于稳定状态，空气温度达到冬季室内采暖要求。增加散热翅片后地表温度与室内空气温度两项指标均有提高。

4 结语

本文通过理论分析与试验测量相结合的方法，测得了单点热管散热器采用不同的加热方法热管冷凝段壁温、填充层平均温度、地表温度与空气温度。通过理论分析了散热翅片的温度场的分布，试验测量了增加翅片后翅片表面温度、地表温度与空气温度。得出以下结论:

1)冬季采用太阳能在白天正常情况下，可以满足采暖要求。2)热管的倾角在2°比较合适。3)热管蒸发段长度不宜过长，对此热管，蒸发段取200 mm较佳。4)供水温度不宜过低或过高，取40℃左右较佳，室温能达到舒适性效果，而且能达到节能的目的。5)热管冷凝段采用散热翅片，能最大程度上提高散热功率，提高填充层温度与室内空气温度。

［1］ 田 琦.太阳能喷射制冷［M］.北京：北京科学出版社，2007.

［2］ 庄 俊，张 红.热管技术及其工程利用［M］.北京：化学工业出版社，2000.

［3］ 张 慧.热管地板辐射供暖基础理论研究［D］.天津：天津大学，2006.

［4］ 陶文铨.数值传热学［M］.西安：西安交通大学出版社，1988.

［5］ 刘志伟.圆形翅片导热效率［J］.辽宁石油化工大学学报，2005(6)：83-85.