热管真空管太阳能集热器应用于乌鲁木齐地区集热性能的实验研究∗

张叶，齐典伟，邵宗义，沈向东

(1.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830049；2.同济大学机械与能源学院，上海201804；3.北京建筑大学供热供燃气通风及空调工程北京市重点实验室，北京100044)

0 引言

目前，新疆地区全年煤炭消费量在一次能源消费结构中所占的比重达72%以上，冬季工业和供热耗煤量占全年耗煤量的2/3以上，平均耗煤量在供暖季是国家标准的近2倍[1−3]．供暖季巨大的煤炭消费量不仅增加了污染物的排放量，加剧了环境污染，也使得大气污染呈季节性变化，在乌鲁木齐长达6个月的供暖季中极端污染天气时有发生．若应用清洁新能源和可再生能源对建筑进行供暖，不但可以改善我国能源结构多元化配置，也可以有效地缓解环境污染季节性变化的问题[4]．太阳能作为最为充沛的清洁能源，在建筑能源中受到了越来越多的重视．其中，太阳能供暖系统因具备较高的能量转换效率和相对较低的投资成本，具有巨大的环境效益、社会效益和经济效益[5−7]．在乌鲁木齐地区如能有效地将太阳能供暖技术加以利用，则能大幅度降低乌鲁木齐地区冬季建筑供暖能耗．

太阳能集热系统作为太阳能供暖系统主要热量来源，其选择是否合理直接影响系统供暖的稳定性．乌鲁木齐地区处于严寒地区，冬季温度最低可达-20◦C[8]，若在该地区冬季利用太阳能进行供暖，需要选择具有防冻性能的太阳能集热器，因此抗冻性较好的热管式真空管太阳能集热器在乌鲁木齐得以大量使用．但热管真空管太阳能集热器作为乌鲁木齐地区冬季供暖热源时，缺乏其传热特性和集热效率的相关研究数据．为此，本研究通过实验的方法对热管真空管太阳能集热器作为热源应用于乌鲁木齐供暖系统时的传热特性和集热效率进行了实验研究，以期为乌鲁木齐地区冬季利用太阳能进行供暖的实际应用和太阳能供暖系统的设计提供基础数据．

1 太阳能集热器集热性能分析

1.1 热管真空管太阳能集热器构造

本研究所用热管真空管太阳能集热器构造如图1(a)所示．每组集热器包括16根热管真空管和连集管、导热块、隔热材料、保温盒等，见图1(b)所示；单根热管真空管如图1(c)所示，每一根热管真空管通过导热块连接在连集管[9]．

图1 热管真空管太阳能集热器结构示意图

1.2 太阳能集热器的传热过程分析

当热管真空管集热器接收到太阳辐射时，每一根热管真空管会将太阳辐射能转换为热能并通过热管将热量传递给连集管内的传热媒体（本研究中为质量浓度70%的丙二醇防冻液），使得连集管内的传热媒体逐步升温，最终将热量传递到辐射供暖末端．根据能量守恒定律，热管真空管太阳能集热器在单位时间内得到的有用能量为集热器吸收的太阳辐射能和向周围环境损失热量之间的差值，即

式中，QU是单位时间内集热器输出的有用能量；QS是相同时间段内集热器接收的太阳辐射能量；QL是相同时间段内集热器损失的总热量，单位都为W．

太阳能集热器的集热效率被定义为集热器输出的有用功率与投射到集热器上太阳辐射功率之比[10]，即

式中，η是太阳能集热器的集热效率；G是太阳辐射强度，W/m2；Ap是集热器吸热板面积，m2．

如果用集热器连集管工质进口温度Ti表示热管真空管集热器的瞬时效率方程，则有[10]

式中，AS是集热器的采光面积，m2；Ti是集热器连集管工质进口温度；FR称为集热器热转移因子，其物理意义是集热器实际的有用能量与假想吸热板温度为工质进口温度时的有用能量之比．

从式（3）可以看出热管真空管太阳能集热器的效率和太阳辐射强度、室外温度以及热转移因子密切相关，而热管真空管的热转移因子和集热器工质流量相关，因此有必要通过实验重点分析和研究乌鲁木齐地区冬季供暖期室外气象条件（太阳辐射强度、室外干球温度、风速等参数）、集热器工质进口温度、不同太阳能集热器面积等因素变化对热管真空管式太阳能集热器综合集热效率、工质出口温度等参数的影响规律．为此本研究制定了相关实验方案，对热管真空管太阳能集热器的性能进行研究．

2 实验方案及测试

2.1 实验方案

根据上述分析，为了掌握乌鲁木齐冬季热管真空管太阳能集热器热性能变化规律，实验方案见表1．

表1 太阳能集热器性能实验工况

重点对以下因素及其影响规律进行考察：（1）太阳辐射强度一定和太阳能集热器面积一定时，集热器工质流量变化对热管真空管太阳能集热器集热量和热管真空管太阳能集热器出口工质温度的影响规律（工况1）；（2）太阳辐射强度一定、热管真空管太阳能集热器工质进口温度与集热器工质流量一定时，室外空气温度变化对热管真空管太阳能集热器工质出口温度的影响（工况2）；（3）其他条件一定，太阳日总辐射强度变化对集热器工质出口温度的影响（工况3）．

2.2 测试仪器及数据采集

实验台采用本实验室已有的太阳能相变蓄热实验台[11]．室外太阳辐射强度采用锦州阳光太阳总辐射测量仪（TBQ-2A）测量，测量范围0∼2 000 W，精度±5%，实验过程中将总辐射仪朝南向50˚放置，倾斜角与集热器倾角相同．室外温度数据由PTS-3环境温度测试仪测试，测量范围-50◦C∼+80◦C，精度±0.1◦C．室外风速风向由EC-9S-9X进行测量，测量范围风速0∼70 m/s，精度±(0.3+0.03V)m/s，风向0∼360˚，精度±0.5◦．太阳能集热器进出口温度采用测量精度较高的铠装铂电阻PT100进行测量，测量之前进行了标定，测温精度±0.1˚C．太阳能集热器热媒流量采用型号为LDE-20电磁流量计（测量精度±0.5%）．所有数据采集时间间隔为300 s．

3 实验结果分析

3.1 集热器工质流量变化对热管真空管太阳能集热器热工性能的影响（工况1）

为了探究集热器工质流量变化对热管真空管太阳能集热器热工性能的影响，本研究以表1中工况1为实验条件进行实验，实验结果如图2所示．

从图2可以看出在基本相同的太阳辐射强度下，随着集热器工质流量的增加，集热器工质出口温度不断下降，进出口温差逐渐减小，当工质体积流量为0.2 m3/h时，集热器工质进出口温差可以达到10˚C，工质体积流量增加至0.4 m3/h时，集热器工质进出口温差仅为5.5˚C左右，工质体积流量为1.0 m3/h时，集热器工质进出口温差仅为2˚C．这是因为当室外太阳辐射强度一定时，热管真空管太阳能集热器的有效集热量基本确定，增大体积流量，必然会导致集热器工质出口温度的下降．同时根据前述热管真空管太阳能集热器的传热过程分析，如果集热器工质体积流量大，热管真空管太阳能集热器工质出口温度偏低，会使得太阳能集热系统有效供暖时间变短．

太阳能集热器系统作为房间供暖热量的来源，必然需要一定的温差作为循环推动力，因此根据实验结果可以得出热管真空管太阳能集热器的最佳工质体积流量应控制在0.2∼0.3 m3/h，以保证工质进出口温度差在7∼10˚C之间．

3.2 室外空气温度变化对热管真空管太阳能集热器热工性能的影响（工况2）

图3展示了室外空气温度变化对热管真空管太阳能集热器热工性能的影响，实验条件如表1中工况2．

图2 工况1集热器流量对集热器工质出口温度和集热量的影响

图3 工况2不同室外温度集热器出口温度和集热量的变化规律

从图3可以看出在瞬时太阳辐射强度一定，集热器工质进口温度一定，集热器工质体积流量一定时，室外温度的变化对于集热器出口温度的影响并不大，太阳辐射强度500 W/m2时，室外温度分别为-8˚C和2˚C时，热管真空管太阳能集热器工质出口温度分别为35.2˚C和36.1˚C，热管真空管太阳能集热器的瞬时集热量分别为966 W和1 144 W，随室外温度的增加瞬时集热量仅有小幅度增加．这是因为当太阳辐射强度一定时，室外温度越高，则热管真空管内部的吸热板向周围环境的散热损失会越小，因此热管真空管太阳能集热器的瞬时集热量也会有所增加．

因此通过工况2实验可以得出在同一太阳辐射强度下，集热器工质进口温度一定，集热器工质体积流量一定时，冬季室外温度的变化对于热管真空管太阳能集热器工质出口温度的影响并不大，仅集热器的瞬时集热量会随着室外温度的升高有小幅增加．

3.3 太阳日总辐射强度变化对热管真空管太阳能集热器热工性能的影响（工况3）

工况3实验主要分析热管真空管太阳能集热器集热面积8 m2，集热器工质体积流量0.2 m3/h，地板辐射供暖系统末端盘管内热水体积流量0.2 m3/h．太阳日辐射强度较高的晴好天气、太阳日辐射强度中等的一般天气、太阳日辐射强度偏低的多云天气，利用太阳能供暖，热管真空管太阳能集热器工质进出口温度的变化趋势，实验结果整理如图4所示．

从图4可以看出，热管真空管太阳能集热器有效集热量随太阳辐射强度增大呈线性增加趋势，太阳辐射强度为7.2MJ/(m2·d)、13.8MJ/(m2·d)和21MJ/(m2·d)时，对应集热器工质出口最高温度分别40˚C、46˚C、56˚C，对应热管真空管太阳能集热器单位面积有效集热量2.7 MJ/m2、5.28 MJ/m2、8.16 MJ/m2．单位面积热管真空管太阳能集热器的有效集热量也随太阳辐射强度的增大线性增加．

从工况3的实验结果看出在乌鲁木齐冬季不同室外太阳辐射强度下，热管真空管太阳能集热器的有效集热量及集热器工质出口可以达到的最高温度和热管真空管太阳能集热器工质出口温度的变化情况．

3.4 太阳能集热系统的平均效率

为了更好的了解热管真空管太阳能集热器在乌鲁木齐地区整个供暖季的集热性能，笔者根据2012年至2014年冬季期间大量的实验数据，采用最小二乘法拟合出热管真空管太阳能集热器作为供暖热源时的平均效率．从实验测试结果中选取室外风速＜2m/s时，集热器工质进出口温度、集热器工质流量、室外温度、太阳辐射强度以及对应的热管真空管太阳能集热器采光面积一系列的测试数据，然后根据式（4）分别计算出以采光面积和集热器工质进口温度为参考的归一化温差T∗[9]，并画在如图5所示的由集热器效率和归一化温差组成的坐标系中，用最小二乘法拟合可以得到热管真空管集热器作为乌鲁木齐地区冬季供暖热源时其平均效率方程的线性表达式．

式中，是以太阳能集热器工质进口温度为参考的归一化温差，是实验期间室外平均温度．

通过图5回归结果可得出在乌鲁木齐冬季低温条件下，热管真空管太阳能集热器的集热器效率为

图4 相同太阳辐射强度太阳能集热器的有效集热量及集热器出口最高温度

图5 集热器平均效率曲线

从以上实验结果回归分析可以得出在乌鲁木齐冬季应用热管真空管太阳能集热器进行供暖，热管真空管太阳能集热器的平均效率高达45%．

4 结论

根据实验研究得出以下结论：

（1）室外气象条件一定、集热器工质流量一定，集热器集热面积越大，热管真空管太阳能集热器工质出口温度越高；

（2）太阳辐射强度一定、太阳能集热器面积一定，热管真空管太阳能集热器工质体积流量从0.2 m3/h到1.0 m3/h变化时，热管真空管太阳能集热器的瞬时集热量并没有发生显著变化，但热管真空管太阳能集热器工质出口温度随流量的增加而降低，通过实验可知热管真空管太阳能集热器最佳工质体积流量为0.2 m3/h；

（3）太阳辐射强度一定，热管真空管太阳能集热器工质进口温度与集热器工质流量一定，室外温度变化对于热管真空管太阳能集热器工质出口温度的影响并不大，仅热管真空管太阳能集热器的瞬时集热量会随着室外温度的升高有小幅增加；

（4）其他条件一定，热管真空管太阳能集热器有效集热量随太阳辐射强度增大呈线性增加趋势，供暖期间热管真空管太阳能集热器工质出口温度最高可达60˚C以上；太阳辐射强度为7.2 MJ/(m2·d)、13.8 MJ/(m2·d)和21 MJ/(m2·d)时，对应集热器工质出口最高温度分别40˚C、46˚C、56˚C，对应热管真空管太阳能集热器单位面积有效集热量2.7 MJ/m2、5.28 MJ/m2、8.16 MJ/m2．

（5）通过大量的实验实测结果通过最小二乘法进行回归分析可以得出在冬季，热管真空管太阳能集热器的平均效率高达45%．

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2014.

[2]张利,雷军,张小雷.1952年—2008年新疆能源消费的碳排放变化及其影响因素分析[J].资源科学,2012,34(1):42-49.

[3]冉启英,李莉.能源消费与经济增长的协整分析:以新疆为例[J].特区经济,2013(1):111-112.

[4]江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调,2005,35(5):30-40.

[5]何梓年.太阳能热利用与建筑结合技术讲座(一)太阳能在建筑中应用概述[J].可再生能源,2005,23(1):71-73.

[6]何梓年.太阳能热利用与建筑结合技术讲座(六):太阳能在建筑中应用的前景[J].可再生能源,2005,23(6):84-86.

[7]何梓年.太阳能热利用与建筑结合技术讲座(三)太阳能采暖系统[J].可再生能源,2005,23(3):85-88.

[8]建设部.民用建筑热工设计规范(GB50176—93)[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[9]何梓年,李炜,朱敦智.热管式真空管太阳能集热器及其应用[M].北京:化学工业出版社,2011.

[10]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟(第2版)[M].西安:西北工业大学出版社,2004.

[11]ZHANG Ye,CHEN Chao,JIANG W W,et al.Experiment research on thermal performance of solar energy-phase change storage-f l oor radiant heating combine-system in Urumqi China[C].Calgary Canada:7th International Cold Climate HVAC Conference,2012:101-108.