热管式太阳能集热系统在郑州地区的供热特性研究

郑慧凡，田国记，李丹丹，黄晨茜，范晓伟

1 前言

我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的国土面积年日照量在2200 h以上，年辐射总量大约每年3340～8360 MJ/m2，相当于110～250 kg标准煤/m2。利用太阳能进行供热可以缓解日益紧张的能源危机，近年来，很多国内外学者对太阳能供热性能进行了大量研究，取得了许多卓有成效的研究成果。

国外Ayompe等对爱尔兰的柏林地区的热管式真空管太阳能集热装置进行了试验研究［1］；Hayek等在地中海地区建立了热管式真空管和全玻璃真空管太阳能集热器强制循环系统，并对2套系统进行了测试［2］；Budihardjo等通过试验得出系统组分的特性，并利用TRNSYS软件建立了预测真空管太阳能热水器的长期性能的数学模型［3］；Houri等在黎巴嫩对真空管太阳能集热器的热虹吸太阳能热水系统进行了热量测试［4］；Russo等分析了太阳能光伏与地源热泵联合供暖系统的寿命周期环境评价［5］；Busato等通过试验研究了太阳能辅助地源热泵系统在住宅或办公建筑中的运行性能，其系统供暖性能系数在3.0 以上［6］。

国内赵玉兰等对CPC热管式真空管太阳集热器进行了传热分析［7］；徐吉富等建立了二维数学模型，利用FLUENT软件模拟管内热量传递过程，并揭示其温度场和流场的分布规律［8］；肖红升等设计了一种新型的开放式热管真空管太阳高温集热器［9］；李宁等提出了适用于农牧区采暖的太阳能热泵采暖系统，分析了系统的经济效益、社会效益和环境效益［10］；周恩泽等设计建立了以热管式真空管太阳能热水器和水源热泵机组为热源的太阳能热泵地板辐射供暖系统试验台［11］。郝红等建立系统仿真模型，对太阳能燃气热泵供暖系统及余热回收进行了研究［12］。

综上所述，众多学者对热管式真空管集热器的研究多集中在吸收材料、集热器性能等方面，而对热管式真空管太阳能集热装置供热性能的模拟与试验的研究并不多见，因此，本研究基于EES软件，建立了热管式集热装置供热性能仿真模型，搭建了热管式真空管太阳能集热装置热性能测试平台，研究了太阳能集热热水温度、集热效率、供热性能、贡献率等参数的变化规律，为太阳能光供热在郑州地区的推广应用奠定了理论基础。

2 模型的建立

太阳能集热系统由热管式真空管太阳能集热装置，储热水箱，循环水泵等组成。本文基于EES软件，设计并编写了热管式真空管太阳能集热系统仿真程序。输入参数包括：热管式真空管集热器结构尺寸、太阳能逐时辐射强度、室外环境温度、初始水温、水量等参数；输出参数包括：集热量、集热效率、集热装置逐时出口水温参数等。

集热器效率定义为 ：

式中 （τα）e——有效透射率与吸收率的乘积

UL——集热器总热损失系数

Tp1——吸热板温度,℃

Ta——环境温度,℃

G ——太阳逐时辐射强度,W/m2

太阳能集热量：

式中 Qu——集热器集热量,W

A——集热器有效面积,m2

集热器出口水温：

式中 m——水箱内水的质量,kg

Cp——水的比热容 ,J/（kg·K）

V——水箱容积，m3

Tin，Tout——集热器进出口水温 ,℃

模型所用其他公式详见参考文献［13］。热管式真空管太阳能集热系统仿真计算流程如图1所示。

图1 仿真计算程序流程

3 试验装置及结果分析

3.1 太阳能集热装置试验系统

太阳能集热装置主要由热管式真空管太阳能集热循环系统，数据测量、采集系统等部分组成，如图2所示。

图2 太阳能集热试验装置示意

热管式真空管太阳能集热循环系统中集热器共5组，每组采用16支热管式真空管，热管式真空管外形尺寸为Φ100 mm× 2000 mm，总采光面积为15.5 m2，水箱容积650 L，正南方向布置，倾角为45°。

数据测量、采集系统，主要测量了太阳辐射强度、室外环境温度、集热水温、水量等参数，其中水温的测量选用PT100型铂电阻，范围为-20～500℃，精度为0.2级，输出4～20 mA信号，分别在储热水箱纵向均匀布置3个（T7,T8，T9）温度测点及水箱进出口（T6，T1）各一个测温点，每组集热器的进出口（T2～T5）各一个测温点，测点布置参见图2；水量的测量采用横河AXFA14G/C型电磁流量计；太阳辐射强度和室外环境温度的测量及采集选用TBQ-2型太阳辐射仪，其灵敏度系数为 10.94 mV/（kW·m2），量程0～2000 W/m2，精度等级±2%。试验中采用的测量仪器使用前均经过校正和标定。所有温度、流量信号均由2700型Keithley数字万用表进行自动采集。

3.2 结果分析

为了验证所建仿真模型的准确性，将试验数据与模拟数据的逐时水温变化进行了对比，如图3所示。由图可知，水温的模拟计算结果与试验结果变化趋势相同，最大偏差为6.1%，平均偏差为4.3%，模拟计算结果与试验结果吻合较好。

图3 试验值和模拟值对比

结合郑州地区典型日气象参数［14］（当月太阳辐射值最大日作为典型日），程序计算中太阳辐射值取集热器装置以当地纬度角度倾斜布置时的平均辐射值。

图4，5给出了典型日辐射强度和集热量的逐时变化。由图4，5可知，太阳辐射强度和集热量随时刻变化先上升后下降，2015年12月28日辐射强度最低、集热器集热量较少，分别可达508.3 W/m2和4.31 kW；2016年3月14日辐射强度和集热量最高，可分别达811.1 W/m2和8.02 kW；各典型日辐射强度及集热量最大值出现在12:00-14:00之间。

图4 典型日逐时辐射强度

图5 典型日集热器逐时集热量

图6 ，7所示为室外环境温度和水温的变化曲线。由图可知，逐时环境温度和水温均先上升后下降，室外温度2016年1月27日最低，同年3月14日偏高，最高温度达9.7℃；水温温升2015年12月25日达37.9℃、最高温度可达53.9℃，2016年3月14日温升达58.4℃、最高温度可达82.7℃。各典型日室外温度及水温最高出现在15:00-16:00之间。

图6 室外温度随时刻的变化

图7 水温随时刻的变化

图8 给出了典型日集热效率的逐时变化。由图可知，各典型日集热效率在9:00-11:00间上升较快，究其原因为该时间段内水箱温升较快，水温越低集热效率越高；12:00之后各典型日的集热效率平缓降低。2016年3月14日达到最大值0.62，集热效率最小值出现在2015年12月28日，达0.33。

图8 典型日逐时集热效率

根据郑州地区2015年11月～2016年3月份的气象条件，将热管式真空管太阳能集热装置对郑州地区某200 m2别墅供暖。分析了各月份的月平均贡献率（太阳能集热系统提供热量与建筑物所需热量的比值，建筑所需热负荷详见文献［13］）如图9所示。

图9 太阳能月供暖贡献率

由图可知，2015年11月～2016年3月期间，各月平均贡献率在40%～78%之间波动，平均值为54%，最大值出现在2016年3月份达到78%，最小值出现在2015年12月份达到40%。

4 结论

本研究基于EES软件，建立了热管式集热装置供热性能仿真模型，搭建了热管式真空管太阳能集热装置热性能测试平台，分析了太阳能集热热水温度、集热效率、供热性能、贡献率等参数的变化规律，得出以下结论：

（1）2015年11月～2016年3月，在郑州地区典型气象条件下，太阳辐射强度和集热量随时刻均先上升后下降，2016年3月14日辐射强度和集热量最高，分别可达811.1W/m2和8.02kW。

（2）太阳能储热水箱内水温和集热效率随时刻先上升后下降，2016年3月14日室外温度偏高，最高温度为9.7℃；水温温升达58.4℃、最高温度可达82.7℃；集热效率2016年3月14日达到最大值0.62，最小值出现在2015年12月28日，为0.33。

（3）根据郑州地区2015年11月～2016年3月的气象条件，将热管式真空管太阳能集热装置为郑州地区某200 m2别墅供暖，该系统的月平均贡献率在40%～78%之间波动，平均值为54%，最大值达到78%。

［1］ Ayompe LM, Duffy A. Thermal performance analysis of a solar water heating system with heat pipe vacuatedtube collector using data from a field trial［J］. Solar Energy, 2013, 90:17-28.

［2］ Hayek M,Assaf J,Lteif W. Experimental investigation of the performance of evacuated- tube solar collectors under eastern mediterranean climatic conditions ［J］.Energy Procedia, 2011, 6: 618-626.

［3］ Budihardjo I, Morrison GL. Performance of water-In-glass evacuated tube solar water heaters［J］.Solar Energy, 2009, 83（1）:49-56.

［4］ Houri A,Salloum H,Ali A,et al.Quantification of energy produced from an evacuated tube water heater in a real setting［J］.Renewable Energy 2013,49:111-114.

［5］ Russo G,Anifantis AS,Verdiani G,et al.Environmental Analysis of Geothermal Heat Pump and LPG Greenhouse Heating Systems［J］.Biosystems Engineering,2014,127（1）:11-23.

［6］ Busato F,Lazzarin RM,Noro M.Two years of recorded data for a multisource heat pump system: a Performance analysis［J］.Applied Thermal Engineering,2013,57（1/2）:39-47.

［7］ 赵玉兰,张战栋,负海涛.CPC热管式真空管集热器的集热效率研究［J］.太阳能学报,2007,28（9）:1022-1025.

［8］ 徐吉富,朱跃钊，蒋金柱，等.太阳能真空管热管式集热管温度场及流场分析［J］.流体机械,2009,37（2）:61-64.

［9］ 肖红升,赵峰,季斌.开放式热管真空管太阳高温集热器设计及其传热性能试验研究［J］.太阳能学报 ,2013, 34（5）:814-820.

［10］ 李宁,崔增光,张信荣.内蒙古农牧地区太阳能热泵供暖系统应用研究［J］.内蒙古农业大学学报（自然科学版）,2015,36（1）:101-108.

［11］ 周恩泽,董华,涂爱民,等.太阳能热泵地板辐射供暖系统的实验研究［J］.流体机械,2006,34（4）:57-62.

［12］ 郝红，毛立功，李媛.太阳能燃气热泵供暖系统及余热回收分析［J］.流体机械,2015,43（12）:77-82.［13］ 李丹丹.太阳能喷射制冷系统集热特性仿真与实验［D］.郑州:中原工学院, 2015.

［14］ 中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集［M］.北京:中国建筑工业出版社,2005.