全玻璃真空管太阳能阵列供暖系统性能试验

李金平，孔 莹，许 哲，司泽田

（1. 兰州理工大学西部能源与环境研究中心，兰州 730050；2. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，兰州 730050；3. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点试验室，兰州 730050）

全玻璃真空管太阳能阵列供暖系统性能试验

李金平，孔 莹，许 哲，司泽田

（1. 兰州理工大学西部能源与环境研究中心，兰州 730050；2. 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心，兰州 730050；3. 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点试验室，兰州 730050）

为了研究实际工况下全玻璃真空管太阳能集热器系统的动态供暖性能，通过试验研究和理论分析得出了储热水箱总热损系数、太阳能集热器阵列集热效率的回归方程以及系统太阳能利用率的计算公式，结果表明：2015年11月24日至2015年12月5日，储热水箱总热损系数为25.82～31.53 W/℃，全玻璃真空管太阳能集热器阵列的集热效率为38%～72%。以2015年11月30日为例，系统的太阳能利用率为37.1%，太阳能集热器所收集的热量仅有54.6%被利用，系统热损过大。通过对比系统供热量和建筑逐时耗热量发现：在供暖期间，系统所提供的热量远大于该段时间的建筑耗热量，特别是在供暖初期，供热量达到了该时段建筑耗热量的10倍以上，供热量和供暖时间过于集中；针对此问题提出了单户太阳能供暖系统运行策略的改进建议。

太阳能；热损；建筑；全玻璃真空管太阳能集热器供暖系统；低温地板辐射采暖

0 引 言

西北地区普遍处在严寒地区，冬季采暖期长达5～6个月，农村住宅建筑冬季采暖能耗在建筑总能耗中所占的比例很大[1]，但同时西北地区太阳能资源丰富，充分的利用太阳能来满足农户冬季采暖需求具有重要的节能与环保意义[2]。

为了利用太阳能来满足用户冬季的采暖需求，国内外学者对太阳能供暖技术做了大量的研究。Rekstad等[3]发现主动式供暖能耗比空气-水源热泵供暖能耗低15%～20%。Yu等[4]提出了一种用于建筑供暖、包括被动式和主动式双重功能的太阳能空气集热系统，发现南向的房间采用被动式采暖、北向的房间采用主动式采暖时，室内平均温度可达到17 ℃。Mehdaoui等[5]提出了一种太阳能供暖系统，并对系统的设计参数进行了优化。Chung等[6]对带有跨季储热装置的太阳能集中供热系统的热性能和经济性进行了预测。Ren等[7]提出了一种用于太阳能供暖系统的新型辐射末端装置，通过建立三维模型分析了其供暖性能，当供暖温度为30 ℃时，供热管道末端散热功率为每米50 W，室内温度可达22 ℃。Lundh等[8]研究了为50户建筑供暖的太阳能供热系统，发现由于储热水箱太小，储热水箱的热损达到了储热量的40%。在国内，王岳人等[9]动态模拟了建筑全年的供暖能耗。赵薇等[10]设计搭建了一种太阳能-低温热管地板辐射采暖系统，室内温度能够达到22 ℃。李宏燕等[11]利用太阳能地板辐射供暖系统向室内供暖，可维持室内平均温度高于环境平均温度12 ℃。崔成辽等[12]搭建了太阳能和电锅炉相结合的地板辐射供暖系统，试验结果显示，在房间供暖负荷中，太阳能供热量占到80%左右，此系统能够满足房间冬季供暖需求。李金平等[13-15]针对基于太阳能采暖系统的农村绿色建筑的供能问题进行了相关的理论和试验研究。

全玻璃真空管太阳能集热器在建筑采暖中有着广阔的应用空间，国内外许多学者对全玻璃真空管太阳能集热器进行了多方面的研究[16]。Daghigh等[17]建立了全玻璃真空管太阳能集热器热力学和火用分析的热力模型，并进行了试验研究，得到了热水负荷与系统性能之间的直接关系，发现系统的火用效率随着时间的推移而提高。Budihardjo等[18-19]研究了自然循环的全玻璃真空管集热器循环水流量的影响因素，发现循环水流量与集热器接收的太阳辐射强度、水箱温度、集热器倾角及真空管的高宽比有关。Budillarolzo[20]对全玻璃真空管太阳能集热器内自然对流流场进行了CFD模拟和试验测量。Kim等[21]研究了真空管内部结构对集热器热效率的影响。Mazarrón等[22]研究了真空管太阳能集热器在不同水箱温度的情况下供暖的可行性。Gao等[23]对全玻璃真空管集热器与U型真空管集热器的集热效率进行了对比分析。本团队构建了全玻璃真空管太阳能集热器与燃煤锅炉互补的供暖系统，该系统2014―2016年连续2个采暖季的太阳能替代煤炭的能源替代率分别达到了64.6%～82.6%，整个采暖季室内的平均温度达到14 ℃左右，采暖效果非常好[24-25]。

现有太阳能采暖研究集中在整个采暖期系统的供暖性能和全玻璃真空管太阳能集热器集热效率的影响因素上，几乎没有关于实际供暖运行策略对单体建筑太阳能采暖系统某一日逐时动态供暖性能的影响方面的研究。相同的太阳能采暖系统在不同的运行策略下所提供的供暖效果差异很大。且太阳能采暖系统具有不同于传统采暖系统的特点——供能不稳定和集热面积有限，且系统的集热高峰期往往与建筑的耗热量高峰期相错开。针对这个问题，本文在团队前期[24-25]研究的基础上，对甘肃省民勤县所构建的全玻璃真空管太阳能采暖系统进行了更加深入的研究，通过理论和试验研究了实际运行方式下系统的动态供暖性能，并提出了改进建议。

1 试 验

1.1 试验对象

本文以甘肃省民勤县张麻新村搭建的一套由6组竖管式全玻璃真空管太阳能集热器串联组成的阵列供暖系统作为试验对象。每组集热器主要由40支φ58×L1800全玻璃真空管和一个400 L储热水箱组成，采光面积约为3.85 m2，全玻璃真空管太阳能集热器阵列的总采光面积约为23.1 m2，集热器方位角为南偏西约40°，集热平面与水平面夹角45°。阵列的供暖对象为一座单体单层建筑，建筑占地面积为117 m2，住宅面积103 m2，层高2.8 m，实际供暖面积87 m2，包括一间客厅和三间卧室。建筑外层采用聚苯板保温，使用低温地板采暖，室内布局如图1所示。图2为太阳能采暖系统示意图，系统的运行策略为：每日17:30～23:00为供暖时间，在此期间，控制系统控制供暖水泵每运行8 min停止5 min。

图1 建筑平面布置和尺寸图Fig.1 Building layout and dimension drawings

图2 采暖系统示意图Fig.2 Schematic diagram of heating system

1.2 测量参数与仪器

本文对太阳辐照度、环境温度、室外风速、供暖流量、储热水箱温度、供暖进出口温度等参数进行了测量，所有测量参数均由Agilent 34970A数据采集仪自动采集和记录，自动采集和记录间隔为10 s。测试期为2015年11月24日至2015年12月5日，该段时间太阳能系统独立供暖，无燃煤锅炉辅助。表1给出了测量参数和测量仪器的相关信息。

表1 测量仪器的型号及技术参数Table 1 Types and technical parameters of measure instruments

1.3 计算方法

全玻璃真空管太阳能集热器阵列供暖时，储热水箱的水在供暖水泵的驱动下，通过低温地板给室内供暖。全玻璃真空管太阳能集热器阵列吸收的太阳能一部分给室内供暖，另一部分通过储热水箱和室外管道损失到了环境中。由于管道的保温措施良好且管道的外表面积与储热水箱的外表面积相比很小，因此本文研究时忽略了管道热损失，只考虑储热水箱的热损失。

太阳能供暖系统的能量平衡式如下：

式中qu为集热器阵列集热功率，W；ηc为集热器阵列效率；A0为集热器阵列的采光面积，m2；IT为集热器阵列采光平面上单位面积所接收的瞬时太阳辐射强度，W/m2；L为储热水箱通过地热盘管供暖的热功率，W；(mCp)s为储热水箱中水的质量与比热容的乘积，即储热水箱中水的总热容，J/℃；dTtank/dτ为水箱温度随时间的变化率，℃/s；(UA)s为储热水箱的热损系数与水箱表面积总和的乘积，即储热水箱的总热损系数，W/℃；Ttank为储热水箱的温度，℃；Tamb为环境温度，℃；(mCp)L为系统循环管路中的水的质量流量与水的比热容的乘积，W/℃；Tf,o为集热器阵列的出口流体温度，℃；Tf,i为集热器阵列的进口流体温度，℃。

1.3.1 储热水箱总热损系数

当夜间系统不供暖时，储热水箱处在自然散热的状态，其能量平衡方程如下：

对上式进行整理可得关于时间段τ的函数：

显然，储热水箱总热损系数(UA)s是该函数的斜率。

1.3.2 全玻璃真空管太阳能集热器阵列集热效率

当系统只集热不供暖时，其能量平衡方程如下：

对上式进行整理可得关于集热器阵列采光平面上所接受的总的太阳辐射能IT的函数：

全玻璃真空管太阳能集热器阵列的集热效率ηc为该函数的斜率。

1.3.3 系统的太阳能利用率

由式（1）可得集热器阵列的日平均效率ηc为

式中ηc为集热器阵列的日平均效率；Δt为数据采集的时间间隔，s；n为日照时长，h；IT为日平均太阳辐射强度，W/m2；ΔTtank为储热水箱全天24 h周期的起始温度差，℃。

集热器阵列的日平均集热效率仅仅表示了某日太阳能集热器阵列将太阳能转化为热能的能力，但由于其中一部分热能会以热损的形式散失到环境中，因而无法表征究竟有多少太阳能被太阳能供暖系统所利用，因此定义太阳能供暖系统的太阳能利用率为

由式（6）和式（7）可以看出：φ<ηc，图3表示了集热器阵列日平均集热效率ηc与太阳能供暖系统的太阳能利用率φ之间的关系。

图3 集热器阵列的日平均效率与系统的太阳能利用率的关系示意图Fig.3 Relationship between collection efficiency of solar collection array and solar energy utilization

1.3.4 建筑逐时耗热量

为了研究冬季建筑耗热量随时间的变化规律，进而研究太阳能采暖系统的运行策略，本文引入建筑逐时耗热量的计算。建筑逐时耗热量即按小时计算的建筑耗热量，室外计算温度取某小时的室外平均温度，室内计算温度取14 ℃[26]。

对《太阳能供热采暖工程技术规范》[27]中的冬季采暖耗热量的公式进行修改，提出建筑的逐时耗热量计算公式

式中(qH)j、(qHT)j、(qINF)j、(qIH)j分别为某一天中第j小时的建筑耗热量、建筑围护结构的耗热量、空气渗透耗热量、建筑物内部得热量，W。

建筑围护结构的耗热量(qHT)j按下式计算

式中Ti为室内计算温度，℃；(Te)j为某一天中第j小时的室外平均温度，℃；ε为各个围护结构传热系数的修正系数；K为建筑各个围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；F为各个围护结构的面积，m2。

空气渗透耗热量(qINF)j按下式计算

式中pc为空气的比热容，取0.28 W·h/(kg·℃)；ρ为空气的密度，取1.293 kg/m³；N为换气次数，取0.5次/h；V为换气体积，按建筑室内体积的0.6倍计算[28]，为173 m³/次。

建筑物内部得热量IH()jq一般包括人体散热量、炊事和照明散热量，一般散热量不大且不稳定，故可忽略不计[29]。

将式（9）和（10）代入（8）中，可得

1.3.5 系统的太阳能采暖保证率

系统总负荷中太阳能所担负的负荷百分数叫做太阳能保证率[30]，系统每日的太阳能采暖保证率按下式计算

2 试验结果分析

2.1 储热水箱总热损系数的确定与分析

2.1.1 储热水箱总热损系数的确定

选取2015年11月30日夜间00:00～7:00的数据进行分析，每10 min取1次水箱温度和室外温度，共计42组数据，根据式（3）分别对每组数据进行拟合。图4表示了当日储热水箱总热损系数的拟合结果，可以看出水箱总热损系数就是函数()fτ的斜率，通过线性拟合可得当日该时段储热水箱的总热损系数为29.79 W/℃。

图4 储热水箱总热损系数的数据拟合Fig.4 Data fitting for total heat loss coefficient of heat storage tank

2.1.2 储热水箱总热损系数的影响因素分析

用同样的方法对其余11 d的数据进行拟合。表2列出了2015年11月24日～2015年12月5日夜间00:00～07:00平均环境温度Tamb、环境温度变化幅度ΔTamb、风速平均值u及拟合所得的储热水箱总热损系数(UA)s。

表2 试验结果和储热水箱总热损系数的数据拟合Table 2 Results of experiment and data fitting for heat storage tank total heat loss coefficient

为分析00:00～07:00间平均环境温度、环境温度变化范围、风速平均值对储热水箱总热损系数的影响，采用多元线性变量回归方程对试验数据进行处理，得到如下关系式：

该回归方程的拟合优度R2为0.73，平均预测误差为1.03 W/℃；显著性概率为0.01，认为自变量与因变量之间有显著的相关关系。

在其他条件不变的情况下，单一因素变化对总热损系数的影响如下：平均环境温度每降低1 ℃，储热水箱总热损系数增加0.08 W/℃；环境温度的变化范围每增加1 ℃，储热水箱总热损系数增加0.97 W/℃；风速平均值每增加1 m/s储热水箱总热损系数增加0.92 W/℃。

为了验证关系式（13）的准确性，将2016年12月8日－2016年12月14日的相关试验数据通过线性拟合得到每天系统总热损系数的拟合值，同时将相关试验数据代入式（13）得到每天系统总热损系数的计算值，将两者进行比较，结果见表3。从表中可以看出12月8日和12月10日两者的偏差较大，其余4 d偏差较小，这说明式（13）能够反映出室外温度、风速等因素对总热损系数的影响，但准确度不高，这主要有两方面的原因：一是样本数量少，二是总热损系数还可能受到其他未知因素的影响。

表3 总热损系数计算值与拟合值的对比结果Table 3 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

储热水箱的散热过程实际上是水箱中的热水与外界空气的对流换热过程，而热损系数主要受到水箱内部水与内壁面间对流换热系数、水箱壁的导热系数以及空气与外壁面间对流换热系数的影响，在白天有太阳光时，热损系数还会受到太阳辐射的影响，但考虑到水箱外壳的保温措施良好且水箱接受太阳辐射的外表面积较小，另外参考建筑耗热量在计算过程中并不考虑太阳辐射的影响，因此忽略太阳辐射对热损系数的影响。这样，根据式（13）可以估算出任意时间段储热水箱的总热损系数。

2.2 全玻璃真空管太阳能集热器阵列效率的确定与分析

2.2.1 全玻璃真空管太阳能集热器阵列效率的确定

将2015年11月30日9:00～17:00期间的平均环境温度7.3 ℃、环境温度变化幅度14.2 ℃、风速平均值0.4 m/s，由式（13）得这段时间集热阶段储热水箱的总热损系数为37.33 W/℃，然后根据式（5）拟合出系统中全玻璃真空管太阳能集热器阵列的效率。

选取2015年11月30日09:00－17:00的数据进行分析，每10 min取1次水箱温度和室外温度，共计48组数据，分别对每组数据进行拟合。

图5表示了11月30日09:00－17:00储热水箱温度、环境温度及太阳辐射强度随时间的变化情况，水箱温度由29.6 ℃上升至64.6 ℃，在集热初期09:00－10:00这段时间储热水箱温度上升缓慢，在10:00－16:00这段时间，储热水箱的温度呈直线上升的趋势；太阳辐射强度在12:30和13:30时出现急剧减小的情况，但由于集热器的集热量大于其耗热量，水箱的温度依然继续上升；太阳辐射强度在14:00时达到最大值，其后逐渐减小，而水箱温度仍然继续升高，直至16:00之后，水箱温度基本达到最大值而不再上升；在测试期间，环境温度在−3～10.9 ℃之间波动。

图5 储热水箱温度、环境温度以及太阳辐射强度Fig.5 Heat storage tank temperatures, ambient temperatures and solar irradiation intensity

图6 表示了当日太阳能集热器阵列效率的拟合结果，由于测试初期10:30之前太阳辐射强度小于550 W/m2时，集热器的预热作用使得这段时间的试验数据与拟合结果偏差较大，但后期数据则与拟合结果较吻合；通过线性拟合可得当日太阳能集热器阵列的集热效率为0.68。

图6 太阳能集热器阵列效率试验结果的数据拟合Fig.6 Data fitting of experimental results for collection efficiency of solar collector array

2.2.2 全玻璃真空管太阳能集热器阵列效率影响因素的分析

用同样的方法对其余11d的数据进行拟合。表4列出了2015年11月24日～2015年12月5日太阳能集热器阵列集热期间09:00～17:00平均环境温度Tamb、平均太阳辐射强度IT、总热损系数(UA)s及拟合所得的太阳能集热器阵列的集热效率ηc。

表4 试验结果和集热器阵列集热效率的数据拟合结果Table 4 Results of experiment and data fitting for average daily efficiency of solar collector array

为分析09:00～17:00间平均环境温度、平均太阳辐射强度和总热损系数对太阳能集热器阵列的集热效率的影响，同样根据多元线性变量回归方程对试验数据进行处理，得到如下关系式：

该回归方程的拟合优度R2为0.70，平均的预测误差为0.09；显著性概率为0.02，认为自变量与因变量之间有显著的相关关系。在其他条件不变的情况下，单一因素变化对集热器阵列集热效率的影响如下：平均环境温度每升高1 ℃，集热效率增加1.56%，平均太阳辐射强度每增加100 W/m2，集热效率增加5.56%，总热损系数每增加1 W/℃，集热效率增加1.4%。

为了验证关系式（14）的准确性，将2016年12月8日－2016年12月14日的相关试验数据通过线性拟合得到每天系统总热损系数的拟合值，同时将相关试验数据代入式（14）得到每天系统总热损系数的计算值，将两者进行比较，结果见表5。

表5 总热损系数计算值与拟合值的对比结果Table 5 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

从表5中可看出除12月14日两者偏差达到20.6%，其余天两者偏差均在10%左右，这说明式（14）能够较好的预测太阳能集热器的集热效率；12月11日－12月12日为连续雨雪天，集热器阵列接受到的太阳辐射总量分别为34.65和113.1 MJ，因此集热效率很低，这也反映出式（14）的计算结果是符合实际情况的。根据式（14）可以估算出某日太阳能集热器阵列的集热效率。

2.3 系统太阳能利用率的分析

图7表示了2015年11月30日17:30－23:00太阳能供暖时间段内循环水流量和集热器阵列进出口流体温度随时间的变化曲线，控制系统设置供暖水泵运行8 min停止5 min，水泵流量为0.27~0.30 kg/s，因此图中曲线呈现间歇式变化。

图7 循环水泵流量和集热器阵列进出口流体温度Fig.7 Flow rate and temperatures of collection array inlet and outlet

根据式（7）可以计算出某一日系统的太阳能利用率。2015年11月30日,日照时长约9.17 h,平均太阳辐射强度583.2 W/m2，太阳能集热器阵列的集热效率为0.68，计算得该日系统的太阳能利用率为37.1%，由此可以看出太阳能集热器阵列所收集的热量仅有54.6%被利用，剩余的45.4%的热量则作为热损重新散失到环境中。系统的热损占集热器阵列集热量的比例很大，若能够将这一部分热量加以利用，可以很大程度的提高系统的太阳能利用率。

2.4 系统运行策略的分析

2.4.1 建筑逐时耗热量的计算

由式（11）知，建筑的逐时耗热量和室内计算温度与该小时环境平均温度的差值[ti−(te)j]成正比，通过计算，本文中试验建筑的(∑εKF+cpρNV )值为352.5 W/℃。表6为2015年11月30日这一天从00:00～24:00每小时的室外平均温度与建筑的逐时耗热量的计算结果，从表中可以看出：建筑的逐时耗热量在00:00～10:00这段时间非常大，占建筑全天耗热量的65.4%。

2.4.2 系统运行策略分析

由式（12）可得2015年11月30日的系统的太阳能保证率为48.3%。图8表示了2015年11月30日17:30～23:00太阳能供暖时间段内建筑耗热功率、供暖系统供给建筑的热功率及储热水箱温度随时间的变化曲线，从中可以看出：供暖期间，由于水泵采用运行8 min停止5 min的运行策略，供暖功率也呈现间歇式变化，由于水泵刚开始运行时，供暖管路里面的水已经冷却了5 min，温度较低，因此集热器阵列进出口温差较大，随着不断的循环，进出口温差逐渐减小，因此每一个水泵运行时间段的供暖功率都是由大到小变化；储热水箱温度的变化趋势与供暖系统地热盘管热功率的整体变化趋势相似，在供暖初期下降速率较快，后期逐渐平缓；热流量曲线与横坐标轴之间的面积表示供暖系统提供给建筑的总热量，建筑逐时耗热量曲线与横坐标轴之间的面积表示建筑总的耗热量，可以看出系统的供热量远远大于建筑的耗热量。

图8 建筑耗热功率、供暖系统供给建筑的热功率及储热水箱温度Fig.8 Building heat consumption power, system heating power and heat storage tank temperature

图9 为2015年11月30日全天系统逐时供热量与建筑逐时耗热量的对比，从图9中可以看出：虽然系统全天的太阳能采暖保证率只有48.3%，但在供暖期间，系统所提供的热量远远大于该段时间的建筑耗热量，特别是在采暖初期17:30～18:00期间，供热量达到了建筑耗热量的10倍以上；系统逐时供热量的最大值出现在06:00～08:00，建筑逐时耗热量的最大值出现在17:30～19:00，两者时间不一致。因此整个供暖阶段，设定水泵运行8 min停止5 min、水泵流量为0.27～0.30 kg/s这种运行模式并不是最优的，以此种模式运行会出现在供暖初期供热量过大、系统供热能力下降过快、供暖期间室内温度过高、热量浪费严重的不良效果。

图9 全天系统逐时供热量与建筑逐时耗热量的对比Fig.9 Comparison of hourly system heat supply and building heat consumption during period of solar heating whole day

本文的研究对象是全玻璃真空管太阳能集热器阵列与地板辐射采暖所构成的供暖系统，研究这个系统自身的供暖特性时且仅考虑环境因素（环境温度、环境风速和太阳辐射强度）对其的影响，并没有考虑室内温度的影响，而2.4.1节中建筑逐时热负荷的计算所用到的室内温度则采用的是“室内计算温度”，取14 ℃，而在供暖初期室内温度尚未达到14 ℃时，建筑耗热量较大，对系统的供暖特性是有一定的影响，并且室内温度能够反映供暖的效果，这是不容忽视的，这部分内容本团队会在后续工作中进行深入的研究。

表6 2015年11月30日每时的室外平均温度与建筑逐时耗热量的计算结果Table 6 Hourly average outdoor temperatures and calculations of hourly heating load of building on 30thNov., 2015

根据以上结论，对单户太阳能采暖系统的运行策略进行改进，给出以下建议：

1）应在供暖初期适当增加水泵的运行间隔时间或者减小水泵流量，以减小系统供热量、减缓储热水箱温度的下降速度，从而将供暖时间延长至深夜、使供暖曲线更加平缓、室内热舒适度更高。

2）若当日的太阳辐射较好，储热水箱温度较高时，可适当将供暖的开始时间提前，在集热的同时进行供暖，以减缓储热水箱温度上升的速度，这样可以降低水箱热损、提高系统的太阳能利用率，同时可以使供暖曲线更加平缓、室内温度随时间变化更加均匀。

3 结 论

本文对全玻璃真空管太阳能阵列供暖系统进行了试验研究和理论分析，得到了以下结论：

1）储热水箱的总热损系数与环境温度平均值、环境温度变化幅度、风速平均值有很大的关系；平均环境温度每降低1 ℃，储热水箱总热损系数增加0.08 W/℃；环境温度的变化范围每增加1 ℃，储热水箱总热损系数增加0.97 W/℃；风速平均值每增加1 m/s储热水箱总热损系数增加0.92 W/℃。

2）太阳能集热器阵列的集热效率与集热期间平均环境温度、平均太阳辐射强度、储热水箱总热损系数有很大关系；平均环境温度每升高1 ℃，集热效率增加1.56%；平均太阳辐射强度每增加100 W/m2，集热效率增加5.56%；总热损系数每增加1 W/℃，集热效率增加1.4%。

3）太阳能集热器阵列所收集的热量仅有54.6%被利用，剩余的45.4%的热量则作为热损重新散失到环境中，系统的热损占集热器阵列集热量的比例很大，若能够将这一部分热量加以利用，可以很大程度的提高系统实际的太阳能利用率。

该单户太阳能采暖系统的运行策略应当从以下两方面进行改进：在供暖初期适当减小供暖水流量，即增加水泵的运行间隔时间或者减小水泵流量；若太阳辐射较好，储热水箱温度较高时，可适当将供暖开始的时间提前。

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Experiment on performance of all-glass vacuum tube solar array heating system

Li Jinping, Kong Ying, Xu Zhe, Si Zetian
(1. Western China Energy＆Environment Research Center ,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China; 3. Key Laboratory of Energy Supply System Drived by Biomass Energy and Solar Energy of Gansu Province, Lanzhou 730050, China)

As a kind of conversion device of solar energy, the solar collector is the most important part of the solar heating system. Among various solar collectors, all-glass vacuum tube solar collector is regarded as more favourable than other collectors in both technical and economic perspectives, so domestic and foreign experts have studied several aspects of it. But the current studies usually focus on the heating performance of the solar system during the whole heating season and the influence factors of the collecting efficiency of the all-glass vacuum tube solar collector, and there is barely research on the hourly and dynamic heating performance of solar heating system in a monomer building under different operating ways. With the purpose of studying the above problems, an all-glass tube solar heating system is fabricated on a monomer building, combined with a low-temperature floor radiation heating. The system is composed of 6 groups of standpipe all-glass vacuum tube solar collectors which have uniform structure parameters, a low-temperature floor radiation heating device, a circulating pump, a valve, a conductor and other accessories. Every group of solar collector comprises 40 all-glass vacuum tubes with the external diameter of 58 mm and the length of 1 800 mm, and a storage tank with the volume of 400 L, which is installed on a rack with an angle of 45° facing south. The contour aperture area of solar collector is about 3.85 m2, so the total contour aperture area of the array is about 23.1 m2. The monomer building locates in Minqin County, Gansu Province, China. Its building area is 117 m2and actual heating area is 87 m2. The operation mode of system is as follows: Daily 17:30-23:00 is set to be heating time; during this period, the controller controls the water pump to circulate hot water at a constant flow rate, stop for 5 min every operating for 8 min. In the experiment, the values of various parameters, such as the solar irradiance, the inlet and outlet temperatures of collector array, the tank water temperature, the ambient temperature, the circulating water flow rate and the wind speed, are measured by different sensors. All measured variables are collected and recorded automatically by Agilent 34970A data acquisition instrument every 10 s. The testing period was from November 24thto December 5th, 2015. Then, many important parameters such as the total heat loss coefficient of storage tank, the collection efficiency of solar collector array, the solar energy utilization and the solar heating fraction of the system, and hourly variation of building heat load are theoretically and experimentally investigated. Furthermore, in the actual operation state, the heating effect of the solar heating system is analyzed, and the improvement proposals of operating strategy are provided. The results show that the total heat loss coefficient of storage tank in this system is 25.82-31.53 W/℃, the collection efficiency of solar collector array is 38%-72%, and the solar energy utilization and the solar heating fraction of the system are 37.1% and 48.3%, respectively; only 54.6% of heat collected by the solar collector is used, the remaining heat is emitted to the environment, and thus the heat loss of system accounts for a large proportion of the total collected heat; under the actual operating state, the heat supply is much more than the heat consumption of building, and especially in the initial period of heating, heat supply reaches more than 10 times that consumed by building, and heat supply and heating time are excessively concentrated. As a consequence, improvement proposals of operating strategy are provided for the solar heating system of the monomer building to reduce the water flux of heating system and advance the heating time.

solar energy; heat losses; buildings; all-glass vacuum tube solar heating system; low-temperature floor radiation heating

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031

TK511

A

1002-6819(2017)-11-0240-08

李金平，孔 莹，许 哲，司泽田. 全玻璃真空管太阳能阵列供暖系统性能试验[J]. 农业工程学报，2017，33(11)：240－247.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031 http://www.tcsae.org

Li Jinping, Kong Ying, Xu Zhe, Si Zetian. Experiment on performance of all-glass vacuum tube solar array heating system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 240－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031 http://www.tcsae.org

2016-11-01

2017-05-10

国家自然科学基金（51676094）；甘肃省国际科技合作专项（1604WKCA009）

李金平，男，宁夏中宁人，教授，博士，博士生导师，主要从事先进可再生能源系统方面的研究。兰州 兰州理工大学西部能源与环境研究中心，730050。Email：lijinping77@163.com