熱管技術(shù)在太陽能地板輻射采暖中的應(yīng)用

撖文輝

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西太原 030001)

我國北方地區(qū)建筑以多層或單層建筑為主，其采暖形式主要為散熱器或者地板輻射采暖。采用散熱器采暖占據(jù)空間、室內(nèi)溫度不均勻，人體舒適度不佳、供水溫度高且效率較低。采用塑料管地板輻射采暖，能有效解決以上問題，但由于塑料熱阻較大，導(dǎo)熱系數(shù)小，傳熱性能差，所以采用金屬熱管作為導(dǎo)熱材料。太陽能作為一種可再生能源，在北方具有獨(dú)特的地理優(yōu)勢，具有供給量大、可再生等一系列優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用光熱效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能加以利用，是目前技術(shù)最成熟、成本最為低廉的太陽能利用方式。采用熱管地板輻射采暖，除了具有塑料管輻射采暖的各種優(yōu)點(diǎn)外，還具有很多塑料管不具有的特點(diǎn)。首先熱管具有很高的導(dǎo)熱性，是熱的超導(dǎo)體，由于熱管內(nèi)為真空，熱管在很低的溫度下工作液體就可發(fā)生相變，導(dǎo)熱速率快。其次熱管具有很好的等溫性，冷凝段溫度基本一致。最后熱管具有熱流密度可變性，可以獨(dú)立改變蒸發(fā)段或冷凝段的加熱面積，即以較小的加熱面積輸入熱量，以較大的面積輸出熱量，或以大面積輸入熱量，而以小面積輸出熱量，從而改變熱流密度。利用以上幾個(gè)特點(diǎn)將其做成熱管輻射板，太陽能集熱器供給熱媒水。

1 采暖系統(tǒng)構(gòu)造

采暖系統(tǒng)熱源來自太陽能集熱器，水經(jīng)集熱器加熱后流至電加熱水箱，水箱內(nèi)設(shè)有溫控器，能自動調(diào)節(jié)水溫。冬季在最寒冷月份，水溫達(dá)不到設(shè)定要求的情況下，溫控器會自動啟動電加熱器，加熱水至設(shè)定溫度。在天氣較好的情況下，水溫過高，超過輻射采暖溫度要求，溫控器會自動啟動，進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)溫至設(shè)定溫度。到夜晚時(shí)，可關(guān)閉循環(huán)泵前的閥門，開啟旁通閥門，這樣回水不經(jīng)過太陽能集熱器直接進(jìn)入電加熱水箱加熱。水箱設(shè)有液位計(jì)與泄水閥門，當(dāng)液位超過設(shè)定液位時(shí)，可以開啟泄水閥門。水經(jīng)分水器至每個(gè)房間經(jīng)熱管散熱器輻射采暖，散熱后匯合至集水器，然后返回太陽能集熱器進(jìn)行加熱。采暖系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 采暖系統(tǒng)圖

2 太陽能集熱器的選擇

1)確定室內(nèi)熱負(fù)荷:

a.圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量計(jì)算:

b.冷風(fēng)滲透耗熱量:

c.冷風(fēng)侵入耗熱量。Q3的計(jì)算公式與Q2相同，則室內(nèi)的總熱負(fù)荷為:

其中，Q4為室內(nèi)得熱量，為電器、人體等散熱體散出的熱量。

2)確定設(shè)計(jì)氣象條件。太陽能集熱器作為采暖熱源時(shí)，在冬季運(yùn)行時(shí)，環(huán)境氣溫一般取當(dāng)?shù)貧鉁鼗蜃罾湓缕骄鶜鉁兀?月份對于北方地區(qū)，太陽輻照度可取600 W/m2。

通過測試，太陽能集熱器在冬季白天正常情況下，可將溫水加熱到40℃～50℃，完全滿足采暖需求。

3 熱管散熱器性能測試

熱管散熱器采用φ20，壁厚δ=0.8 mm，長度L=1 000 mm的焊管。關(guān)于最佳充液量，Imura，Harada，F(xiàn)eldman等人做了大量試驗(yàn)，但結(jié)果都在18%～35%之間。經(jīng)試驗(yàn)分析，如果充液量過小，會造成蒸汽不能有效的充滿冷凝段，從而造成距離蒸發(fā)段較近的冷凝段壁溫較高，較遠(yuǎn)的冷凝段壁溫較低，從而造成熱管冷熱不均，增加熱管的無效冷凝段。而充液量過大，第一會造成冷凝段空間過小，散熱面積過小，從而減小了散熱功率。第二充液量過大，熱管相變導(dǎo)熱變?yōu)椴糠窒嘧儗?dǎo)熱和部分液體熱傳導(dǎo)導(dǎo)熱，增加了熱管內(nèi)部熱阻，使熱管導(dǎo)熱功率下降。實(shí)驗(yàn)得出充液量在30%時(shí)，熱管傳熱功率較佳，所以取熱管充液量為30%。熱管結(jié)構(gòu)地板圖見圖2。

圖2 熱管結(jié)構(gòu)地板圖

1)熱管傾角試驗(yàn)。單根熱管在不同的角度，其冷凝段壁面溫度、傳熱功率、散熱量都不相同。通過實(shí)驗(yàn)，測得熱管在不同角度的壁面溫度數(shù)據(jù)如下:從圖3中可以看出，在供回水溫度、充液量一定的情況下，冷凝段壁面溫度隨著傾角的減小而增大。這表明熱管散熱功率隨著傾角的減小而不斷增大。當(dāng)熱管垂直時(shí)，重力對工作液體的作用力最強(qiáng)，使得蒸汽及流體對熱管沖刷距離最短，作用范圍小，容易出現(xiàn)局部干涸現(xiàn)象，所以換熱系數(shù)小，在蒸發(fā)段溫度較低時(shí)，這時(shí)熱管的頂部溫度最低。當(dāng)熱管傾斜放置時(shí)，重力對工作介質(zhì)的作用力逐漸減小，使得液體從蒸發(fā)段到冷凝段沖刷運(yùn)動的頻率加快，沖刷距離加大，熱管內(nèi)部擾動加強(qiáng)，因此換熱系數(shù)較高，熱管頂端的溫度隨即上升，熱管壁面溫度趨于均勻。傾角在30°左右時(shí)較佳，考慮到地板輻射采暖時(shí)地板厚度與房間空間較大，熱管放置傾角不宜過大，傾角設(shè)于1°～2°左右。

圖3 冷凝段平均溫度隨傾角的變化狀況

圖4 傳熱功率與蒸發(fā)段長度關(guān)系

2)熱管蒸發(fā)段長度試驗(yàn)。從圖4可以看出:a.充液量一定的熱管，隨著蒸發(fā)段長度的增加，壁面溫度隨之增加，但超過一定長度后，壁面溫度會隨之下降。b.隨著蒸發(fā)段長度的增加，雖然蒸發(fā)段導(dǎo)入的熱量增加，但冷凝段的長度隨之減少，從而減少了散熱面積，減小了傳熱功率。c.不同長度，不同充液量的熱管其最佳蒸發(fā)段長度不盡相同。首先因?yàn)樵囼?yàn)熱管傾角較小，液體在熱管內(nèi)近似平鋪于管內(nèi)，蒸發(fā)段的長度直接導(dǎo)致了熱管吸收熱量的多少，充液量大則需較多熱量蒸發(fā)，蒸發(fā)段長則冷凝段少，散熱面積減小。充液量少，蒸發(fā)段短，冷凝段長會導(dǎo)致無效長度增加。對于充液量為30%，L=1 000 mm的熱管，蒸發(fā)段長度為200 mm左右較佳。

圖5 不同供水溫度的熱管壁面溫度

3)供水溫度試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)供水溫度，測定充液量、蒸發(fā)段長度一定的熱管壁面溫度。從圖5中可以看出:a.供水溫度越高，壁面溫度越高，傳熱功率越大。b.地板填充層的平均溫度與恒溫室內(nèi)空氣平均溫度溫差隨著供水溫度的提高而增大。c.供水溫度過低，會造成室內(nèi)溫度偏低;而供水溫度過高，又會造成能源浪費(fèi);當(dāng)供水溫度在40℃左右時(shí)，室內(nèi)空氣溫度在20℃ ～22℃之間，達(dá)到室內(nèi)冬季采暖要求。

所以，在冬季采暖期，在天氣較好的情況下，如果太陽能集熱器供水溫度過高，則溫控器會自動啟動進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)節(jié)水溫至40℃;而在天氣不佳或者晚上沒有太陽能的情況下，集熱器供水溫度不足時(shí)，電加熱器啟動，將水溫加熱至40℃。冷凝段散熱翅片的利用。如果單采用熱管冷凝段散熱，填充層的平均溫度與冷凝段的壁面溫度有直接的關(guān)系，要增加填充層的平均溫度，必須提高冷凝段的壁溫或者增加冷凝段的散熱面積。在前一種方式不易實(shí)現(xiàn)的情況下，在冷凝段加設(shè)散熱翅片可以增加散熱面積。增加傳熱面積是強(qiáng)化傳熱效果的有效途徑之一，特別是在傳熱系數(shù)小的一側(cè)采取強(qiáng)化傳熱效果特別有效，而在熱管散熱器外增加散熱翅片或者采用外壁為螺紋管的熱管都是增加傳熱面積的途徑。在熱管散熱器外增加整體散熱翅片以增加散熱面積，對于翅片外的溫度場可以通過建立數(shù)學(xué)模型模擬出散熱翅片溫度結(jié)果。

建立模型見圖6。由于Ti，1，Ti，2，Ti，3，Ti，4與其他節(jié)點(diǎn)處于同一等溫線上，溫度相同，所以只要計(jì)算出這四點(diǎn)溫度即可，將Ti，1看作管壁溫度，Ti，4看作翅片表面溫度。簡單的將翅片表面分成三等分，四個(gè)溫度點(diǎn)。翅片厚度為δ。

圖6 翅片外溫度場模型

建立熱平衡式:

增加的翅片與周圍填充層熱量交換為:

由于增加了散熱翅片，熱管與填充層傳熱量增加Q，經(jīng)過測試，填充層與地表溫度都有明顯上升。

試驗(yàn)測得地板表面溫度與時(shí)間關(guān)系見圖7。

圖7 增加散熱翅片后采暖參數(shù)的變化

從圖7可以看出，熱管經(jīng)過一段工作時(shí)間后，地表溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)，空氣溫度達(dá)到冬季室內(nèi)采暖要求。增加散熱翅片后地表溫度與室內(nèi)空氣溫度兩項(xiàng)指標(biāo)均有提高。

4 結(jié)語

本文通過理論分析與試驗(yàn)測量相結(jié)合的方法，測得了單點(diǎn)熱管散熱器采用不同的加熱方法熱管冷凝段壁溫、填充層平均溫度、地表溫度與空氣溫度。通過理論分析了散熱翅片的溫度場的分布，試驗(yàn)測量了增加翅片后翅片表面溫度、地表溫度與空氣溫度。得出以下結(jié)論:

1)冬季采用太陽能在白天正常情況下，可以滿足采暖要求。2)熱管的傾角在2°比較合適。3)熱管蒸發(fā)段長度不宜過長，對此熱管，蒸發(fā)段取200 mm較佳。4)供水溫度不宜過低或過高，取40℃左右較佳，室溫能達(dá)到舒適性效果，而且能達(dá)到節(jié)能的目的。5)熱管冷凝段采用散熱翅片，能最大程度上提高散熱功率，提高填充層溫度與室內(nèi)空氣溫度。

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