分離式太陽能熱管供暖供熱水技術(shù)

孫龍++龔延風(fēng)

摘 要：提出一種新型的分離式太陽能熱管供暖供熱水技術(shù)，介紹了分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置的工作原理、組成、運(yùn)行及技術(shù)特點(diǎn)。該裝置通過分離式熱管將壁掛式太陽能集熱器與建筑內(nèi)墻一體化結(jié)合，熱響應(yīng)速度快、傳熱性能高效，能夠?qū)崿F(xiàn)了太陽能無動力供暖，同時(shí)有供生活熱水功能。通過理論計(jì)算，為裝置中的分離式熱管選取了合適的工況、工質(zhì)及管殼。

關(guān)鍵詞：太陽能；分離式熱管；供暖；無動力

0 引言

太陽能是一種在建筑中非常具有利用潛力的清潔能源，取之不盡用之不竭。建筑能耗約占社會總能耗的三分之一，而在北方地區(qū)，供暖能耗更是占了建筑能耗的40 %左右。夏熱冬冷地區(qū)同寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)一樣，冬季也有供暖需求。寒冷地區(qū)采用集中供熱的方式供暖，而夏熱冬冷地區(qū)居住建筑通常采用單體空調(diào)來承擔(dān)建筑供暖熱負(fù)荷。供暖和生活熱水能耗在建筑能耗中屬于低品位的一類，使用適宜的技術(shù)手段，完全可以利用太陽能來滿足，太陽能低溫輻射供暖就是一種較為有效的太陽能供暖技術(shù)。熱管是一種高效的傳熱元件，具有自然循環(huán)、相變傳熱等優(yōu)點(diǎn)，在建筑供暖的應(yīng)用研究還處于初步階段，若將熱管技術(shù)利用在建筑供暖中，可提高太陽能替代常規(guī)能源的比例，充分發(fā)揮太陽能在建筑節(jié)能中的巨大潛力[1]。

分析了現(xiàn)有熱管作為供暖末端的三種形式，提出一種分離式太陽能熱管供暖供熱水技術(shù)，采用太陽能作為熱源，通過分離式熱管將壁掛式太陽能熱水器與墻體結(jié)合，利用墻體的輻射與對流換熱進(jìn)行室內(nèi)供暖，兼有供生活熱水功能。整個(gè)裝置無動力輸送熱量，即可滿足供暖需求，同時(shí)各構(gòu)件能夠與建筑一體化結(jié)合。

1 太陽能熱管供暖技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的低溫?zé)嵩垂┡到y(tǒng)中，以熱管作為供暖末端尚處于基礎(chǔ)理論研究階段，主要有以下三種類形式：

1.1 熱管直接作為供暖末端

上海理工大學(xué)于國清等人發(fā)明了一種“熱管式太陽能取暖器”，并已申請了發(fā)明專利。該取暖器采用若干根重力式熱管傾斜穿越建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，集熱段插入太陽能真空集熱管內(nèi)，布置在室外；放熱段設(shè)有金屬外罩，布置在室內(nèi)。熱管數(shù)量可根據(jù)室內(nèi)熱負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，其完全利用太陽能供暖，適用于高層公寓及有日間供暖需求的學(xué)校和辦公建筑。系統(tǒng)簡單，不需要泵與風(fēng)機(jī)。

1.2 熱管與地板相結(jié)合

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡夹g(shù)通過對敷設(shè)在地板層內(nèi)的加熱盤管（一般是塑料管）輸送低溫?zé)崴?0～60℃）來保證地板表面溫度，維持合適的室內(nèi)熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)供暖[2]。天津大學(xué)謝慧用重力熱管替代塑料管進(jìn)行了熱管地板輻射供暖的基礎(chǔ)理論研究，建立熱管地板及供暖房間的傳熱模型及其實(shí)驗(yàn)研究。熱管地板輻射供暖與地下水源熱泵聯(lián)合運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，得出相比于塑料管，熱管地板供暖的傳熱高效，其供水溫度可減少4～6℃；蓄熱性能良好，升溫快降溫慢；衛(wèi)生、舒適，室內(nèi)溫度梯度較小。太原理工大學(xué)撖文輝利用不銹鋼-水熱管代替塑料管進(jìn)行地板輻射供暖研究，地板填充層采用與塑料管相同的結(jié)構(gòu)。得出利用熱管進(jìn)行地板輻射采暖的人體不滿意度可降至25%的較低范圍內(nèi)，采用40℃左右的低溫?zé)嵩醇纯蛇_(dá)到良好的供暖效果。

1.3 熱管與墻體相結(jié)合

哈爾濱工業(yè)大學(xué)卞愛萍研究了熱管與墻面結(jié)合的供暖末端裝置用于供暖的可行性。該裝置將重力式熱管豎直安裝在內(nèi)墻或外墻中，吸熱段插入水聯(lián)箱內(nèi)以吸收熱量，放熱段在墻體內(nèi)直接放出熱量實(shí)現(xiàn)供暖。該結(jié)合方式使得室內(nèi)溫度分布均勻，不占據(jù)層高和室內(nèi)面積，可減小熱管敷設(shè)面積。

總結(jié)以上三種熱管供暖形式發(fā)現(xiàn)：形式1雖然采用了被動式太陽能供暖但并沒有改善傳統(tǒng)散熱器影響室內(nèi)使用面積、不美觀、室內(nèi)溫度不均勻的情況，且功能單一只能在供暖季使用，夏季反而會提高室內(nèi)溫度；形式2和3雖然供暖效果良好但沒有與太陽能相結(jié)合，仍然依賴熱水環(huán)路，需要額外消耗能量，并沒有完全達(dá)到被動式太陽能供暖。

2 分離式太陽能熱管供暖供熱水系統(tǒng)工作原理

熱管利用工質(zhì)的相變進(jìn)行熱量傳遞，不需要外加動力即可將大量熱量通過很小的橫截面積進(jìn)行傳輸，其傳熱系數(shù)比相同幾何尺寸的金屬棒大了幾個(gè)數(shù)量級[3]。熱管的兩端分別為蒸發(fā)段和冷凝段，中間可布置絕熱段。熱管的蒸發(fā)段不斷吸熱，當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)達(dá)到蒸發(fā)溫度時(shí)液體開始汽化，由于蒸發(fā)段與冷凝段之間存在壓力差，蒸汽通過管腔達(dá)到冷凝段，凝結(jié)放熱形成液體，液態(tài)工質(zhì)在毛細(xì)力或重力作用下再沿管殼內(nèi)壁流回蒸發(fā)段，如此反復(fù)，形成自然循環(huán)。

熱管的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)，布置靈活，分離式熱管就是其中的一種結(jié)構(gòu)形式。分離式熱管不但具有經(jīng)典熱管的相變換熱、自然循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，而且管內(nèi)汽液兩相同向流動，管段布置便于遠(yuǎn)距離的熱量輸入與輸出。如圖1所示，集熱器安裝在南向陽臺外部，蒸發(fā)段置于儲熱水箱中，冷凝段嵌入墻體內(nèi)部。其工作原理與重力式熱管相似，如圖2所示，蒸發(fā)段可視為一均勻受熱管，不斷吸收水箱中的熱量，當(dāng)管內(nèi)達(dá)到工作溫度后后，產(chǎn)生的蒸汽通過蒸汽上升管到達(dá)冷凝段，假定管內(nèi)不存在不凝性氣體，冷凝段可視為豎直管中汽-液并流的凝結(jié)換熱過程，將熱量傳遞至墻體，同時(shí)凝結(jié)液在重力作用下，經(jīng)液體下降管流回蒸發(fā)段，如此往復(fù)循環(huán)。其自然循環(huán)的動力來源于冷凝段和蒸發(fā)段的高度差和管內(nèi)工質(zhì)汽液之間的密度差，它平衡了兩相流的流動損失，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3 分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置

3.1 裝置組成

分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置主要由三大部分組成：壁掛式太陽能集熱器、分離式熱管及內(nèi)墻。壁掛式太陽能熱水器包括集熱器、冷熱水循環(huán)管、儲熱水箱、補(bǔ)水管和生活熱水管；分離式熱管主要由蒸發(fā)段、蒸汽上升管、冷凝段和液體下降管組成，其蒸發(fā)段和冷凝段通過蒸汽上升管和液體下降管分開布置，蒸發(fā)段在儲熱水箱內(nèi)的高度位于非采暖季水位控制線之上，蒸發(fā)段和冷凝段設(shè)置肋片以加強(qiáng)換熱，外露管段采取保溫絕熱措施。

3.2 運(yùn)行過程

3.2.1 供暖endprint

供暖時(shí)需要將儲熱水箱補(bǔ)滿水，使得分離式熱管的蒸發(fā)段與水源完全接觸，以保證能夠充分吸收熱量。白天，太陽能集熱器不斷吸收太陽輻射使得水箱內(nèi)溫度逐漸升高，分離式熱管的蒸發(fā)段與嵌入墻體中的冷凝段的溫差慢慢增大，當(dāng)熱管達(dá)到工作溫度后，由于自身的高效傳熱特性，將水箱在的熱量傳遞至冷凝段，再由肋片將熱量傳至內(nèi)墻，內(nèi)墻依靠自身的蓄熱特性不斷吸收、貯存熱量，同時(shí)向室內(nèi)釋放熱量。在這一過程中分離式熱管內(nèi)部是一自然循環(huán)回路，不需要外加動力，如此源源不斷地將熱量“搬運(yùn)”至室內(nèi)。

3.2.2 供生活熱水

熱管具有單向?qū)岬奶攸c(diǎn)，供暖季也可根據(jù)天氣情況，當(dāng)室內(nèi)已滿足一定的溫度需求后，水箱內(nèi)的水可以直接供熱，次日將水箱補(bǔ)滿水后可繼續(xù)供暖；在非供暖季，可通過補(bǔ)水管控制水箱內(nèi)的水量來切換供生活熱水模式，當(dāng)水位低于非采暖季水位控制線時(shí)，保證了分離式熱管蒸發(fā)段完全沒有與水源接觸，本裝置即可作為壁掛式太陽能熱水器正常使用，同時(shí)避免了在非供暖季仍然向室內(nèi)供暖的問題。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

3.3.1 熱源為太陽能

太陽能為清潔的可再生能源，其來源充足、易獲取。低溫?zé)崴椛洳膳到y(tǒng)的熱媒水溫度一般為40～60℃[4]，采用太陽能作為熱源，水箱內(nèi)的溫度完全可以達(dá)到溫度要求。

3.3.2 熱管為傳熱元件

熱管熱阻小，導(dǎo)熱能力強(qiáng)，管內(nèi)工質(zhì)一旦受熱達(dá)到工作溫度即蒸發(fā)，而且在較低的溫度下即可立即汽化，其不僅有快速啟動性能，而且具有良好的低溫啟動性能和防凍性能。熱管的單向?qū)嵝允蛊渲辉试S熱流向一個(gè)方向流動，分離式熱管蒸發(fā)段源源不斷地將熱水中的熱量輸送至冷凝段。

3.3.3 無動力供暖

本裝置克服現(xiàn)有的太陽能供暖系統(tǒng)依賴熱水環(huán)路，水力不平衡，循環(huán)水泵消耗電能的不足，完全采用自然循環(huán)，實(shí)現(xiàn)無動力供暖。

3.3.4 簡單、舒適

分離式熱管蒸發(fā)段和冷凝段可分離，對安裝要求低，適應(yīng)長距離輸送；采用墻體輻射供暖，溫升平緩，分布均勻，對室內(nèi)空氣的擾動小，可以供暖也可以供生活熱水。

3.3.5 末端隱蔽性好

熱管布置在墻體內(nèi)部，隱蔽性高。與傳統(tǒng)散熱器相比，不影響室內(nèi)美觀，不影響房間使用面積；與地板輻射供暖系統(tǒng)相比，不占用層高、不增加樓板荷載，減少敷設(shè)面積；

3.3.6 不足之處

相比與其他供暖系統(tǒng)，本裝置也存在以下缺點(diǎn)：

（1）由于墻體的熱惰性，室內(nèi)熱響應(yīng)速度慢，若達(dá)到室內(nèi)要求溫度通常需要很長時(shí)間，目前局限用于白天集熱，夜間放熱；

（2）傳熱元件嵌在墻體內(nèi)部，導(dǎo)致熱管的維修難度較大；

（3）分離式熱管的蒸發(fā)段必須位于冷凝段下方，并要大于最小高度差，這意味著放置蒸發(fā)段的儲熱水箱必須占據(jù)一部分陽臺面積；

（4）本技術(shù)目前尚處于理論研究階段，需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際的運(yùn)行效果。

4 結(jié)語

熱管在熱能傳輸方面具有傳熱速度快、熱效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)不需要?jiǎng)恿Φ泉?dú)特優(yōu)勢，太陽能低溫供暖工程中應(yīng)用熱管技術(shù)可以有效提高建筑供暖對太陽能的利用效率，節(jié)能環(huán)保。本文提出的分離式太陽能熱管供暖供熱水技術(shù)與建筑一體化結(jié)合，完全采用太陽能無動力運(yùn)行，具有供暖和供生活熱水功能，特別方便應(yīng)用于多層、高層居住建筑，為太陽能熱管供暖提出了新的思路，具有一定的應(yīng)用價(jià)值與前景，同時(shí)該技術(shù)還處于理論研究階段，缺乏相關(guān)施工技術(shù)及實(shí)驗(yàn)方面的研究，值得進(jìn)一步探討。

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作者簡介：孫龍（1989-），男，江蘇淮安人，在讀研究生，研究方向：綠色建筑與建筑設(shè)備節(jié)能技術(shù)。endprint