熱管真空管太陽能集熱器應(yīng)用于烏魯木齊地區(qū)集熱性能的實驗研究?

張葉，齊典偉，邵宗義，沈向東

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830049；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源學(xué)院，上海201804；3.北京建筑大學(xué)供熱供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程北京市重點實驗室，北京100044)

0 引言

目前，新疆地區(qū)全年煤炭消費量在一次能源消費結(jié)構(gòu)中所占的比重達(dá)72%以上，冬季工業(yè)和供熱耗煤量占全年耗煤量的2/3以上，平均耗煤量在供暖季是國家標(biāo)準(zhǔn)的近2倍[1?3]．供暖季巨大的煤炭消費量不僅增加了污染物的排放量，加劇了環(huán)境污染，也使得大氣污染呈季節(jié)性變化，在烏魯木齊長達(dá)6個月的供暖季中極端污染天氣時有發(fā)生．若應(yīng)用清潔新能源和可再生能源對建筑進(jìn)行供暖，不但可以改善我國能源結(jié)構(gòu)多元化配置，也可以有效地緩解環(huán)境污染季節(jié)性變化的問題[4]．太陽能作為最為充沛的清潔能源，在建筑能源中受到了越來越多的重視．其中，太陽能供暖系統(tǒng)因具備較高的能量轉(zhuǎn)換效率和相對較低的投資成本，具有巨大的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益[5?7]．在烏魯木齊地區(qū)如能有效地將太陽能供暖技術(shù)加以利用，則能大幅度降低烏魯木齊地區(qū)冬季建筑供暖能耗．

太陽能集熱系統(tǒng)作為太陽能供暖系統(tǒng)主要熱量來源，其選擇是否合理直接影響系統(tǒng)供暖的穩(wěn)定性．烏魯木齊地區(qū)處于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季溫度最低可達(dá)-20?C[8]，若在該地區(qū)冬季利用太陽能進(jìn)行供暖，需要選擇具有防凍性能的太陽能集熱器，因此抗凍性較好的熱管式真空管太陽能集熱器在烏魯木齊得以大量使用．但熱管真空管太陽能集熱器作為烏魯木齊地區(qū)冬季供暖熱源時，缺乏其傳熱特性和集熱效率的相關(guān)研究數(shù)據(jù)．為此，本研究通過實驗的方法對熱管真空管太陽能集熱器作為熱源應(yīng)用于烏魯木齊供暖系統(tǒng)時的傳熱特性和集熱效率進(jìn)行了實驗研究，以期為烏魯木齊地區(qū)冬季利用太陽能進(jìn)行供暖的實際應(yīng)用和太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

1 太陽能集熱器集熱性能分析

1.1 熱管真空管太陽能集熱器構(gòu)造

本研究所用熱管真空管太陽能集熱器構(gòu)造如圖1(a)所示．每組集熱器包括16根熱管真空管和連集管、導(dǎo)熱塊、隔熱材料、保溫盒等，見圖1(b)所示；單根熱管真空管如圖1(c)所示，每一根熱管真空管通過導(dǎo)熱塊連接在連集管[9]．

圖1 熱管真空管太陽能集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 太陽能集熱器的傳熱過程分析

當(dāng)熱管真空管集熱器接收到太陽輻射時，每一根熱管真空管會將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能并通過熱管將熱量傳遞給連集管內(nèi)的傳熱媒體（本研究中為質(zhì)量濃度70%的丙二醇防凍液），使得連集管內(nèi)的傳熱媒體逐步升溫，最終將熱量傳遞到輻射供暖末端．根據(jù)能量守恒定律，熱管真空管太陽能集熱器在單位時間內(nèi)得到的有用能量為集熱器吸收的太陽輻射能和向周圍環(huán)境損失熱量之間的差值，即

式中，QU是單位時間內(nèi)集熱器輸出的有用能量；QS是相同時間段內(nèi)集熱器接收的太陽輻射能量；QL是相同時間段內(nèi)集熱器損失的總熱量，單位都為W．

太陽能集熱器的集熱效率被定義為集熱器輸出的有用功率與投射到集熱器上太陽輻射功率之比[10]，即

式中，η是太陽能集熱器的集熱效率；G是太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；Ap是集熱器吸熱板面積，m2．

如果用集熱器連集管工質(zhì)進(jìn)口溫度Ti表示熱管真空管集熱器的瞬時效率方程，則有[10]

式中，AS是集熱器的采光面積，m2；Ti是集熱器連集管工質(zhì)進(jìn)口溫度；FR稱為集熱器熱轉(zhuǎn)移因子，其物理意義是集熱器實際的有用能量與假想吸熱板溫度為工質(zhì)進(jìn)口溫度時的有用能量之比．

從式（3）可以看出熱管真空管太陽能集熱器的效率和太陽輻射強(qiáng)度、室外溫度以及熱轉(zhuǎn)移因子密切相關(guān)，而熱管真空管的熱轉(zhuǎn)移因子和集熱器工質(zhì)流量相關(guān)，因此有必要通過實驗重點分析和研究烏魯木齊地區(qū)冬季供暖期室外氣象條件（太陽輻射強(qiáng)度、室外干球溫度、風(fēng)速等參數(shù)）、集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度、不同太陽能集熱器面積等因素變化對熱管真空管式太陽能集熱器綜合集熱效率、工質(zhì)出口溫度等參數(shù)的影響規(guī)律．為此本研究制定了相關(guān)實驗方案，對熱管真空管太陽能集熱器的性能進(jìn)行研究．

2 實驗方案及測試

2.1 實驗方案

根據(jù)上述分析，為了掌握烏魯木齊冬季熱管真空管太陽能集熱器熱性能變化規(guī)律，實驗方案見表1．

表1 太陽能集熱器性能實驗工況

重點對以下因素及其影響規(guī)律進(jìn)行考察：（1）太陽輻射強(qiáng)度一定和太陽能集熱器面積一定時，集熱器工質(zhì)流量變化對熱管真空管太陽能集熱器集熱量和熱管真空管太陽能集熱器出口工質(zhì)溫度的影響規(guī)律（工況1）；（2）太陽輻射強(qiáng)度一定、熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度與集熱器工質(zhì)流量一定時，室外空氣溫度變化對熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度的影響（工況2）；（3）其他條件一定，太陽日總輻射強(qiáng)度變化對集熱器工質(zhì)出口溫度的影響（工況3）．

2.2 測試儀器及數(shù)據(jù)采集

實驗臺采用本實驗室已有的太陽能相變蓄熱實驗臺[11]．室外太陽輻射強(qiáng)度采用錦州陽光太陽總輻射測量儀（TBQ-2A）測量，測量范圍0～2 000 W，精度±5%，實驗過程中將總輻射儀朝南向50?放置，傾斜角與集熱器傾角相同．室外溫度數(shù)據(jù)由PTS-3環(huán)境溫度測試儀測試，測量范圍-50?C～+80?C，精度±0.1?C．室外風(fēng)速風(fēng)向由EC-9S-9X進(jìn)行測量，測量范圍風(fēng)速0～70 m/s，精度±(0.3+0.03V)m/s，風(fēng)向0～360?，精度±0.5?．太陽能集熱器進(jìn)出口溫度采用測量精度較高的鎧裝鉑電阻PT100進(jìn)行測量，測量之前進(jìn)行了標(biāo)定，測溫精度±0.1?C．太陽能集熱器熱媒流量采用型號為LDE-20電磁流量計（測量精度±0.5%）．所有數(shù)據(jù)采集時間間隔為300 s．

3 實驗結(jié)果分析

3.1 集熱器工質(zhì)流量變化對熱管真空管太陽能集熱器熱工性能的影響（工況1）

為了探究集熱器工質(zhì)流量變化對熱管真空管太陽能集熱器熱工性能的影響，本研究以表1中工況1為實驗條件進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果如圖2所示．

從圖2可以看出在基本相同的太陽輻射強(qiáng)度下，隨著集熱器工質(zhì)流量的增加，集熱器工質(zhì)出口溫度不斷下降，進(jìn)出口溫差逐漸減小，當(dāng)工質(zhì)體積流量為0.2 m3/h時，集熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫差可以達(dá)到10?C，工質(zhì)體積流量增加至0.4 m3/h時，集熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫差僅為5.5?C左右，工質(zhì)體積流量為1.0 m3/h時，集熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫差僅為2?C．這是因為當(dāng)室外太陽輻射強(qiáng)度一定時，熱管真空管太陽能集熱器的有效集熱量基本確定，增大體積流量，必然會導(dǎo)致集熱器工質(zhì)出口溫度的下降．同時根據(jù)前述熱管真空管太陽能集熱器的傳熱過程分析，如果集熱器工質(zhì)體積流量大，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度偏低，會使得太陽能集熱系統(tǒng)有效供暖時間變短．

太陽能集熱器系統(tǒng)作為房間供暖熱量的來源，必然需要一定的溫差作為循環(huán)推動力，因此根據(jù)實驗結(jié)果可以得出熱管真空管太陽能集熱器的最佳工質(zhì)體積流量應(yīng)控制在0.2～0.3 m3/h，以保證工質(zhì)進(jìn)出口溫度差在7～10?C之間．

3.2 室外空氣溫度變化對熱管真空管太陽能集熱器熱工性能的影響（工況2）

圖3展示了室外空氣溫度變化對熱管真空管太陽能集熱器熱工性能的影響，實驗條件如表1中工況2．

圖2 工況1集熱器流量對集熱器工質(zhì)出口溫度和集熱量的影響

圖3 工況2不同室外溫度集熱器出口溫度和集熱量的變化規(guī)律

從圖3可以看出在瞬時太陽輻射強(qiáng)度一定，集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度一定，集熱器工質(zhì)體積流量一定時，室外溫度的變化對于集熱器出口溫度的影響并不大，太陽輻射強(qiáng)度500 W/m2時，室外溫度分別為-8?C和2?C時，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度分別為35.2?C和36.1?C，熱管真空管太陽能集熱器的瞬時集熱量分別為966 W和1 144 W，隨室外溫度的增加瞬時集熱量僅有小幅度增加．這是因為當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度一定時，室外溫度越高，則熱管真空管內(nèi)部的吸熱板向周圍環(huán)境的散熱損失會越小，因此熱管真空管太陽能集熱器的瞬時集熱量也會有所增加．

因此通過工況2實驗可以得出在同一太陽輻射強(qiáng)度下，集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度一定，集熱器工質(zhì)體積流量一定時，冬季室外溫度的變化對于熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度的影響并不大，僅集熱器的瞬時集熱量會隨著室外溫度的升高有小幅增加．

3.3 太陽日總輻射強(qiáng)度變化對熱管真空管太陽能集熱器熱工性能的影響（工況3）

工況3實驗主要分析熱管真空管太陽能集熱器集熱面積8 m2，集熱器工質(zhì)體積流量0.2 m3/h，地板輻射供暖系統(tǒng)末端盤管內(nèi)熱水體積流量0.2 m3/h．太陽日輻射強(qiáng)度較高的晴好天氣、太陽日輻射強(qiáng)度中等的一般天氣、太陽日輻射強(qiáng)度偏低的多云天氣，利用太陽能供暖，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫度的變化趨勢，實驗結(jié)果整理如圖4所示．

從圖4可以看出，熱管真空管太陽能集熱器有效集熱量隨太陽輻射強(qiáng)度增大呈線性增加趨勢，太陽輻射強(qiáng)度為7.2MJ/(m2·d)、13.8MJ/(m2·d)和21MJ/(m2·d)時，對應(yīng)集熱器工質(zhì)出口最高溫度分別40?C、46?C、56?C，對應(yīng)熱管真空管太陽能集熱器單位面積有效集熱量2.7 MJ/m2、5.28 MJ/m2、8.16 MJ/m2．單位面積熱管真空管太陽能集熱器的有效集熱量也隨太陽輻射強(qiáng)度的增大線性增加．

從工況3的實驗結(jié)果看出在烏魯木齊冬季不同室外太陽輻射強(qiáng)度下，熱管真空管太陽能集熱器的有效集熱量及集熱器工質(zhì)出口可以達(dá)到的最高溫度和熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度的變化情況．

3.4 太陽能集熱系統(tǒng)的平均效率

為了更好的了解熱管真空管太陽能集熱器在烏魯木齊地區(qū)整個供暖季的集熱性能，筆者根據(jù)2012年至2014年冬季期間大量的實驗數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合出熱管真空管太陽能集熱器作為供暖熱源時的平均效率．從實驗測試結(jié)果中選取室外風(fēng)速＜2m/s時，集熱器工質(zhì)進(jìn)出口溫度、集熱器工質(zhì)流量、室外溫度、太陽輻射強(qiáng)度以及對應(yīng)的熱管真空管太陽能集熱器采光面積一系列的測試數(shù)據(jù)，然后根據(jù)式（4）分別計算出以采光面積和集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度為參考的歸一化溫差T?[9]，并畫在如圖5所示的由集熱器效率和歸一化溫差組成的坐標(biāo)系中，用最小二乘法擬合可以得到熱管真空管集熱器作為烏魯木齊地區(qū)冬季供暖熱源時其平均效率方程的線性表達(dá)式．

式中，是以太陽能集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度為參考的歸一化溫差，是實驗期間室外平均溫度．

通過圖5回歸結(jié)果可得出在烏魯木齊冬季低溫條件下，熱管真空管太陽能集熱器的集熱器效率為

圖4 相同太陽輻射強(qiáng)度太陽能集熱器的有效集熱量及集熱器出口最高溫度

圖5 集熱器平均效率曲線

從以上實驗結(jié)果回歸分析可以得出在烏魯木齊冬季應(yīng)用熱管真空管太陽能集熱器進(jìn)行供暖，熱管真空管太陽能集熱器的平均效率高達(dá)45%．

4 結(jié)論

根據(jù)實驗研究得出以下結(jié)論：

（1）室外氣象條件一定、集熱器工質(zhì)流量一定，集熱器集熱面積越大，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度越高；

（2）太陽輻射強(qiáng)度一定、太陽能集熱器面積一定，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)體積流量從0.2 m3/h到1.0 m3/h變化時，熱管真空管太陽能集熱器的瞬時集熱量并沒有發(fā)生顯著變化，但熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度隨流量的增加而降低，通過實驗可知熱管真空管太陽能集熱器最佳工質(zhì)體積流量為0.2 m3/h；

（3）太陽輻射強(qiáng)度一定，熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)進(jìn)口溫度與集熱器工質(zhì)流量一定，室外溫度變化對于熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度的影響并不大，僅熱管真空管太陽能集熱器的瞬時集熱量會隨著室外溫度的升高有小幅增加；

（4）其他條件一定，熱管真空管太陽能集熱器有效集熱量隨太陽輻射強(qiáng)度增大呈線性增加趨勢，供暖期間熱管真空管太陽能集熱器工質(zhì)出口溫度最高可達(dá)60?C以上；太陽輻射強(qiáng)度為7.2 MJ/(m2·d)、13.8 MJ/(m2·d)和21 MJ/(m2·d)時，對應(yīng)集熱器工質(zhì)出口最高溫度分別40?C、46?C、56?C，對應(yīng)熱管真空管太陽能集熱器單位面積有效集熱量2.7 MJ/m2、5.28 MJ/m2、8.16 MJ/m2．

（5）通過大量的實驗實測結(jié)果通過最小二乘法進(jìn)行回歸分析可以得出在冬季，熱管真空管太陽能集熱器的平均效率高達(dá)45%．

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2014.

[2]張利,雷軍,張小雷.1952年—2008年新疆能源消費的碳排放變化及其影響因素分析[J].資源科學(xué),2012,34(1):42-49.

[3]冉啟英,李莉.能源消費與經(jīng)濟(jì)增長的協(xié)整分析:以新疆為例[J].特區(qū)經(jīng)濟(jì),2013(1):111-112.

[4]江億.我國建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào),2005,35(5):30-40.

[5]何梓年.太陽能熱利用與建筑結(jié)合技術(shù)講座(一)太陽能在建筑中應(yīng)用概述[J].可再生能源,2005,23(1):71-73.

[6]何梓年.太陽能熱利用與建筑結(jié)合技術(shù)講座(六):太陽能在建筑中應(yīng)用的前景[J].可再生能源,2005,23(6):84-86.

[7]何梓年.太陽能熱利用與建筑結(jié)合技術(shù)講座(三)太陽能采暖系統(tǒng)[J].可再生能源,2005,23(3):85-88.

[8]建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范(GB50176—93)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[9]何梓年,李煒,朱敦智.熱管式真空管太陽能集熱器及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[10]張鶴飛.太陽能熱利用原理與計算機(jī)模擬(第2版)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)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.