熱管式太陽能集熱系統(tǒng)在鄭州地區(qū)的供熱特性研究

鄭慧凡，田國記，李丹丹，黃晨茜，范曉偉

1 前言

我國是太陽能資源十分豐富的國家，三分之二的國土面積年日照量在2200 h以上，年輻射總量大約每年3340～8360 MJ/m2，相當(dāng)于110～250 kg標(biāo)準煤/m2。利用太陽能進行供熱可以緩解日益緊張的能源危機，近年來，很多國內(nèi)外學(xué)者對太陽能供熱性能進行了大量研究，取得了許多卓有成效的研究成果。

國外Ayompe等對愛爾蘭的柏林地區(qū)的熱管式真空管太陽能集熱裝置進行了試驗研究［1］；Hayek等在地中海地區(qū)建立了熱管式真空管和全玻璃真空管太陽能集熱器強制循環(huán)系統(tǒng)，并對2套系統(tǒng)進行了測試［2］；Budihardjo等通過試驗得出系統(tǒng)組分的特性，并利用TRNSYS軟件建立了預(yù)測真空管太陽能熱水器的長期性能的數(shù)學(xué)模型［3］；Houri等在黎巴嫩對真空管太陽能集熱器的熱虹吸太陽能熱水系統(tǒng)進行了熱量測試［4］；Russo等分析了太陽能光伏與地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的壽命周期環(huán)境評價［5］；Busato等通過試驗研究了太陽能輔助地源熱泵系統(tǒng)在住宅或辦公建筑中的運行性能，其系統(tǒng)供暖性能系數(shù)在3.0 以上［6］。

國內(nèi)趙玉蘭等對CPC熱管式真空管太陽集熱器進行了傳熱分析［7］；徐吉富等建立了二維數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件模擬管內(nèi)熱量傳遞過程，并揭示其溫度場和流場的分布規(guī)律［8］；肖紅升等設(shè)計了一種新型的開放式熱管真空管太陽高溫集熱器［9］；李寧等提出了適用于農(nóng)牧區(qū)采暖的太陽能熱泵采暖系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益［10］；周恩澤等設(shè)計建立了以熱管式真空管太陽能熱水器和水源熱泵機組為熱源的太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)試驗臺［11］。郝紅等建立系統(tǒng)仿真模型，對太陽能燃氣熱泵供暖系統(tǒng)及余熱回收進行了研究［12］。

綜上所述，眾多學(xué)者對熱管式真空管集熱器的研究多集中在吸收材料、集熱器性能等方面，而對熱管式真空管太陽能集熱裝置供熱性能的模擬與試驗的研究并不多見，因此，本研究基于EES軟件，建立了熱管式集熱裝置供熱性能仿真模型，搭建了熱管式真空管太陽能集熱裝置熱性能測試平臺，研究了太陽能集熱熱水溫度、集熱效率、供熱性能、貢獻率等參數(shù)的變化規(guī)律，為太陽能光供熱在鄭州地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

2 模型的建立

太陽能集熱系統(tǒng)由熱管式真空管太陽能集熱裝置，儲熱水箱，循環(huán)水泵等組成。本文基于EES軟件，設(shè)計并編寫了熱管式真空管太陽能集熱系統(tǒng)仿真程序。輸入?yún)?shù)包括：熱管式真空管集熱器結(jié)構(gòu)尺寸、太陽能逐時輻射強度、室外環(huán)境溫度、初始水溫、水量等參數(shù)；輸出參數(shù)包括：集熱量、集熱效率、集熱裝置逐時出口水溫參數(shù)等。

集熱器效率定義為 ：

式中 （τα）e——有效透射率與吸收率的乘積

UL——集熱器總熱損失系數(shù)

Tp1——吸熱板溫度,℃

Ta——環(huán)境溫度,℃

G ——太陽逐時輻射強度,W/m2

太陽能集熱量：

式中 Qu——集熱器集熱量,W

A——集熱器有效面積,m2

集熱器出口水溫：

式中 m——水箱內(nèi)水的質(zhì)量,kg

Cp——水的比熱容 ,J/（kg·K）

V——水箱容積，m3

Tin，Tout——集熱器進出口水溫 ,℃

模型所用其他公式詳見參考文獻［13］。熱管式真空管太陽能集熱系統(tǒng)仿真計算流程如圖1所示。

圖1 仿真計算程序流程

3 試驗裝置及結(jié)果分析

3.1 太陽能集熱裝置試驗系統(tǒng)

太陽能集熱裝置主要由熱管式真空管太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測量、采集系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

圖2 太陽能集熱試驗裝置示意

熱管式真空管太陽能集熱循環(huán)系統(tǒng)中集熱器共5組，每組采用16支熱管式真空管，熱管式真空管外形尺寸為Φ100 mm× 2000 mm，總采光面積為15.5 m2，水箱容積650 L，正南方向布置，傾角為45°。

數(shù)據(jù)測量、采集系統(tǒng)，主要測量了太陽輻射強度、室外環(huán)境溫度、集熱水溫、水量等參數(shù)，其中水溫的測量選用PT100型鉑電阻，范圍為-20～500℃，精度為0.2級，輸出4～20 mA信號，分別在儲熱水箱縱向均勻布置3個（T7,T8，T9）溫度測點及水箱進出口（T6，T1）各一個測溫點，每組集熱器的進出口（T2～T5）各一個測溫點，測點布置參見圖2；水量的測量采用橫河AXFA14G/C型電磁流量計；太陽輻射強度和室外環(huán)境溫度的測量及采集選用TBQ-2型太陽輻射儀，其靈敏度系數(shù)為 10.94 mV/（kW·m2），量程0～2000 W/m2，精度等級±2%。試驗中采用的測量儀器使用前均經(jīng)過校正和標(biāo)定。所有溫度、流量信號均由2700型Keithley數(shù)字萬用表進行自動采集。

3.2 結(jié)果分析

為了驗證所建仿真模型的準確性，將試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的逐時水溫變化進行了對比，如圖3所示。由圖可知，水溫的模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢相同，最大偏差為6.1%，平均偏差為4.3%，模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

圖3 試驗值和模擬值對比

結(jié)合鄭州地區(qū)典型日氣象參數(shù)［14］（當(dāng)月太陽輻射值最大日作為典型日），程序計算中太陽輻射值取集熱器裝置以當(dāng)?shù)鼐暥冉嵌葍A斜布置時的平均輻射值。

圖4，5給出了典型日輻射強度和集熱量的逐時變化。由圖4，5可知，太陽輻射強度和集熱量隨時刻變化先上升后下降，2015年12月28日輻射強度最低、集熱器集熱量較少，分別可達508.3 W/m2和4.31 kW；2016年3月14日輻射強度和集熱量最高，可分別達811.1 W/m2和8.02 kW；各典型日輻射強度及集熱量最大值出現(xiàn)在12:00-14:00之間。

圖4 典型日逐時輻射強度

圖5 典型日集熱器逐時集熱量

圖6 ，7所示為室外環(huán)境溫度和水溫的變化曲線。由圖可知，逐時環(huán)境溫度和水溫均先上升后下降，室外溫度2016年1月27日最低，同年3月14日偏高，最高溫度達9.7℃；水溫溫升2015年12月25日達37.9℃、最高溫度可達53.9℃，2016年3月14日溫升達58.4℃、最高溫度可達82.7℃。各典型日室外溫度及水溫最高出現(xiàn)在15:00-16:00之間。

圖6 室外溫度隨時刻的變化

圖7 水溫隨時刻的變化

圖8 給出了典型日集熱效率的逐時變化。由圖可知，各典型日集熱效率在9:00-11:00間上升較快，究其原因為該時間段內(nèi)水箱溫升較快，水溫越低集熱效率越高；12:00之后各典型日的集熱效率平緩降低。2016年3月14日達到最大值0.62，集熱效率最小值出現(xiàn)在2015年12月28日，達0.33。

圖8 典型日逐時集熱效率

根據(jù)鄭州地區(qū)2015年11月～2016年3月份的氣象條件，將熱管式真空管太陽能集熱裝置對鄭州地區(qū)某200 m2別墅供暖。分析了各月份的月平均貢獻率（太陽能集熱系統(tǒng)提供熱量與建筑物所需熱量的比值，建筑所需熱負荷詳見文獻［13］）如圖9所示。

圖9 太陽能月供暖貢獻率

由圖可知，2015年11月～2016年3月期間，各月平均貢獻率在40%～78%之間波動，平均值為54%，最大值出現(xiàn)在2016年3月份達到78%，最小值出現(xiàn)在2015年12月份達到40%。

4 結(jié)論

本研究基于EES軟件，建立了熱管式集熱裝置供熱性能仿真模型，搭建了熱管式真空管太陽能集熱裝置熱性能測試平臺，分析了太陽能集熱熱水溫度、集熱效率、供熱性能、貢獻率等參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）2015年11月～2016年3月，在鄭州地區(qū)典型氣象條件下，太陽輻射強度和集熱量隨時刻均先上升后下降，2016年3月14日輻射強度和集熱量最高，分別可達811.1W/m2和8.02kW。

（2）太陽能儲熱水箱內(nèi)水溫和集熱效率隨時刻先上升后下降，2016年3月14日室外溫度偏高，最高溫度為9.7℃；水溫溫升達58.4℃、最高溫度可達82.7℃；集熱效率2016年3月14日達到最大值0.62，最小值出現(xiàn)在2015年12月28日，為0.33。

（3）根據(jù)鄭州地區(qū)2015年11月～2016年3月的氣象條件，將熱管式真空管太陽能集熱裝置為鄭州地區(qū)某200 m2別墅供暖，該系統(tǒng)的月平均貢獻率在40%～78%之間波動，平均值為54%，最大值達到78%。

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