全玻璃真空管太陽(yáng)能陣列供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)

李金平，孔 瑩，許 哲，司澤田

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730050）

全玻璃真空管太陽(yáng)能陣列供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)

李金平，孔 瑩，許 哲，司澤田

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730050）

為了研究實(shí)際工況下全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)供暖性能，通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析得出了儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)、太陽(yáng)能集熱器陣列集熱效率的回歸方程以及系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率的計(jì)算公式，結(jié)果表明：2015年11月24日至2015年12月5日，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)為25.82～31.53 W/℃，全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率為38%～72%。以2015年11月30日為例，系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率為37.1%，太陽(yáng)能集熱器所收集的熱量?jī)H有54.6%被利用，系統(tǒng)熱損過(guò)大。通過(guò)對(duì)比系統(tǒng)供熱量和建筑逐時(shí)耗熱量發(fā)現(xiàn)：在供暖期間，系統(tǒng)所提供的熱量遠(yuǎn)大于該段時(shí)間的建筑耗熱量，特別是在供暖初期，供熱量達(dá)到了該時(shí)段建筑耗熱量的10倍以上，供熱量和供暖時(shí)間過(guò)于集中；針對(duì)此問(wèn)題提出了單戶太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)運(yùn)行策略的改進(jìn)建議。

太陽(yáng)能；熱損；建筑；全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器供暖系統(tǒng)；低溫地板輻射采暖

0 引 言

西北地區(qū)普遍處在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖期長(zhǎng)達(dá)5～6個(gè)月，農(nóng)村住宅建筑冬季采暖能耗在建筑總能耗中所占的比例很大[1]，但同時(shí)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，充分的利用太陽(yáng)能來(lái)滿足農(nóng)戶冬季采暖需求具有重要的節(jié)能與環(huán)保意義[2]。

為了利用太陽(yáng)能來(lái)滿足用戶冬季的采暖需求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能供暖技術(shù)做了大量的研究。Rekstad等[3]發(fā)現(xiàn)主動(dòng)式供暖能耗比空氣-水源熱泵供暖能耗低15%～20%。Yu等[4]提出了一種用于建筑供暖、包括被動(dòng)式和主動(dòng)式雙重功能的太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)南向的房間采用被動(dòng)式采暖、北向的房間采用主動(dòng)式采暖時(shí)，室內(nèi)平均溫度可達(dá)到17 ℃。Mehdaoui等[5]提出了一種太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Chung等[6]對(duì)帶有跨季儲(chǔ)熱裝置的太陽(yáng)能集中供熱系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。Ren等[7]提出了一種用于太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的新型輻射末端裝置，通過(guò)建立三維模型分析了其供暖性能，當(dāng)供暖溫度為30 ℃時(shí)，供熱管道末端散熱功率為每米50 W，室內(nèi)溫度可達(dá)22 ℃。Lundh等[8]研究了為50戶建筑供暖的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)由于儲(chǔ)熱水箱太小，儲(chǔ)熱水箱的熱損達(dá)到了儲(chǔ)熱量的40%。在國(guó)內(nèi)，王岳人等[9]動(dòng)態(tài)模擬了建筑全年的供暖能耗。趙薇等[10]設(shè)計(jì)搭建了一種太陽(yáng)能-低溫?zé)峁艿匕遢椛洳膳到y(tǒng)，室內(nèi)溫度能夠達(dá)到22 ℃。李宏燕等[11]利用太陽(yáng)能地板輻射供暖系統(tǒng)向室內(nèi)供暖，可維持室內(nèi)平均溫度高于環(huán)境平均溫度12 ℃。崔成遼等[12]搭建了太陽(yáng)能和電鍋爐相結(jié)合的地板輻射供暖系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在房間供暖負(fù)荷中，太陽(yáng)能供熱量占到80%左右，此系統(tǒng)能夠滿足房間冬季供暖需求。李金平等[13-15]針對(duì)基于太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的農(nóng)村綠色建筑的供能問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。

全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器在建筑采暖中有著廣闊的應(yīng)用空間，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了多方面的研究[16]。Daghigh等[17]建立了全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器熱力學(xué)和火用分析的熱力模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了熱水負(fù)荷與系統(tǒng)性能之間的直接關(guān)系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的火用效率隨著時(shí)間的推移而提高。Budihardjo等[18-19]研究了自然循環(huán)的全玻璃真空管集熱器循環(huán)水流量的影響因素，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水流量與集熱器接收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、水箱溫度、集熱器傾角及真空管的高寬比有關(guān)。Budillarolzo[20]對(duì)全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器內(nèi)自然對(duì)流流場(chǎng)進(jìn)行了CFD模擬和試驗(yàn)測(cè)量。Kim等[21]研究了真空管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)集熱器熱效率的影響。Mazarrón等[22]研究了真空管太陽(yáng)能集熱器在不同水箱溫度的情況下供暖的可行性。Gao等[23]對(duì)全玻璃真空管集熱器與U型真空管集熱器的集熱效率進(jìn)行了對(duì)比分析。本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器與燃煤鍋爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)2014―2016年連續(xù)2個(gè)采暖季的太陽(yáng)能替代煤炭的能源替代率分別達(dá)到了64.6%～82.6%，整個(gè)采暖季室內(nèi)的平均溫度達(dá)到14 ℃左右，采暖效果非常好[24-25]。

現(xiàn)有太陽(yáng)能采暖研究集中在整個(gè)采暖期系統(tǒng)的供暖性能和全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器集熱效率的影響因素上，幾乎沒(méi)有關(guān)于實(shí)際供暖運(yùn)行策略對(duì)單體建筑太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)某一日逐時(shí)動(dòng)態(tài)供暖性能的影響方面的研究。相同的太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)在不同的運(yùn)行策略下所提供的供暖效果差異很大。且太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)具有不同于傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的特點(diǎn)——供能不穩(wěn)定和集熱面積有限，且系統(tǒng)的集熱高峰期往往與建筑的耗熱量高峰期相錯(cuò)開(kāi)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文在團(tuán)隊(duì)前期[24-25]研究的基礎(chǔ)上，對(duì)甘肅省民勤縣所構(gòu)建的全玻璃真空管太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)進(jìn)行了更加深入的研究，通過(guò)理論和試驗(yàn)研究了實(shí)際運(yùn)行方式下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)供暖性能，并提出了改進(jìn)建議。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本文以甘肅省民勤縣張麻新村搭建的一套由6組豎管式全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)組成的陣列供暖系統(tǒng)作為試驗(yàn)對(duì)象。每組集熱器主要由40支φ58×L1800全玻璃真空管和一個(gè)400 L儲(chǔ)熱水箱組成，采光面積約為3.85 m2，全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的總采光面積約為23.1 m2，集熱器方位角為南偏西約40°，集熱平面與水平面夾角45°。陣列的供暖對(duì)象為一座單體單層建筑，建筑占地面積為117 m2，住宅面積103 m2，層高2.8 m，實(shí)際供暖面積87 m2，包括一間客廳和三間臥室。建筑外層采用聚苯板保溫，使用低溫地板采暖，室內(nèi)布局如圖1所示。圖2為太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)的運(yùn)行策略為：每日17:30～23:00為供暖時(shí)間，在此期間，控制系統(tǒng)控制供暖水泵每運(yùn)行8 min停止5 min。

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

圖2 采暖系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating system

1.2 測(cè)量參數(shù)與儀器

本文對(duì)太陽(yáng)輻照度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、供暖流量、儲(chǔ)熱水箱溫度、供暖進(jìn)出口溫度等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，所有測(cè)量參數(shù)均由Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集和記錄，自動(dòng)采集和記錄間隔為10 s。測(cè)試期為2015年11月24日至2015年12月5日，該段時(shí)間太陽(yáng)能系統(tǒng)獨(dú)立供暖，無(wú)燃煤鍋爐輔助。表1給出了測(cè)量參數(shù)和測(cè)量?jī)x器的相關(guān)信息。

表1 測(cè)量?jī)x器的型號(hào)及技術(shù)參數(shù)Table 1 Types and technical parameters of measure instruments

1.3 計(jì)算方法

全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列供暖時(shí)，儲(chǔ)熱水箱的水在供暖水泵的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)低溫地板給室內(nèi)供暖。全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列吸收的太陽(yáng)能一部分給室內(nèi)供暖，另一部分通過(guò)儲(chǔ)熱水箱和室外管道損失到了環(huán)境中。由于管道的保溫措施良好且管道的外表面積與儲(chǔ)熱水箱的外表面積相比很小，因此本文研究時(shí)忽略了管道熱損失，只考慮儲(chǔ)熱水箱的熱損失。

太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的能量平衡式如下：

式中qu為集熱器陣列集熱功率，W；ηc為集熱器陣列效率；A0為集熱器陣列的采光面積，m2；IT為集熱器陣列采光平面上單位面積所接收的瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；L為儲(chǔ)熱水箱通過(guò)地?zé)岜P管供暖的熱功率，W；(mCp)s為儲(chǔ)熱水箱中水的質(zhì)量與比熱容的乘積，即儲(chǔ)熱水箱中水的總熱容，J/℃；dTtank/dτ為水箱溫度隨時(shí)間的變化率，℃/s；(UA)s為儲(chǔ)熱水箱的熱損系數(shù)與水箱表面積總和的乘積，即儲(chǔ)熱水箱的總熱損系數(shù)，W/℃；Ttank為儲(chǔ)熱水箱的溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；(mCp)L為系統(tǒng)循環(huán)管路中的水的質(zhì)量流量與水的比熱容的乘積，W/℃；Tf,o為集熱器陣列的出口流體溫度，℃；Tf,i為集熱器陣列的進(jìn)口流體溫度，℃。

1.3.1 儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)

當(dāng)夜間系統(tǒng)不供暖時(shí)，儲(chǔ)熱水箱處在自然散熱的狀態(tài)，其能量平衡方程如下：

對(duì)上式進(jìn)行整理可得關(guān)于時(shí)間段τ的函數(shù)：

顯然，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)(UA)s是該函數(shù)的斜率。

1.3.2 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列集熱效率

當(dāng)系統(tǒng)只集熱不供暖時(shí)，其能量平衡方程如下：

對(duì)上式進(jìn)行整理可得關(guān)于集熱器陣列采光平面上所接受的總的太陽(yáng)輻射能IT的函數(shù)：

全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率ηc為該函數(shù)的斜率。

1.3.3 系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率

由式（1）可得集熱器陣列的日平均效率ηc為

式中ηc為集熱器陣列的日平均效率；Δt為數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔，s；n為日照時(shí)長(zhǎng)，h；IT為日平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；ΔTtank為儲(chǔ)熱水箱全天24 h周期的起始溫度差，℃。

集熱器陣列的日平均集熱效率僅僅表示了某日太陽(yáng)能集熱器陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能的能力，但由于其中一部分熱能會(huì)以熱損的形式散失到環(huán)境中，因而無(wú)法表征究竟有多少太陽(yáng)能被太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)所利用，因此定義太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率為

由式（6）和式（7）可以看出：φ<ηc，圖3表示了集熱器陣列日平均集熱效率ηc與太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率φ之間的關(guān)系。

圖3 集熱器陣列的日平均效率與系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between collection efficiency of solar collection array and solar energy utilization

1.3.4 建筑逐時(shí)耗熱量

為了研究冬季建筑耗熱量隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而研究太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略，本文引入建筑逐時(shí)耗熱量的計(jì)算。建筑逐時(shí)耗熱量即按小時(shí)計(jì)算的建筑耗熱量，室外計(jì)算溫度取某小時(shí)的室外平均溫度，室內(nèi)計(jì)算溫度取14 ℃[26]。

對(duì)《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[27]中的冬季采暖耗熱量的公式進(jìn)行修改，提出建筑的逐時(shí)耗熱量計(jì)算公式

式中(qH)j、(qHT)j、(qINF)j、(qIH)j分別為某一天中第j小時(shí)的建筑耗熱量、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑物內(nèi)部得熱量，W。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量(qHT)j按下式計(jì)算

式中Ti為室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；(Te)j為某一天中第j小時(shí)的室外平均溫度，℃；ε為各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；K為建筑各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為各個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2。

空氣滲透耗熱量(qINF)j按下式計(jì)算

式中pc為空氣的比熱容，取0.28 W·h/(kg·℃)；ρ為空氣的密度，取1.293 kg/m3；N為換氣次數(shù)，取0.5次/h；V為換氣體積，按建筑室內(nèi)體積的0.6倍計(jì)算[28]，為173 m3/次。

建筑物內(nèi)部得熱量IH()jq一般包括人體散熱量、炊事和照明散熱量，一般散熱量不大且不穩(wěn)定，故可忽略不計(jì)[29]。

將式（9）和（10）代入（8）中，可得

1.3.5 系統(tǒng)的太陽(yáng)能采暖保證率

系統(tǒng)總負(fù)荷中太陽(yáng)能所擔(dān)負(fù)的負(fù)荷百分?jǐn)?shù)叫做太陽(yáng)能保證率[30]，系統(tǒng)每日的太陽(yáng)能采暖保證率按下式計(jì)算

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的確定與分析

2.1.1 儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的確定

選取2015年11月30日夜間00:00～7:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每10 min取1次水箱溫度和室外溫度，共計(jì)42組數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）分別對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖4表示了當(dāng)日儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的擬合結(jié)果，可以看出水箱總熱損系數(shù)就是函數(shù)()fτ的斜率，通過(guò)線性擬合可得當(dāng)日該時(shí)段儲(chǔ)熱水箱的總熱損系數(shù)為29.79 W/℃。

圖4 儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的數(shù)據(jù)擬合Fig.4 Data fitting for total heat loss coefficient of heat storage tank

2.1.2 儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的影響因素分析

用同樣的方法對(duì)其余11 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。表2列出了2015年11月24日～2015年12月5日夜間00:00～07:00平均環(huán)境溫度Tamb、環(huán)境溫度變化幅度ΔTamb、風(fēng)速平均值u及擬合所得的儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)(UA)s。

表2 試驗(yàn)結(jié)果和儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的數(shù)據(jù)擬合Table 2 Results of experiment and data fitting for heat storage tank total heat loss coefficient

為分析00:00～07:00間平均環(huán)境溫度、環(huán)境溫度變化范圍、風(fēng)速平均值對(duì)儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)的影響，采用多元線性變量回歸方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如下關(guān)系式：

該回歸方程的擬合優(yōu)度R2為0.73，平均預(yù)測(cè)誤差為1.03 W/℃；顯著性概率為0.01，認(rèn)為自變量與因變量之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。

在其他條件不變的情況下，單一因素變化對(duì)總熱損系數(shù)的影響如下：平均環(huán)境溫度每降低1 ℃，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.08 W/℃；環(huán)境溫度的變化范圍每增加1 ℃，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.97 W/℃；風(fēng)速平均值每增加1 m/s儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.92 W/℃。

為了驗(yàn)證關(guān)系式（13）的準(zhǔn)確性，將2016年12月8日－2016年12月14日的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)線性擬合得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的擬合值，同時(shí)將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（13）得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的計(jì)算值，將兩者進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出12月8日和12月10日兩者的偏差較大，其余4 d偏差較小，這說(shuō)明式（13）能夠反映出室外溫度、風(fēng)速等因素對(duì)總熱損系數(shù)的影響，但準(zhǔn)確度不高，這主要有兩方面的原因：一是樣本數(shù)量少，二是總熱損系數(shù)還可能受到其他未知因素的影響。

表3 總熱損系數(shù)計(jì)算值與擬合值的對(duì)比結(jié)果Table 3 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

儲(chǔ)熱水箱的散熱過(guò)程實(shí)際上是水箱中的熱水與外界空氣的對(duì)流換熱過(guò)程，而熱損系數(shù)主要受到水箱內(nèi)部水與內(nèi)壁面間對(duì)流換熱系數(shù)、水箱壁的導(dǎo)熱系數(shù)以及空氣與外壁面間對(duì)流換熱系數(shù)的影響，在白天有太陽(yáng)光時(shí)，熱損系數(shù)還會(huì)受到太陽(yáng)輻射的影響，但考慮到水箱外殼的保溫措施良好且水箱接受太陽(yáng)輻射的外表面積較小，另外參考建筑耗熱量在計(jì)算過(guò)程中并不考慮太陽(yáng)輻射的影響，因此忽略太陽(yáng)輻射對(duì)熱損系數(shù)的影響。這樣，根據(jù)式（13）可以估算出任意時(shí)間段儲(chǔ)熱水箱的總熱損系數(shù)。

2.2 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列效率的確定與分析

2.2.1 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列效率的確定

將2015年11月30日9:00～17:00期間的平均環(huán)境溫度7.3 ℃、環(huán)境溫度變化幅度14.2 ℃、風(fēng)速平均值0.4 m/s，由式（13）得這段時(shí)間集熱階段儲(chǔ)熱水箱的總熱損系數(shù)為37.33 W/℃，然后根據(jù)式（5）擬合出系統(tǒng)中全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列的效率。

選取2015年11月30日09:00－17:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每10 min取1次水箱溫度和室外溫度，共計(jì)48組數(shù)據(jù)，分別對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

圖5表示了11月30日09:00－17:00儲(chǔ)熱水箱溫度、環(huán)境溫度及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況，水箱溫度由29.6 ℃上升至64.6 ℃，在集熱初期09:00－10:00這段時(shí)間儲(chǔ)熱水箱溫度上升緩慢，在10:00－16:00這段時(shí)間，儲(chǔ)熱水箱的溫度呈直線上升的趨勢(shì)；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在12:30和13:30時(shí)出現(xiàn)急劇減小的情況，但由于集熱器的集熱量大于其耗熱量，水箱的溫度依然繼續(xù)上升；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在14:00時(shí)達(dá)到最大值，其后逐漸減小，而水箱溫度仍然繼續(xù)升高，直至16:00之后，水箱溫度基本達(dá)到最大值而不再上升；在測(cè)試期間，環(huán)境溫度在?3～10.9 ℃之間波動(dòng)。

圖5 儲(chǔ)熱水箱溫度、環(huán)境溫度以及太陽(yáng)輻射強(qiáng)度Fig.5 Heat storage tank temperatures, ambient temperatures and solar irradiation intensity

圖6 表示了當(dāng)日太陽(yáng)能集熱器陣列效率的擬合結(jié)果，由于測(cè)試初期10:30之前太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于550 W/m2時(shí)，集熱器的預(yù)熱作用使得這段時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果偏差較大，但后期數(shù)據(jù)則與擬合結(jié)果較吻合；通過(guò)線性擬合可得當(dāng)日太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率為0.68。

圖6 太陽(yáng)能集熱器陣列效率試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合Fig.6 Data fitting of experimental results for collection efficiency of solar collector array

2.2.2 全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列效率影響因素的分析

用同樣的方法對(duì)其余11d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。表4列出了2015年11月24日～2015年12月5日太陽(yáng)能集熱器陣列集熱期間09:00～17:00平均環(huán)境溫度Tamb、平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度IT、總熱損系數(shù)(UA)s及擬合所得的太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率ηc。

表4 試驗(yàn)結(jié)果和集熱器陣列集熱效率的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 4 Results of experiment and data fitting for average daily efficiency of solar collector array

為分析09:00～17:00間平均環(huán)境溫度、平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和總熱損系數(shù)對(duì)太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率的影響，同樣根據(jù)多元線性變量回歸方程對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如下關(guān)系式：

該回歸方程的擬合優(yōu)度R2為0.70，平均的預(yù)測(cè)誤差為0.09；顯著性概率為0.02，認(rèn)為自變量與因變量之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。在其他條件不變的情況下，單一因素變化對(duì)集熱器陣列集熱效率的影響如下：平均環(huán)境溫度每升高1 ℃，集熱效率增加1.56%，平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度每增加100 W/m2，集熱效率增加5.56%，總熱損系數(shù)每增加1 W/℃，集熱效率增加1.4%。

為了驗(yàn)證關(guān)系式（14）的準(zhǔn)確性，將2016年12月8日－2016年12月14日的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)線性擬合得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的擬合值，同時(shí)將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（14）得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的計(jì)算值，將兩者進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 總熱損系數(shù)計(jì)算值與擬合值的對(duì)比結(jié)果Table 5 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

從表5中可看出除12月14日兩者偏差達(dá)到20.6%，其余天兩者偏差均在10%左右，這說(shuō)明式（14）能夠較好的預(yù)測(cè)太陽(yáng)能集熱器的集熱效率；12月11日－12月12日為連續(xù)雨雪天，集熱器陣列接受到的太陽(yáng)輻射總量分別為34.65和113.1 MJ，因此集熱效率很低，這也反映出式（14）的計(jì)算結(jié)果是符合實(shí)際情況的。根據(jù)式（14）可以估算出某日太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率。

2.3 系統(tǒng)太陽(yáng)能利用率的分析

圖7表示了2015年11月30日17:30－23:00太陽(yáng)能供暖時(shí)間段內(nèi)循環(huán)水流量和集熱器陣列進(jìn)出口流體溫度隨時(shí)間的變化曲線，控制系統(tǒng)設(shè)置供暖水泵運(yùn)行8 min停止5 min，水泵流量為0.27~0.30 kg/s，因此圖中曲線呈現(xiàn)間歇式變化。

圖7 循環(huán)水泵流量和集熱器陣列進(jìn)出口流體溫度Fig.7 Flow rate and temperatures of collection array inlet and outlet

根據(jù)式（7）可以計(jì)算出某一日系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率。2015年11月30日,日照時(shí)長(zhǎng)約9.17 h,平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度583.2 W/m2，太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率為0.68，計(jì)算得該日系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率為37.1%，由此可以看出太陽(yáng)能集熱器陣列所收集的熱量?jī)H有54.6%被利用，剩余的45.4%的熱量則作為熱損重新散失到環(huán)境中。系統(tǒng)的熱損占集熱器陣列集熱量的比例很大，若能夠?qū)⑦@一部分熱量加以利用，可以很大程度的提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行策略的分析

2.4.1 建筑逐時(shí)耗熱量的計(jì)算

由式（11）知，建筑的逐時(shí)耗熱量和室內(nèi)計(jì)算溫度與該小時(shí)環(huán)境平均溫度的差值[ti?(te)j]成正比，通過(guò)計(jì)算，本文中試驗(yàn)建筑的(∑εKF+cpρNV )值為352.5 W/℃。表6為2015年11月30日這一天從00:00～24:00每小時(shí)的室外平均溫度與建筑的逐時(shí)耗熱量的計(jì)算結(jié)果，從表中可以看出：建筑的逐時(shí)耗熱量在00:00～10:00這段時(shí)間非常大，占建筑全天耗熱量的65.4%。

2.4.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略分析

由式（12）可得2015年11月30日的系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率為48.3%。圖8表示了2015年11月30日17:30～23:00太陽(yáng)能供暖時(shí)間段內(nèi)建筑耗熱功率、供暖系統(tǒng)供給建筑的熱功率及儲(chǔ)熱水箱溫度隨時(shí)間的變化曲線，從中可以看出：供暖期間，由于水泵采用運(yùn)行8 min停止5 min的運(yùn)行策略，供暖功率也呈現(xiàn)間歇式變化，由于水泵剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，供暖管路里面的水已經(jīng)冷卻了5 min，溫度較低，因此集熱器陣列進(jìn)出口溫差較大，隨著不斷的循環(huán)，進(jìn)出口溫差逐漸減小，因此每一個(gè)水泵運(yùn)行時(shí)間段的供暖功率都是由大到小變化；儲(chǔ)熱水箱溫度的變化趨勢(shì)與供暖系統(tǒng)地?zé)岜P管熱功率的整體變化趨勢(shì)相似，在供暖初期下降速率較快，后期逐漸平緩；熱流量曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積表示供暖系統(tǒng)提供給建筑的總熱量，建筑逐時(shí)耗熱量曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積表示建筑總的耗熱量，可以看出系統(tǒng)的供熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑的耗熱量。

圖8 建筑耗熱功率、供暖系統(tǒng)供給建筑的熱功率及儲(chǔ)熱水箱溫度Fig.8 Building heat consumption power, system heating power and heat storage tank temperature

圖9 為2015年11月30日全天系統(tǒng)逐時(shí)供熱量與建筑逐時(shí)耗熱量的對(duì)比，從圖9中可以看出：雖然系統(tǒng)全天的太陽(yáng)能采暖保證率只有48.3%，但在供暖期間，系統(tǒng)所提供的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該段時(shí)間的建筑耗熱量，特別是在采暖初期17:30～18:00期間，供熱量達(dá)到了建筑耗熱量的10倍以上；系統(tǒng)逐時(shí)供熱量的最大值出現(xiàn)在06:00～08:00，建筑逐時(shí)耗熱量的最大值出現(xiàn)在17:30～19:00，兩者時(shí)間不一致。因此整個(gè)供暖階段，設(shè)定水泵運(yùn)行8 min停止5 min、水泵流量為0.27～0.30 kg/s這種運(yùn)行模式并不是最優(yōu)的，以此種模式運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)在供暖初期供熱量過(guò)大、系統(tǒng)供熱能力下降過(guò)快、供暖期間室內(nèi)溫度過(guò)高、熱量浪費(fèi)嚴(yán)重的不良效果。

圖9 全天系統(tǒng)逐時(shí)供熱量與建筑逐時(shí)耗熱量的對(duì)比Fig.9 Comparison of hourly system heat supply and building heat consumption during period of solar heating whole day

本文的研究對(duì)象是全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器陣列與地板輻射采暖所構(gòu)成的供暖系統(tǒng)，研究這個(gè)系統(tǒng)自身的供暖特性時(shí)且僅考慮環(huán)境因素（環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度）對(duì)其的影響，并沒(méi)有考慮室內(nèi)溫度的影響，而2.4.1節(jié)中建筑逐時(shí)熱負(fù)荷的計(jì)算所用到的室內(nèi)溫度則采用的是“室內(nèi)計(jì)算溫度”，取14 ℃，而在供暖初期室內(nèi)溫度尚未達(dá)到14 ℃時(shí)，建筑耗熱量較大，對(duì)系統(tǒng)的供暖特性是有一定的影響，并且室內(nèi)溫度能夠反映供暖的效果，這是不容忽視的，這部分內(nèi)容本團(tuán)隊(duì)會(huì)在后續(xù)工作中進(jìn)行深入的研究。

表6 2015年11月30日每時(shí)的室外平均溫度與建筑逐時(shí)耗熱量的計(jì)算結(jié)果Table 6 Hourly average outdoor temperatures and calculations of hourly heating load of building on 30thNov., 2015

根據(jù)以上結(jié)論，對(duì)單戶太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行改進(jìn)，給出以下建議：

1）應(yīng)在供暖初期適當(dāng)增加水泵的運(yùn)行間隔時(shí)間或者減小水泵流量，以減小系統(tǒng)供熱量、減緩儲(chǔ)熱水箱溫度的下降速度，從而將供暖時(shí)間延長(zhǎng)至深夜、使供暖曲線更加平緩、室內(nèi)熱舒適度更高。

2）若當(dāng)日的太陽(yáng)輻射較好，儲(chǔ)熱水箱溫度較高時(shí)，可適當(dāng)將供暖的開(kāi)始時(shí)間提前，在集熱的同時(shí)進(jìn)行供暖，以減緩儲(chǔ)熱水箱溫度上升的速度，這樣可以降低水箱熱損、提高系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率，同時(shí)可以使供暖曲線更加平緩、室內(nèi)溫度隨時(shí)間變化更加均勻。

3 結(jié) 論

本文對(duì)全玻璃真空管太陽(yáng)能陣列供暖系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，得到了以下結(jié)論：

1）儲(chǔ)熱水箱的總熱損系數(shù)與環(huán)境溫度平均值、環(huán)境溫度變化幅度、風(fēng)速平均值有很大的關(guān)系；平均環(huán)境溫度每降低1 ℃，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.08 W/℃；環(huán)境溫度的變化范圍每增加1 ℃，儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.97 W/℃；風(fēng)速平均值每增加1 m/s儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)增加0.92 W/℃。

2）太陽(yáng)能集熱器陣列的集熱效率與集熱期間平均環(huán)境溫度、平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)有很大關(guān)系；平均環(huán)境溫度每升高1 ℃，集熱效率增加1.56%；平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度每增加100 W/m2，集熱效率增加5.56%；總熱損系數(shù)每增加1 W/℃，集熱效率增加1.4%。

3）太陽(yáng)能集熱器陣列所收集的熱量?jī)H有54.6%被利用，剩余的45.4%的熱量則作為熱損重新散失到環(huán)境中，系統(tǒng)的熱損占集熱器陣列集熱量的比例很大，若能夠?qū)⑦@一部分熱量加以利用，可以很大程度的提高系統(tǒng)實(shí)際的太陽(yáng)能利用率。

該單戶太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略應(yīng)當(dāng)從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：在供暖初期適當(dāng)減小供暖水流量，即增加水泵的運(yùn)行間隔時(shí)間或者減小水泵流量；若太陽(yáng)輻射較好，儲(chǔ)熱水箱溫度較高時(shí)，可適當(dāng)將供暖開(kāi)始的時(shí)間提前。

[1] 馬超，劉艷峰，王登甲，等. 西北農(nóng)村住宅建筑熱工性能及節(jié)能策略分析[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(3)：427－432. Ma Chao, Liu Yanfeng, Wang Dengjia, et al. Analysis of thermal performance and energy saving strategy of rural residence building in northwest China[J]. Journal of Xi'an University of Architecture and Technology: Natural Science Edition, 2015(3): 427－432. (in Chinese with English abstract)

[2] 朱軼韻，劉加平. 西北農(nóng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(2)：400－404. Zhu Yiyun, Liu Jiaping. Research on the indoor thermal environment of rural architecture in winter in northwestern areas[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(2): 400－404. (in Chinese with English abstract)

[3] Rekstad J, Meir M, Murtnes E, et al. A comparison of the energy consumption in two passive houses, one with a solar heating system and one with an air-water heat pump[J]. Energy and Buildings, 2015, 96: 149－161.

[4] Yu Z, Ji J, Sun W, et al. Experiment and prediction of hybrid solar air heating system applied on a solar demonstration building[J]. Energy and Buildings, 2014, 78: 59－65.

[5] Mehdaoui F, Hazami M, Naili N, et al. Energetic performances of an optimized passive solar heating prototype used for Tunisian buildings air-heating application[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 87: 285－296.

[6] Chung M, Park J U, Yoon H K. Simulation of a central solar heating system with seasonal storage in Korea[J]. Solar Energy, 1998, 64(4): 163－178.

[7] Ren J, Zhu L, Wang Y, et al. Very low temperature radiant heating/cooling indoor end system for efficient use of renewable energies[J]. Solar Energy, 2010, 84(6): 1072－1083.

[8] Lundh M, Dalenb?ck J O. Swedish solar heated residential area with seasonal storage in rock: Initial evaluation[J]. Renewable Energy, 2008, 33(4): 703－711.

[9] 王岳人，毛宏迪，宋延麗. 主動(dòng)式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)保證率定量分析[J]. 沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，29(6)：1078－1084. Wang Yueren, Mao Hongdi, Song Yanli. Quantitative study on the solar fraction of active solar heating system[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2013, 29(6): 1078－1084. (in Chinese with English abstract)

[10] 趙薇，張于峰，鄧娜，等. 太陽(yáng)能-低溫?zé)峁艿匕遢椛涔嵯到y(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29(6)：637－643. Zhao Wei, Zhang Yufeng, Deng Na, et al. Experimental investigation on the performance of solar-thermosyphon embedded radiant floor heating system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2008, 29(6): 637－643. (in Chinese with English abstract)

[11] 李宏燕，何建國(guó)，李明濱. 銀川地區(qū)太陽(yáng)能地板輻射供暖性能測(cè)試分析[J]. 暖通空調(diào)，2015(10)：86－90. Li Hongyan, He Jianguo, Li Mingbin. Performance test and analysis of solar floor radiation heating in Yinchuan region[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 2015(10): 86－90. (in Chinese with English abstract)

[12] 崔成遼，張葉，焦浩，等. 嚴(yán)寒地區(qū)太陽(yáng)能地板輻射供暖系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 建筑節(jié)能，2015(6)：40－46. Cui Chengliao, Zhang Ye, Jiao Hao, et al. Experimental research of solar radiant floor heating system in cold area[J]. Building Energy Efficiency, 2015(6): 40－46. (in Chinese with English abstract)

[13] 李金平，王磊磊，王立璞，等. 傳統(tǒng)采暖房?jī)?nèi)熱環(huán)境的三維數(shù)值模擬[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(1)：45－49. Li Jinping, Wang Leilei, Wang Lipu, et al. Three-dimensional numerical simulation of thermal environment in traditional radiator-heated houses[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2008, 34(1): 45－49. (in Chinese with English abstract)

[14] 李金平，冷小超，馬思聰，等. 基于可再生能源的農(nóng)村綠色建筑的能量分析[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(1)：50－53. Li Jinping, Leng Xiaochao, Ma Sicong, et al. Energy consumption analysis of a new rural green building based on relying on renewable energy[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2014, 40(1): 50－53. (in Chinese with English abstract)

[15] 李金平，曲婧，刁榮丹. 太陽(yáng)能單戶建筑室內(nèi)熱性能分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41(5)：62－66. Li Jinping, Qu Jing, Diao Rongdan. Indoor thermal performance analsis of solar single residential building[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2015, 41(5): 62－66. (in Chinese with English abstract)

[16] Sabiha M A, Saidur R, Mekhilef S, et al. Progress and latest developments of evacuated tube solar collectors[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, 51: 1038－1054.

[17] Daghigh R, Shafieian A. Theoretical and experimental analysis of thermal performance of a solar water heating system with evacuated tube heat pipe collector[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 103: 1219－1227.

[18] Budihardjo I, Morrison G L, Behnia M. Natural circulation flow through water-in-glass evacuated tube solar collectors[J]. Solar Energy, 2007, 81(12): 1460－1472.

[19] Morrison G L, Budihardjo, Behnia M. Measurement and simulation of flow rate in a water-in glass evacuated tube solarwate heater[J]. Solar Energy, 2005, 78(3): 257－267.

[20] Budillarolzo I. Natural circulation flow through water in glass evacuated tube solar collectors[J]. Solar Energy, 2007, 81(12): 1460－1472.

[21] Kim Y, Seo T. Thermal performance comparisons of the glass evacuated tube solar collectors with shapes of absorber tube[J]. Renewable Energy, 2007, 32(5): 775－778.

[22] Mazarrón F R, Porras-Prieto C J, García J L, et al. Feasibility of active solar water heating systems with evacuated tube collector at different operational water temperatures[J]. Energy Conversion and Management, 2016, 113: 16－26.

[23] Gao Y, Zhang Q, Fan R, et al. Effects of thermal mass and flow rate on forced-circulation solar hot-water system: Comparison of water-in-glass and U-pipe evacuated-tube solar collectors[J]. Solar Energy, 2013, 98: 290－301.

[24] Li Jinping, Li Xiuzhen, Wang Na, et al. Experimental research on indoor thermal environment of new rural residence with active solar water heating system and external wall insulation[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 95: 35－41.

[25] 李金平，司澤田，孔瑩，等. 西北農(nóng)村單體住宅太陽(yáng)能主動(dòng)采暖效果試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(21)：217－222. Li Jinping, Si Zetian, Kong Ying, et al. Experiment on active solar heating for the monomer building in northwest region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(21): 217－222. (in Chinese with English abstract)

[26] 農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50824—2013 [S].

[27] 太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范：GB 50495—2009 [S].

[28] 嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：JGJ26-2010 [S].

[29] 孫剛，賀平，王飛，等. 供熱工程[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：10－11.

[30] 岑幻霞. 關(guān)于太陽(yáng)能保證率f的計(jì)算[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1981(1)：59—68. Cen Huanxia. Calculation of the fraction “f” of the heating load supplied by solar energy[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 1981(1): 59－68. (in Chinese with English abstract)

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 瑩，許 哲，司澤田. 全玻璃真空管太陽(yáng)能陣列供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

國(guó)家自然科學(xué)基金（51676094）；甘肅省國(guó)際科技合作專項(xiàng)（1604WKCA009）

李金平，男，寧夏中寧人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究。蘭州 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，730050。Email：lijinping77@163.com