川西藏區(qū)某辦公建筑不同工況下太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)夜間散熱特性研究*

四川海辰工程設(shè)計(jì)研究有限公司 吳文忠重慶大學(xué) 黃 屹 劉 勇 王 勇重慶市設(shè)計(jì)院 唐慶祥

0 引言

真空管集熱器的傳熱是一個(gè)綜合了導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射3種傳熱形式的復(fù)雜傳熱過(guò)程，且在聯(lián)合蓄熱水箱之后，系統(tǒng)整體傳熱過(guò)程更加復(fù)雜[1-5]。根據(jù)GB/T 17049—2005《全玻璃真空太陽(yáng)集熱管》[6]，通常采用平均熱損失系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)真空管集熱器散熱特性。然而無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)中給定的還是目前大多數(shù)真空管集熱器熱損失實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的熱損失系數(shù)，都是在特定條件下進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果[7-9]，且都是單獨(dú)針對(duì)真空管集熱器的研究[10-12]。尚未見到以自然循環(huán)為基礎(chǔ)，同時(shí)聯(lián)合蓄熱水箱不同工況下的真空管集熱器系統(tǒng)熱損失的相關(guān)研究。太陽(yáng)能屬于穩(wěn)定性較低的可再生能源，當(dāng)夜間有供熱需求時(shí)，需要將太陽(yáng)能集熱所得的熱量?jī)?chǔ)存起來(lái)錯(cuò)峰使用[13]，因此真空管集熱器在進(jìn)行建筑供暖時(shí)一般會(huì)聯(lián)合蓄熱系統(tǒng)，而研究真空管集熱器在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的散熱特性時(shí)無(wú)法回避集熱器與水箱聯(lián)合運(yùn)行下的散熱特性問(wèn)題。目前部分研究及工程應(yīng)用均采用夜間機(jī)械循環(huán)的措施[14]，若在實(shí)際運(yùn)行條件下采取自然循環(huán)工況，只要能保證真空管集熱器介質(zhì)在夜間不因結(jié)凍導(dǎo)致爆管，不僅可以減少防凍條件下的散熱損耗，同時(shí)由于采用自然循環(huán)方式，無(wú)循環(huán)泵能耗，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低能耗并節(jié)約成本。此外，對(duì)聯(lián)合蓄熱水箱的真空管集熱器系統(tǒng)在自然循環(huán)工況下的系統(tǒng)熱損失改善措施的研究也未見相關(guān)報(bào)道。在上述工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，能真實(shí)反映真空管集熱器在實(shí)際運(yùn)行條件下的散熱特性，在實(shí)際運(yùn)行中室外環(huán)境條件對(duì)真空管集熱器系統(tǒng)的影響，以及改善措施對(duì)系統(tǒng)性能的實(shí)際效果。

因此，對(duì)實(shí)際運(yùn)行條件下的川西藏區(qū)某辦公建筑不同工況下真空管集熱器系統(tǒng)的散熱特性進(jìn)行研究，對(duì)分析系統(tǒng)散熱特性及保溫性能、利用系統(tǒng)內(nèi)余熱的自然循環(huán)太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)的防凍可行性研究及檢驗(yàn)各種改善措施的效果均有重要意義。本文在系統(tǒng)自然循環(huán)防凍可行性研究基礎(chǔ)上，分析冬季夜間室外環(huán)境條件下真空管集熱器系統(tǒng)的傳熱特性，以及不同工況下系統(tǒng)的熱損失，分別研究了集熱系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)溫度變化規(guī)律及整個(gè)系統(tǒng)中介質(zhì)所達(dá)到的最低溫度，并通過(guò)對(duì)比采取改善措施前后測(cè)試所得數(shù)據(jù)，得到真空管集熱器系統(tǒng)的保溫性能相對(duì)良好及改善措施能滿足夜間防凍要求，并且能一定程度上降低能耗的結(jié)論。本文旨在為提高川西藏區(qū)應(yīng)用太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)整體能量利用效率、改善太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供一種針對(duì)工程實(shí)際的新思路。

1 理論分析

在計(jì)算蓄熱水箱散熱時(shí)進(jìn)行一定程度簡(jiǎn)化，忽略水箱內(nèi)徑向溫度梯度，忽略水箱周圍室外空氣的溫度梯度，簡(jiǎn)化為水箱柱體的穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。同時(shí)將水箱上下兩面簡(jiǎn)化為平面穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程，通過(guò)水量損失計(jì)算水箱蒸汽泄漏量，忽略水箱本身的夜空輻射影響，通過(guò)柱體傳熱公式，從而獲得水箱整體瞬時(shí)熱損失速率。

水箱在高度方向上存在溫度梯度，高度方向上通過(guò)微分來(lái)計(jì)算散熱量時(shí)，積分后所得散熱量?jī)H與高度方向上的溫度梯度相關(guān)，故以水箱平均溫度作為水箱散熱計(jì)算溫度。同時(shí)由于底部水溫與環(huán)境溫度溫差較小，傳熱較小，頂部為空氣與上表面接觸，故水箱整體瞬時(shí)散熱量可簡(jiǎn)化。

由于蓄熱水箱與真空管集熱器(后文簡(jiǎn)稱為集熱器)耦合，之間的熱量由于自然對(duì)流存在熱傳遞，而在水箱與集熱器同時(shí)存在復(fù)雜散熱的情況下，計(jì)算兩者之間的自然對(duì)流熱傳遞相當(dāng)困難，將這部分對(duì)流換熱量簡(jiǎn)化為Qtr，水箱因內(nèi)部熱水蒸發(fā)所產(chǎn)生的熱量計(jì)為Qv，水箱因補(bǔ)水而產(chǎn)生的熱損失計(jì)為Qs(補(bǔ)水溫度為當(dāng)?shù)刈詠?lái)水溫度)，則水箱散熱量如式(1)所示[15]：

(1)

式中twn,τ、tw,τ分別為τ時(shí)刻水箱內(nèi)介質(zhì)溫度與室外溫度，℃；dn、dw分別為箱體內(nèi)徑、外徑，m；αn、αw分別為箱體內(nèi)、外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；λ為箱體材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；L為箱體高度，m；ρw為水箱內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3；Vw為水箱容積，m3；cw為水箱內(nèi)介質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)；Δtwn,τ為Δτ時(shí)段總溫降，℃；Kwc為水箱綜合熱損失系數(shù)，W/℃；Qwc,τ、Qtr,τ、Qv,τ、Qs,τ分別為τ時(shí)刻水箱瞬時(shí)散熱量、水箱與集熱器瞬時(shí)換熱量、水箱瞬時(shí)蒸發(fā)散熱量及水箱補(bǔ)水熱損失量，W。

因而夜間水箱總散熱量及熱損失系數(shù)可根據(jù)式(1)推導(dǎo)：

(2)

式中Wwc為水箱整體在T時(shí)段內(nèi)總散熱量，J；T為時(shí)長(zhǎng)，s；Δtwn為T時(shí)段總溫降，℃。

夜間散熱時(shí)，真空管集熱器散熱是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò)程，涉及導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，已有學(xué)者對(duì)真空管夜間散熱進(jìn)行了研究[9]。根據(jù)研究中的簡(jiǎn)化方法，運(yùn)用能量守恒方程與簡(jiǎn)化傳熱模型，可以將幾項(xiàng)散熱量整合在同一個(gè)方程中，并得到可以表征單一真空管的散熱量與綜合熱損失系數(shù)的計(jì)算式。

(3)

(4)

式(3)、(4)中Wet為T時(shí)段集熱器總散熱量，W；ρj為集熱器內(nèi)介質(zhì)密度，kg/m3；Vj為集熱器容積，m3；cj為集熱器內(nèi)介質(zhì)比熱容，J/(kg·℃)；Δten為經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)T后集熱器總溫降，℃；Ket為集熱器綜合熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；ten,τ為τ時(shí)刻集熱器內(nèi)計(jì)算溫度，℃；ten,0、ten,T分別為起始時(shí)刻與T時(shí)刻集熱器溫度，℃；Wtr為T時(shí)段水箱與集熱器的總換熱量；A為集熱器散熱面積，m2。

(3)巷幫支護(hù)。錨桿形式、規(guī)格及錨固方式、錨桿配件、鋼筋托梁和網(wǎng)片規(guī)格、錨桿扭矩、錨索形式規(guī)格要求全部與頂板支護(hù)一致。

通過(guò)式(2)、(3)可以得到集熱器聯(lián)合蓄熱水箱的夜間總散熱量與任意時(shí)刻散熱量，通過(guò)式(4)可以得到任意時(shí)刻和整個(gè)夜間集熱器熱損失系數(shù)的變化。可以通過(guò)以上各式來(lái)表達(dá)集熱器系統(tǒng)在夜間的散熱特性。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)包含集熱器聯(lián)合蓄熱水箱的集熱蓄熱循環(huán)環(huán)路，水箱換熱與用戶末端循環(huán)環(huán)路，空氣源熱泵直接接用戶末端環(huán)路，控制系統(tǒng)與溫度、流量測(cè)試裝置。白天有太陽(yáng)輻射時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行集熱實(shí)驗(yàn)，夜間進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)，此時(shí)用戶與水箱換熱環(huán)路關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)臺(tái)位于四川甘孜州康定市某政府辦公樓樓頂。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1、圖2所示，真空管集熱器系統(tǒng)設(shè)備型號(hào)如表1所示。集熱器系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)為水，通過(guò)辦公樓自來(lái)水管直接補(bǔ)水。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)外觀圖(改善措施實(shí)施前)

表1 設(shè)備型號(hào)

夜間防凍時(shí)可切換為自然對(duì)流循環(huán)與機(jī)械循環(huán)2種循環(huán)方式，研究中需要考察集熱器系統(tǒng)夜間自然循環(huán)防凍可行性，因此夜間均采用自然循環(huán)方式。根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的結(jié)論，蓄熱水箱內(nèi)部沿高度方向每10 mm布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量溫度，以滿足測(cè)試要求。

整體供暖系統(tǒng)的控制邏輯為：供暖系統(tǒng)開啟時(shí)，當(dāng)水箱內(nèi)檢測(cè)溫度高于52 ℃時(shí)，開啟太陽(yáng)能側(cè)閥門，關(guān)閉熱泵側(cè)閥門，通過(guò)蓄熱水箱向末端供暖；當(dāng)水箱內(nèi)檢測(cè)溫度低于48 ℃時(shí)，開啟熱泵側(cè)閥門，關(guān)閉太陽(yáng)能側(cè)閥門，并開啟熱泵機(jī)組，通過(guò)熱泵機(jī)組向末端供暖。由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中開啟太陽(yáng)能側(cè)閥門會(huì)極大影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，故本文實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)開啟熱泵的運(yùn)行模式，蓄熱水箱在全實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未向末端供熱。

本文主要通過(guò)分析存在夜空輻射時(shí)，集熱器系統(tǒng)熱損失大小與系統(tǒng)內(nèi)水溫變化情況，得到集熱器系統(tǒng)的熱散失特性，并為系統(tǒng)節(jié)能改造和防凍優(yōu)化提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。因此實(shí)驗(yàn)主要分為以下三部分：1) 集熱器系統(tǒng)內(nèi)溫度變化情況實(shí)驗(yàn)；2) 集熱器系統(tǒng)熱損失實(shí)驗(yàn)；3) 改善措施實(shí)施前后對(duì)比實(shí)驗(yàn)。其中實(shí)驗(yàn)1、2可通過(guò)已有集熱器系統(tǒng)，在夜間同時(shí)完成測(cè)試，且無(wú)需改變其他實(shí)驗(yàn)條件。實(shí)驗(yàn)3需與實(shí)驗(yàn)1、2分開測(cè)試，且需要改變其他實(shí)驗(yàn)條件。系統(tǒng)散熱改善措施采用水箱增加保溫層及夜間集熱器遮擋2種方式。實(shí)驗(yàn)采用水箱增加50 mm橡塑不燃保溫棉與1 mm彩鋼板，集熱器采用2 mm厚深色棉布夜間遮擋的方式。改善后外觀如圖3、4所示。

圖3 水箱增加保溫層后外觀

圖4 集熱器遮擋后外觀

實(shí)測(cè)表明，室外溫度與集熱器及水箱水溫最低值出現(xiàn)在08:00—09:00，日間工況(09:00以后)，隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，集熱器內(nèi)水溫與水箱水溫開始上升，集熱結(jié)束時(shí)刻一般為18:00左右，因此夜間實(shí)驗(yàn)時(shí)間確定為18:00至次日09:00。集熱器進(jìn)出口側(cè)溫度測(cè)點(diǎn)位于聯(lián)集管兩端，接近集熱器進(jìn)出口處，在自然循環(huán)條件下管內(nèi)溫度場(chǎng)分布與變化難以測(cè)量，故以進(jìn)出口的水溫表征集熱器管內(nèi)的溫度，即tet=(ti+to)/2(其中，tet為集熱器內(nèi)部介質(zhì)平均溫度，ti為進(jìn)口水溫，to為出口水溫)。

在不同夜間不同時(shí)段進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試日編號(hào)如表2所示。本文夜間數(shù)據(jù)分析圖橫坐標(biāo)均以該表進(jìn)行統(tǒng)一說(shuō)明。表2中，除標(biāo)示降雪的測(cè)試日之外，其余測(cè)試日日間均為晴朗，全測(cè)試日夜間均有較厚云層遮擋，但由于高原地區(qū)氣候多變，偶見短時(shí)間晴朗夜間。全測(cè)試日夜間均常有和風(fēng)，偶見大風(fēng)，風(fēng)速在5～15 m/s不等。

表2 測(cè)試日編號(hào)及對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)工況

3 結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)內(nèi)溫度變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，集熱器系統(tǒng)不對(duì)末端進(jìn)行供熱，系統(tǒng)呈純散熱狀態(tài)。此時(shí)隨著系統(tǒng)內(nèi)的高溫介質(zhì)不斷向外界散熱，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度逐漸降低。不同夜間18:00時(shí)系統(tǒng)內(nèi)集熱器及水箱內(nèi)部介質(zhì)平均溫度初始值分別為tet,0、twc,0，則測(cè)試日夜間(18:00—09:00)室外環(huán)境平均溫度及對(duì)應(yīng)條件下的介質(zhì)初始溫度如圖5所示。

圖5 不同夜間系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)初始溫度(18:00)及室外環(huán)境溫度

夜間系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)能夠達(dá)到的最低溫度是真空管集熱器系統(tǒng)防凍的依據(jù)。在不同夜間集熱器系統(tǒng)獨(dú)立散熱情況下，隨著集熱器系統(tǒng)向外散熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)可記錄到集熱器系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)最低溫度。不同夜間18:00—09:00時(shí)段系統(tǒng)內(nèi)集熱器與水箱內(nèi)部介質(zhì)最低值分別為tet,1、twc,1，如圖6所示。

圖6 不同夜間系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度最低值

由圖6可知，在夜間散熱之后，系統(tǒng)內(nèi)無(wú)論是水箱還是集熱器內(nèi)部介質(zhì)的最低溫度普遍在20～40 ℃之間，其平均溫度高于30 ℃。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在以聯(lián)合水箱運(yùn)行的真空管集熱器系統(tǒng)自然循環(huán)防凍工況下，夜間散熱工況下集熱器內(nèi)部介質(zhì)溫度較高，因此使用自然循環(huán)防凍是完全可行的。

圖7 不同夜間系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫降與溫降速率

由于集熱器內(nèi)部容量較小、夜空輻射較大等因素，夜間溫降速率大于水箱。同時(shí)，由于存在水箱與集熱器之間的自然對(duì)流換熱，水箱會(huì)向集熱器傳熱，故進(jìn)行關(guān)閉水箱與集熱器閥門實(shí)驗(yàn)，以求得集熱器系統(tǒng)水箱熱損失系數(shù)，計(jì)算可得水箱不向集熱器傳熱時(shí)的溫降。根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比理論計(jì)算水箱夜間溫降及聯(lián)合集熱器水箱溫降，可得到如圖8所示的水箱溫降計(jì)算值。由圖8可知，由于測(cè)試日非連續(xù)測(cè)試，導(dǎo)致Qs計(jì)算不準(zhǔn)確(補(bǔ)水溫度按照平均溫度計(jì)算，且未詳細(xì)監(jiān)測(cè)進(jìn)水溫度)。集熱器散熱量主要受夜空冷輻射和表面對(duì)流換熱影響，而夜空冷輻射又受不同夜間云層厚度、輻射角系數(shù)及風(fēng)速等的影響，導(dǎo)致集熱器側(cè)散熱量計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的差異。另外，現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)耦合計(jì)算方法在計(jì)算中也尚未考慮水箱由于自然循環(huán)導(dǎo)致的對(duì)流傳熱量。這些影響因素都將在下一步計(jì)算方法的研究中進(jìn)行完善，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，由于以上諸多因素，導(dǎo)致實(shí)測(cè)聯(lián)合運(yùn)行下水箱溫降與理論計(jì)算所得水箱溫降差異較大。但是，作為前期基礎(chǔ)研究，該方法的目的是分析集熱器系統(tǒng)各部件之間的散熱分布和影響度，從工程角度出發(fā)，仍有一定借鑒作用。

圖8 聯(lián)合運(yùn)行工況水箱內(nèi)介質(zhì)溫度變化實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2 系統(tǒng)熱損失分析

在靜止工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱損失實(shí)驗(yàn)與分析。系統(tǒng)最低溫度一般出現(xiàn)在日出前后。隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度開始逐漸上升。由于09:00集熱器系統(tǒng)散熱量開始明顯降低，而08:00之前散熱量降低不明顯，故以18:00—08:00測(cè)試結(jié)果為依據(jù)計(jì)算系統(tǒng)熱損失量。系統(tǒng)夜間總散熱量與單位時(shí)間散熱量分別如圖9、10所示。系統(tǒng)總散熱量為210～320 MJ，單位時(shí)間散熱量為3 800～5 500 W；其中水箱總散熱量為60～110 MJ，單位時(shí)間散熱量為1 100～1 900 W；集熱器總散熱量為150～210 MJ，單位時(shí)間散熱量為2 700～3 600 W。即總散熱量中，水箱散熱量約占32%，集熱器散熱量約占68%。以夜間2和夜間5為例，對(duì)典型夜間水箱與集熱器瞬時(shí)散熱量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。

圖9 不同夜間集熱器系統(tǒng)總散熱量

圖10 不同夜間集熱器系統(tǒng)單位時(shí)間散熱量

圖11 不同夜間系統(tǒng)瞬時(shí)散熱量逐時(shí)變化

集熱器和水箱的散熱量隨著內(nèi)部介質(zhì)的溫度和室外溫度的變化而變化。夜間隨著系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)溫度不斷降低，與室外溫度之間的差值逐漸減小，散熱量也逐漸降低。由于集熱器內(nèi)部容量小等因素，集熱器瞬時(shí)散熱量呈下降趨勢(shì)，而水箱由于容積較大，溫度變化較慢，瞬時(shí)散熱量雖整體呈下降趨勢(shì)，但溫度變化曲線較為平緩。由于夜間集熱器內(nèi)部介質(zhì)溫度呈非線性變化，故計(jì)算所得散熱量也存在波動(dòng)。而水箱夜間溫度雖存在一定波動(dòng)，但整體呈線性變化，故計(jì)算所得散熱量波動(dòng)較小。由于系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)初始溫度和環(huán)境溫度的不同，不同夜間系統(tǒng)散熱量差別較大。

集熱器夜間熱損失系數(shù)的平均值如圖12所示，集熱器夜間平均熱損失系數(shù)變化范圍為0.44～0.58 W/(℃·m2)。由于集熱器初始條件、水箱初始狀態(tài)及室外環(huán)境條件均不相同，不同夜間的平均熱損失系數(shù)有一定差異。圖13給出了8個(gè)夜間平均熱損失系數(shù)逐時(shí)的變化。集熱器夜間平均熱損失系數(shù)大部分位于0.40～0.60 W/(℃·m2)之間，平均值為0.489 W/(℃·m2)。其中，位于0.40～0.50 W/(℃·m2)區(qū)間內(nèi)的比例約為58.6%，位于0.50～0.55 W/(℃·m2)區(qū)間內(nèi)的比例約為37.0%，位于0.55～0.60 W/(℃·m2)區(qū)間內(nèi)的比例約為4.4%。可見夜間逐時(shí)平均熱損失系數(shù)一定程度上呈下降趨勢(shì)，但變化幅度小，趨于穩(wěn)定。

圖12 不同夜間集熱器平均熱損失系數(shù)

圖13 不同夜間集熱器平均熱損失系數(shù)逐時(shí)變化

3.3 真空管集熱器系統(tǒng)夜間散熱改善措施效果分析

水箱增加保溫層及集熱器夜間遮擋后，水箱夜間平均散熱量及集熱器夜間平均熱損失系數(shù)變化分別如圖14、15所示。水箱增加保溫層之后，水箱夜間散熱量相比于改善前減小約50%，而集熱器散熱量相比于改善前有所增加，且集熱器平均熱損失系數(shù)相比于改善前變化不大，這是由于水箱向集熱器傳熱增加而導(dǎo)致集熱器散熱量增加引起的。集熱器進(jìn)行夜間遮擋后，集熱器平均熱損失系數(shù)降至0.44 W/(℃·m2)，相比改善前下降約9%，通過(guò)式(3)、(4)可得，在相同環(huán)境條件及系統(tǒng)初始條件下，集熱器內(nèi)部介質(zhì)夜間最低溫度可上升1.8～2.5 ℃。水箱增加保溫層后，雖然由于水箱向集熱器傳熱量增加導(dǎo)致集熱器散熱量有所增加，但集熱器內(nèi)部介質(zhì)平均溫度上升，更有利于保證集熱器內(nèi)部介質(zhì)最低溫度的提高，滿足夜間防凍要求。集熱器夜間增加遮擋后，集熱器熱損失系數(shù)降低，有利于夜間集熱器防凍。雖然測(cè)試期間云層較厚，夜間冷輻射傳熱量顯著降低，無(wú)法體現(xiàn)夜間遮擋的顯著作用，但即使在云層較厚時(shí)也獲得了明顯效果，這更加說(shuō)明夜間遮擋是降低夜間輻射散熱的有效措施之一?？梢?種改善方式均對(duì)集熱器系統(tǒng)夜間自然循環(huán)防凍有利，而夜間遮擋方式的效果更好，但該技術(shù)措施涉及到供熱系統(tǒng)的整體管理水平，在實(shí)行中有一定難度。

圖14 改善措施后不同夜間系統(tǒng)平均散熱量

圖15 改善措施后不同夜間系統(tǒng)平均熱損失系數(shù)

根據(jù)關(guān)閉集熱器與水箱之間的閥門后集熱器夜間獨(dú)立散熱所測(cè)的數(shù)據(jù)，真空管集熱器夜間獨(dú)立散熱時(shí)平均散熱量為2 650 W。由于聯(lián)合運(yùn)行工況下，水箱溫度高于集熱器溫度，兩者之間的自然循環(huán)對(duì)流換熱增加了集熱器的整體散熱量，但對(duì)于集熱器的防凍是有利的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用式(3)、(4)計(jì)算得到聯(lián)合運(yùn)行工況下夜間集熱器平均散熱量增加320 W。若采用傳統(tǒng)的機(jī)械循環(huán)實(shí)現(xiàn)集熱器夜間防凍，增加了水泵運(yùn)行能耗和初投資。而聯(lián)合蓄熱水箱通過(guò)自然循環(huán)實(shí)現(xiàn)了夜間防凍，可以認(rèn)為散熱損失均存在的情況下，自然循環(huán)防凍一定程度上提高了集熱器系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

1) 在環(huán)境溫度介于-10～5 ℃時(shí)，真空管集熱器系統(tǒng)夜間溫降為18～25 ℃，水箱夜間溫降為8～15 ℃，集熱器與水箱最低溫度為20～40 ℃，說(shuō)明聯(lián)合水箱的真空管集熱器系統(tǒng)保溫效果良好，系統(tǒng)內(nèi)蓄存熱量足以滿足防凍需要。

2) 集熱器夜間單位時(shí)間散熱量平均值為2 700～3 600 W，平均熱損失系數(shù)為0.489 W/(℃·m2)；水箱夜間單位時(shí)間散熱量平均值為1 100～1 900 W。不同夜間散熱量與系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)初始溫度和室外環(huán)境條件相關(guān)。

3) 系統(tǒng)散熱特性改善措施的實(shí)測(cè)表明，通過(guò)對(duì)水箱和集熱器進(jìn)行散熱特性改善可以有效降低系統(tǒng)熱損失，提高太陽(yáng)能利用效率。

4) 夜間系統(tǒng)最低溫度及散熱量的測(cè)試與計(jì)算結(jié)果表明，真空管集熱器聯(lián)合蓄熱水箱時(shí)夜間自然循環(huán)防凍是可行的，并且能減少集熱器循環(huán)防凍水泵的投資與運(yùn)行能耗，提高系統(tǒng)整體的能量利用效率和經(jīng)濟(jì)性。