梯形聚光蓄熱式調(diào)光裝置的性能研究

李志永，簡之博，肖垚彬，趙麗坤，張 葉，趙 飛，趙玉清，高建嶺

（1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

近年，中國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，建筑業(yè)能源消耗量隨之增大。據(jù)統(tǒng)計，建筑業(yè)能耗約占我國能源消耗總量的30%[1]。對于窗墻比大于35%的建筑，進(jìn)入室內(nèi)的太陽光過多，會出現(xiàn)室內(nèi)舒適性降低和光熱環(huán)境變差等問題。

調(diào)節(jié)建筑透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的透過率是解決上述問題的有效方法。透過率的調(diào)節(jié)方式分為主動式和被動式[2]。主動式調(diào)節(jié)方式包括電致變色玻璃、氣致變色玻璃、熱致變色玻璃等[3]～[5]。常見的被動式調(diào)節(jié)方式有外遮陽和內(nèi)遮陽[6]，[7]。近幾年，學(xué)者們提出了新的被動式調(diào)節(jié)方式，如雙金屬片自動調(diào)光裝置、復(fù)合拋物面聚光調(diào)光裝置和調(diào)光覆蓋材料[8]～[10]。與被動式調(diào)節(jié)方式相比，主動式調(diào)節(jié)方式雖然調(diào)節(jié)得更及時，但初投資較高。例如，電致變色玻璃初投資比傳統(tǒng)玻璃高1 625元/m2，這極大限制了電致變色玻璃的廣泛應(yīng)用[11]。被動式調(diào)節(jié)方式因其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便和成本較低的特點，受到廣泛關(guān)注[12]。

本文根據(jù)實體復(fù)合拋物面聚光器CPC（Compound Parabolic Concentrator）透 光 原 理，提出了一種具有蓄熱功能的被動調(diào)光裝置，即梯形聚光蓄熱式調(diào)光裝置。該裝置主要應(yīng)用于帶有玻璃幕墻等透明材料的商業(yè)建筑和溫室大棚，可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)控房間的光熱環(huán)境，改善一天光照度的均勻性，同時可產(chǎn)生溫度為40℃以上的溫水用于洗浴等，從而減少熱水器的使用時間，綜合利用太陽能[13]。本文主要對梯形聚光蓄熱式調(diào)光裝置的調(diào)光特性和集熱效率進(jìn)行了研究。

1 裝置原理

梯形聚光蓄熱式調(diào)光裝置（Trapezoidal lightconcentrating and heat-storing light-regulating device，TCHD）主要由梯形聚光器（22個梯形單元）、內(nèi)部充滿水的梯形空腔和水箱組成。其中，梯形聚光器主要由有機(jī)玻璃切割制成，內(nèi)部中空，窄邊處被涂黑。

梯形聚光器上部的一小部分插入水箱，當(dāng)水箱充水時，梯形空腔也會被水充滿，當(dāng)太陽光照射裝置時，一部分光線被聚集在梯形聚光器的底部，實現(xiàn)裝置的聚光能力，一部分光線通過折射進(jìn)入室內(nèi)，實現(xiàn)室內(nèi)采光。當(dāng)太陽光從不同角度照射時，TCHD對光線的透過率與吸收率也發(fā)生變化。所有在梯形聚光器底部吸收的光線被用于加熱梯形空腔內(nèi)的水，水通過自然對流將熱量傳遞到水箱中，從而達(dá)到蓄熱的目的。

圖1為梯形空腔裝置原理圖和結(jié)構(gòu)圖。

圖1 梯形空腔裝置原理圖和結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram and structure diagram of trapezoidal cavity device

2 光學(xué)仿真

為了研究太陽光從不同角度射入時，TCHD對光線透過率的變化情況，本文利用LightTools軟件進(jìn)行了光線模擬。模擬參數(shù)：梯形空腔的材質(zhì)為有機(jī)玻璃，入射光線的波長為550μm，入射光線的數(shù)量為30條，不同入射角的光路圖如圖2所示。

圖2 不同入射角的光路圖Fig.2 Light path diagrams with different incident angles

由圖2可知，當(dāng)光線垂直射入TCHD時，首先射入梯形聚光器玻璃的上表面，由于玻璃的長邊與梯形空腔的長邊平行，因此，此時光線并未發(fā)生偏轉(zhuǎn)；光線到達(dá)梯形空腔側(cè)表面時，由于梯形空腔中水和玻璃的折射率不同，導(dǎo)致入射光線發(fā)生第一次折射；當(dāng)光線到達(dá)有機(jī)玻璃與空氣的交界面時，由于光線入射角大于TCHD的臨界入射角，導(dǎo)致光線發(fā)生全反射，因此，光線絕大部分被反射到梯形空腔的窄邊，而梯形空腔的窄邊被涂黑，光線會被吸收用于加熱梯形空腔中的水。但仍有少量光線由于角度的問題，被反射到梯形空腔外。

在光學(xué)模擬軟件Light Tools中，光照強(qiáng)度和輻射能量均勻分配到每條光線上。假設(shè)光照強(qiáng)度和輻射能量的總量為I0，光線總條數(shù)為N，則每一條光線所具有的光照強(qiáng)度和輻射能量為I0/N。因此，在接收器中可以根據(jù)接收光線條數(shù)與總光線條數(shù)的比值，來計算設(shè)備對光線的吸收率模擬值，同理，可計算設(shè)備對光線的透過率和反射率。為了進(jìn)一步分析梯形空腔對光線的匯聚作用，本文通過計算得到了光線入射角不同時，TCHD對光線的吸收率、透過率和反射率的變化曲線如圖3所示。

圖3 光線入射角不同時，TCHD對光線的吸收率、透過率和反射率的變化曲線Fig.3 When the incident angle of light is different，the change curve of TCHD's absorbance，transmittance and reflectance of light

由圖3可知，隨著光線入射角的增大，TCHD對光線的吸收率逐漸下降，透過率逐漸增高，反射率整體呈下降趨勢，在光線入射角大于35°時，TCHD對光線的反射率降低至0。當(dāng)光線入射角分 別 為0，20，40°和60°時，TCHD對 光 線 的 透 過率分別為13%，47%，83%和87%[7]。當(dāng)光線入射角小于20 °時，TCHD對光線的吸收率可達(dá)到38%以上，最高可達(dá)到67%；當(dāng)光線入射角大于20°時，TCHD對光線的吸收率逐漸下降，在40°時達(dá)到平穩(wěn)，此時TCHD對光線的吸收率只有13%。

3 實驗研究

3.1 實驗設(shè)置

考慮到加工難度以及聚光效果，TCHD的玻璃板不能太厚。經(jīng)過Light Tools軟件的模擬計算，確定TCHD的聚光比（上底邊與下底邊之比）為3.25時，TCHD的聚光能力良好。與生產(chǎn)廠家溝通后，透明材料選擇厚度為2 mm的有機(jī)玻璃板，裝置具體尺寸：梯形單元的長邊為13 mm，短邊為4 mm，高為20 mm。梯形空腔的梯形長邊為9 mm，短邊為1.5 mm，高為13 mm。

TCHD試驗臺和測點布置圖如圖4所示。該裝置被安置在一個用于模擬房間的箱體上，箱體的幾何尺寸為60 cm×39.5 cm×40 cm，箱體上表面嵌入TCHD（TCHD的幾何尺寸為30 cm×39 cm×1.7 cm），箱體內(nèi)壁板被刷上可使光線發(fā)生漫反射的涂層。涂層可使通過梯形空腔射入箱體的光線發(fā)生漫反射。TCHD中水箱的幾何尺寸為8.4 cm×39 cm×10.5 cm，水箱內(nèi)注入1.8 L水，梯形空腔深入水箱的長度為1 cm。布置的主要測點包括TCHD下方的光照強(qiáng)度測點1、輻射強(qiáng)度測點2、箱內(nèi)的溫度測點3、箱體外表面的光照強(qiáng)度測點4和輻射強(qiáng)度測點5。采用熱電偶對水溫進(jìn)行測量，水箱內(nèi)布置了4個溫度測點。梯形空腔內(nèi)同樣布置了4個測點。梯形空腔底部的測點距離梯形空腔底端4 cm，其余3個測點依次從下到上相差4 cm均勻排布。

圖4 TCHD試驗臺和測點布置圖Fig.4 Diagram of experimental equipment and arrangement of measuring points

實 驗 地 點 為 北 京 市（N39.9°，E116.2°），實 驗時間分別為2019年7月3日和2019年9月18日，實驗時天氣晴朗。TCHD朝向正南傾斜放置，2019年7月3日，TCHD的安裝傾角為27.98 °；2019年9月18日，TCHD的安裝傾角為47.9 °。傾角選擇的依據(jù)為實驗當(dāng)天最大的太陽高度角，保證正午時刻太陽光射入TCHD的入射角為0°。實驗期間，TCHD不對太陽進(jìn)行跟蹤。

3.2 數(shù)據(jù)處理

太陽光照射TCHD時，梯形空腔窄邊處的水先被加熱，水溫升高。升溫后的水在浮升力的作用下進(jìn)入水箱，同時，水箱內(nèi)的冷水進(jìn)入梯形空腔補(bǔ)充流出的熱水，形成自然對流。TCHD收集到的熱量分為3部分，一部分進(jìn)入水箱儲存起來，一部分散到室內(nèi)，一部分散到室外，對應(yīng)熱效率分別為集熱 效率 φs、散熱 效 率 φw和 散 熱效 率 φn。

φs的計算式為

式中：m為水箱中水的質(zhì)量，kg；Δτ為加熱時間，s；CP為 水 的 比 熱，J/（kg·℃）；tS為 加 熱 開 始 時 的 水溫，℃；te為加熱結(jié)束時的水溫，℃；I為太陽輻射強(qiáng) 度，W/m2；A為TCHD接 收 光 照 的 面 積，m2；η為各個時刻TCHD對太陽輻射強(qiáng)度的透過率。

φw的計算式為

式中：tam為TCHD面向太陽一側(cè)的環(huán)境溫度，℃；tf為梯形空腔中水的溫度，℃；δt為透明材料的厚度，m；λt為 透 明 材 料 的 導(dǎo) 熱 系 數(shù)，W/（m·k）；h1為透 明 材 料 外 表 面 對 流 換 熱 系 數(shù)，W/（m2·k）；h2為透明材料內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·k）。

φn的計算式為

式中：tn為室內(nèi)溫度，℃；h3為透明材料與室外空氣 的 對 流 換 熱 系 數(shù)，W/（m2·k）；h4為 透 明 材 料 與梯形空腔內(nèi)的水的對流換熱系數(shù)，W/（m2·k）。

對于傾斜平面的自然對流，其內(nèi)外層透明材料外側(cè)的努謝爾特數(shù)可以由公式（4），（5）聯(lián)立求解，從而求出對流換熱系數(shù)h1和h4[14]。

式中：α為空氣熱擴(kuò)散率；ν為空氣運動粘度，Pa·s；β為流體的體積膨脹系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；L為梯形空腔長度，m；γ為梯形空腔的傾斜角度；t為水管內(nèi)平均溫度，℃；tm為計算透明材料外側(cè)的努謝爾特數(shù)時的室外溫度，℃；GrL為格拉曉夫數(shù)。

梯形空腔內(nèi)側(cè)的努謝爾特數(shù)可通過公式（5），（6）聯(lián)立計算得出。進(jìn)而求出對流換熱系數(shù)h2和h3。

式中：D1為梯形空腔的水力直徑，m

4 結(jié)果分析

4.1 調(diào)光性能分析

實驗期間的天氣情況如圖5所示。

圖5 太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度Fig.5 Solar radiation and ambient temperature facing the sun

本文選定TCHD對光線的透過率作為描述調(diào)光性能的指標(biāo)，將TCHD對光線的透過率的測量值與仿真值進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖6所示。由圖可知，TCHD對光線的透過率的測量值的變化趨勢與仿真值相似，但在數(shù)值上存在較大差距。這是因為仿真模擬時，只考慮了直射光線射入梯形空腔的情況，并沒有考慮太陽散射光線對梯形空腔造成的影響，以及模擬計算有機(jī)玻璃透過率的設(shè)定值與實際值的不同。正午時分，太陽光多為直射光、散射光較少，因此，測量值與仿真值的誤差較??；清晨和傍晚時分，散射光占比較大，因此，測量值與仿真值的誤差較大。

圖6 TCHD對光線的透過率的測量值與仿真值Fig.6 TCHD to the light transmittance simulation and measured value curve

圖7為室內(nèi)外光照強(qiáng)度以及TCHD對兩者的透過率隨時間的變化曲線。

圖7 室內(nèi)外光照強(qiáng)度及TCHD對光照強(qiáng)度透過率隨時間的變化情況Fig.7 The change of indoor and outdoor light intensity TCHD to light intensity transmittance over time

由圖7可知，光照強(qiáng)度的變化曲線總體呈M型。在中午12點前后達(dá)到最小值，約為23%，實現(xiàn)了在該時段削弱進(jìn)入室內(nèi)太陽光的作用；早上和傍晚達(dá)到最大值，約為35%，實現(xiàn)了在該時段達(dá)到室內(nèi)采光標(biāo)準(zhǔn)的要求。

室內(nèi)外太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化情況如圖8所示。

圖8 室內(nèi)外太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化情況Fig.8 Indoor and outdoor solar radiation intensity changes over time

由圖7，8可知，室內(nèi)外太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化總體上呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，在中午12：00左右達(dá)到最大值，早上和傍晚較低。室內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度沒有明顯的變化，曲線較為平緩，而室外太陽輻射強(qiáng)度有明顯的變化，曲線較陡，這表明該裝置在一定程度上實現(xiàn)了光線的調(diào)節(jié)。

4.2 集熱性能分析

為證明TCHD具有一定的集熱性能，本文從溫度和熱效率2個方面進(jìn)行分析。圖9為梯形空腔內(nèi)水溫、水箱內(nèi)水溫、室內(nèi)溫度隨時間的變化情況。

由圖9可知，7月3日，水箱內(nèi)的初始水溫為32℃，9月18日為20℃。上午，水箱中水溫最低，梯形空腔中水溫高于室內(nèi)溫度。隨著太陽輻射強(qiáng)度的增大，梯形空腔與水箱內(nèi)水溫開始升高。在11：00前后，水箱中水溫高于室內(nèi)溫度，在14：00左右達(dá)到最高，然后開始下降。梯形空腔中水溫先升高后降低，中午達(dá)到最大值，同時，隨著太陽高度角的增大，增幅明顯下降，在試驗結(jié)束時，與水箱中水溫相近。這是因為水箱的容積較大，水溫的增加需要一定的熱量積累，因此，水箱中水溫增加（減少）較為緩慢，在15：00左右達(dá)到最大值，而梯形空腔的體積較小，因此，梯形空腔中水溫受太陽輻射的影響較為明顯，增長（降低）較為迅速，在中午達(dá)到最大值。

圖10為TCHD集熱效率隨時間的變化情況。由 圖 可 知，7月3日，φw遠(yuǎn) 高 于 φn，但 呈 下 降 趨勢，而 φn穩(wěn)定在25%上下，φs的平均值為10%，φw，φn和 φs的 總 和 約 為90%。9月18日，φw下 降到30%，φn約 為10%，φs的 平 均 值 約 為14%，φw，φn和 φs的總和為54%。這是因為9月18日的室內(nèi)外溫差較大，室外溫度偏低，太陽輻射強(qiáng)度較小。但TCHD集熱效率均在10%上下，這表明TCHD具有集熱功能。

圖10 TCHD集熱效率隨時間的變化情況Fig.10 TCHD thermal efficiency changes over time

5 結(jié)論

本文采用的梯形聚光裝置是由有機(jī)玻璃加工制成，通過仿真和實驗研究得到以下結(jié)論。

①在中午光照充足時段，室外太陽輻射強(qiáng)度接近1 000 W/m2、光照強(qiáng)度接近90 000 Lx時，TCHD對太陽輻射強(qiáng)度的透過率和光照強(qiáng)度的透過率較低，最低時分別只有23%與24%；而早上與傍晚的TCHD對太陽輻射強(qiáng)度的透過率和對光照強(qiáng)度的透過率相對較高，最高在35%左右。說明該透明蓋板可以大幅削減正午時段進(jìn)入室內(nèi)的太陽光，同時增加在早上與傍晚進(jìn)入室內(nèi)的太陽光。

②TCHD可以利用涂黑的聚光器窄邊吸收多余的太陽光線并加以利用。證明TCHD可以實現(xiàn)控制進(jìn)入室內(nèi)的光線和熱量的目的，同時還可以利用水作為載體儲存熱量。但是由于裝置加工等問題，使得模擬箱內(nèi)的太陽輻射強(qiáng)度與光照強(qiáng)度較小，裝置本身對光線的透過率低。