儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)熱輸送全過程特性研究

郭梟，邱云峰，史志國，王亞輝，宋力，田瑞

（1內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051；2內(nèi)蒙古自治區(qū)可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

引 言

當(dāng)前，我國北方寒冷地區(qū)的建筑供暖能耗及污染物排放量仍非常龐大，嚴(yán)重影響著區(qū)域大氣環(huán)境及化石能源儲(chǔ)量[1]。將“太陽能+”制熱技術(shù)應(yīng)用于建筑采暖或農(nóng)業(yè)溫室大棚恒溫，具有顯著的節(jié)能減排優(yōu)勢[2-3]，對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”及“碳中和”目標(biāo)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)熱輸送過程包括集熱、儲(chǔ)熱和散熱三個(gè)環(huán)節(jié)。集熱性能是影響系統(tǒng)太陽能利用率及經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素之一[4-5]。儲(chǔ)熱可改善系統(tǒng)供暖過程的連續(xù)性、穩(wěn)定性及節(jié)能效果，潛熱儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱密度高、近等溫儲(chǔ)/放熱等特點(diǎn)[6-8]，可廣泛應(yīng)用在太陽能供暖領(lǐng)域[9-10]。優(yōu)良的散熱性能可改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境并提升系統(tǒng)節(jié)能能力[11-12]。故研究儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的集熱-儲(chǔ)熱-散熱全過程特性，對(duì)優(yōu)化系統(tǒng)配置及運(yùn)行策略具有重要意義。

針對(duì)太陽能供暖系統(tǒng)，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開展了諸多研究。趙樹興等[13]優(yōu)化了太陽能采暖系統(tǒng)中平板集熱器的安裝方式和運(yùn)行策略。Qiu等[14]設(shè)計(jì)了帶有非跟蹤式折線型和拋物線型反射鏡的太陽能平板集熱器，并研究了集熱性能。Chen等[15]將復(fù)合拋物面光伏/光熱系統(tǒng)和吸收式地源熱泵應(yīng)用于新型供暖系統(tǒng)，分析了供暖系統(tǒng)的能源利用率、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性。李金平等[16]研究了全玻璃真空管太陽能集熱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)供暖性能，給出了儲(chǔ)熱水箱總熱損系數(shù)及太陽能集熱器陣列集熱效率的回歸方程，計(jì)算了太陽能利用率。蘇文佳等[17]估算了相變儲(chǔ)熱式太陽能平板集熱/儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱效率和熱損失。Ucar等[18]測試了用于全天加熱安全柜的太陽能供暖系統(tǒng)的熱性能，建立了集熱器和儲(chǔ)熱器間的最佳經(jīng)濟(jì)模型。Mazman等[19]測試了太陽能采暖系統(tǒng)的儲(chǔ)熱性能，結(jié)果表明：將相變儲(chǔ)熱材料設(shè)置在水箱頂部，可增大系統(tǒng)儲(chǔ)熱密度并減小水箱頂部熱損。Arkar等[20]研究了帶相變儲(chǔ)熱的空氣式太陽能供暖系統(tǒng)，結(jié)果表明：系統(tǒng)的最佳儲(chǔ)集比范圍為150~200 kg/m2，儲(chǔ)熱裝置可在夜間提供54%~67%的建筑耗熱。詹凱[21]利用TRNSYS軟件建立了雙水箱太陽能-燃?xì)獠膳到y(tǒng)模型，確定了集熱面積、采暖熱負(fù)荷及水箱容積間的最優(yōu)配比。焦浩等[22]研究了相變儲(chǔ)熱式太陽能供暖系統(tǒng)的節(jié)能水平。Raluy等[23]研究了太陽能供暖系統(tǒng)中儲(chǔ)熱水箱容積、有效集熱面積及太陽能保證率間的配比關(guān)系。白劍[24]研究了太陽能供暖系統(tǒng)中儲(chǔ)熱材料性質(zhì)及換熱工質(zhì)溫度對(duì)儲(chǔ)熱性能的影響規(guī)律。王昊[25]采用數(shù)值模擬方法，研究了太陽能供暖系統(tǒng)中儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱/放熱特性。姜益強(qiáng)等[26]研究了儲(chǔ)熱單元的儲(chǔ)熱/放熱性能及儲(chǔ)熱材料溫度的變化規(guī)律。Nithyanandam等[27]以最大化傳熱量、最大化能效和最大化傳熱功率為研究目標(biāo)，優(yōu)化了儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)。Beizaee等[28]測試了太陽能采暖系統(tǒng)末端控制方式對(duì)其節(jié)能能力的影響，結(jié)果表明：分區(qū)控制比傳統(tǒng)控制方式節(jié)能11.8%。Mazarrón等[29]研究了散熱末端供水溫度對(duì)太陽能供暖系統(tǒng)集熱效率的影響規(guī)律，結(jié)果表明：集熱效率隨散熱末端供水溫度按負(fù)相關(guān)關(guān)系變化。王立璞[30]研究了太陽能供暖系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的室內(nèi)熱環(huán)境，對(duì)比了低溫地板輻射散熱與傳統(tǒng)散熱器的散熱效果。魯紅光等[31]研究了低溫地板輻射散熱型戶用太陽能供暖系統(tǒng)，確定了基本設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法和設(shè)備選型依據(jù)。

綜上所述，針對(duì)儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)熱輸送全過程特性的研究還所見不多，已有研究主要集中在集熱/儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化、系統(tǒng)各傳熱環(huán)節(jié)規(guī)模配比優(yōu)化、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)部分環(huán)節(jié)熱特性研究等方面。擬采用試驗(yàn)研究及理論研究相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)新型儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)，研究系統(tǒng)集熱、儲(chǔ)熱及散熱環(huán)節(jié)的綜合性能，分析低溫相變儲(chǔ)熱材料的吸熱和放熱特性，揭示集熱-儲(chǔ)熱和放熱-散熱過程儲(chǔ)熱單元內(nèi)部溫度場不均勻度的變化規(guī)律及相關(guān)機(jī)理，測定相變儲(chǔ)熱單元儲(chǔ)熱和放熱過程的熱傳輸速率，優(yōu)化毛細(xì)管網(wǎng)運(yùn)行條件及系統(tǒng)配比，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的太陽能綜合利用能力，討論系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。該研究在儲(chǔ)熱型太陽能采暖系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方面具有重要的指導(dǎo)意義。

1 理論計(jì)算

1.1 基于進(jìn)口溫度歸一化溫差的瞬時(shí)效率

太陽能集熱器瞬時(shí)效率是瞬時(shí)得熱量與入射光功率之比，直接反映太陽能集熱器的集熱能力，可表示為歸一化溫差的函數(shù)，函數(shù)形式見式（1），可通過一元線性回歸法確定。

式中，ηi為太陽能集熱器的瞬時(shí)集熱效率，由式（2）計(jì)算得出；a0、a1為待估回歸系數(shù)；Ti*為基于集熱器進(jìn)口溫度的歸一化溫差，由式（3）計(jì)算得出，（m2·℃）/W；n為樣本容量；ui為隨機(jī)誤差。

式中，cp為集熱工質(zhì)比定壓熱容，J/(kg·℃)；qm為集熱工質(zhì)最佳循環(huán)質(zhì)量流量，kg/s；Tout-i為集熱器出口溫度，℃；Tin-i為集熱器進(jìn)口溫度，℃；A為集熱器有效采光面積，m2；Gi為太陽總輻照度，W/m2。

式中，Tm-i為環(huán)境溫度，℃。

假設(shè)隨機(jī)誤差的總體分布服從N（0，σ2）且相互獨(dú)立，并在X、Y的觀測樣本下采用最小二乘法估計(jì)待估回歸系數(shù)，將式（1）改寫為以下矩陣形式：

由矩陣表示的一元線性回歸模型為式（4）：

式中，Y為太陽能集熱器瞬時(shí)集熱效率的測試值向量；A為待估回歸系數(shù)向量；X為基于集熱器進(jìn)口溫度的歸一化溫差的測試值向量；u為隨機(jī)誤差向量。

采用最小二乘法估計(jì)總體參數(shù)，估計(jì)量由式（5）計(jì)算得出：

采用式（6）中的統(tǒng)計(jì)量t檢驗(yàn)回歸系數(shù)的顯著性:

式中，aj為最小二乘法估計(jì)量；S（aj）為樣本估計(jì)量；n-2為自由度。

1.2 儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度及儲(chǔ)熱/放熱速率

儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻程度可直接反映其運(yùn)行狀態(tài)及相變儲(chǔ)熱材料相態(tài)特征，是影響相變儲(chǔ)熱單元儲(chǔ)熱/放熱速率及儲(chǔ)熱/放熱效率的主要原因之一。本研究提出溫度場不均勻度S，用于表征儲(chǔ)熱單元溫度場的不均勻程度，其值越大則儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻程度越大，S可由式（7）計(jì)算得出:

式中，m為儲(chǔ)熱單元內(nèi)部溫度測點(diǎn)總數(shù)；Ti為第i個(gè)測點(diǎn)的溫度，℃；Tˉ為m個(gè)測點(diǎn)溫度的平均值，℃。

儲(chǔ)熱/放熱速率是表征儲(chǔ)熱裝置運(yùn)行性能的關(guān)鍵參數(shù)，是體現(xiàn)儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可由式（8）~式（11）計(jì)算得出。

式中，Vhs為儲(chǔ)熱速率，MJ/h；t0-hs為儲(chǔ)熱過程開始時(shí)刻，min；tend-hs為儲(chǔ)熱過程結(jié)束時(shí)刻，min；Phs(t)為第t分鐘儲(chǔ)熱平均功率，由式（9）計(jì)算得出，W。

式中，Tˉin-hs為儲(chǔ)熱第t分鐘時(shí)相變儲(chǔ)熱裝置熱交換器進(jìn)口平均溫度，℃；Tˉout-hs為儲(chǔ)熱第t分鐘時(shí)相變儲(chǔ)熱裝置熱交換器出口平均溫度，℃。

式中，Vhr為放熱速率，MJ/h；t0-hr為放熱過程開始時(shí)刻，min；tend-hr為放熱過程結(jié)束時(shí)刻，min；Phr（t）為第t分鐘放熱平均功率，由式（11）計(jì)算得出，W。

1.3 太陽能綜合利用能力

儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的太陽能綜合利用能力定義為集熱-儲(chǔ)熱效率與放熱-散熱效率的乘積，可表征該系統(tǒng)的太陽能利用率，是量化并評(píng)價(jià)系統(tǒng)節(jié)能能力的技術(shù)指標(biāo)，由式（12）~式（15）計(jì)算得出。

式中，H為儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的太陽能綜合利用能力，無量綱數(shù)；ηhc-hs為儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的集熱-儲(chǔ)熱效率，無量綱數(shù)，由式（13）計(jì)算得出；ηhr-hd為儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的放熱-散熱效率，無量綱數(shù)，由式（14）計(jì)算得出。

式中，為集熱-儲(chǔ)熱過程第t分鐘的平均太陽總輻照度，W/m2。

式中，t0-hd為散熱過程開始時(shí)刻，min；tend-hd為散熱過程結(jié)束時(shí)刻，min；Phd（t）為放熱-散熱過程第t分鐘毛細(xì)管網(wǎng)的平均散熱功率，由式（15）計(jì)算得出，W。

2 測試系統(tǒng)與試驗(yàn)方案

2.1 測試系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成及原理 如圖1所示，測試系統(tǒng)由儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)、太陽輻射及氣象條件監(jiān)測系統(tǒng)、溫度數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)三部分組成，有效集熱面積與散熱面積比為1∶2。

圖1 測試原理圖Fig.1 Test schematic diagram

儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)由集熱-儲(chǔ)熱環(huán)路及放熱-散熱環(huán)路組成，通過三通閥-1和三通閥-2切換循環(huán)環(huán)路，關(guān)鍵部件的規(guī)格型號(hào)見表1。集熱-儲(chǔ)熱環(huán)路由平板熱管型太陽能集熱器（優(yōu)良抗凍性能）、緩沖水箱、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、循環(huán)泵、Y型過濾器、球閥及低溫相變儲(chǔ)熱單元組成。平板熱管型太陽能集熱器為低溫相變儲(chǔ)熱單元提供熱源。循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)換熱工質(zhì)循環(huán)。轉(zhuǎn)子流量計(jì)和對(duì)應(yīng)球閥用于調(diào)節(jié)并顯示集熱工質(zhì)循環(huán)質(zhì)量流量。基于太陽總輻照度、循環(huán)流量、集熱器進(jìn)出口溫度及環(huán)境溫度實(shí)測數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸法可得出平板熱管型太陽能集熱器的歸一化效率曲線?；诘蜏叵嘧儍?chǔ)熱單元內(nèi)部溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)，可獲得儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度（儲(chǔ)熱過程）及儲(chǔ)熱速率。放熱-散熱環(huán)路由緩沖水箱、毛細(xì)管網(wǎng)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、循環(huán)泵、Y型過濾器、球閥及低溫相變儲(chǔ)熱單元組成，毛細(xì)管網(wǎng)及緩沖水箱置于室內(nèi)，基于相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)可獲得儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度（放熱過程）及放熱速率。

表1 關(guān)鍵部件的型號(hào)規(guī)格Table 1 Type and specification of key unit

儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)太陽總輻照度處于可有效利用范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)依據(jù)室內(nèi)溫度值控制集熱-儲(chǔ)熱環(huán)路與放熱-散熱環(huán)路的啟閉及循環(huán)流量，優(yōu)先利用實(shí)時(shí)太陽能保證供暖對(duì)象處于最佳溫度范圍（18~22℃），富裕太陽能以潛熱形式儲(chǔ)存在低溫相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部。當(dāng)太陽總輻照度溢出可有效利用范圍時(shí)，系統(tǒng)將利用低溫相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部潛熱，進(jìn)一步保證供暖對(duì)象處于最佳溫度范圍。

太陽輻射及氣象條件監(jiān)測系統(tǒng)由傾斜面太陽總輻射表、氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊及CR3000數(shù)據(jù)采集器組成。傾斜面太陽總輻射表是硅光電探測式太陽輻射測量表。氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊由2個(gè)環(huán)境溫度傳感器、1個(gè)風(fēng)速儀及1個(gè)風(fēng)向標(biāo)組成，用于監(jiān)測平板熱管型太陽能集熱器附近的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)。

溫度數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)系統(tǒng)由K型點(diǎn)狀測溫傳感器及1臺(tái)TP700數(shù)據(jù)采集器組成，用于采集并存儲(chǔ)各溫度測點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.1.2 相變儲(chǔ)熱單元 相變儲(chǔ)熱單元（自主設(shè)計(jì)）由網(wǎng)格化熱交換器、相變儲(chǔ)熱材料封裝與保溫維護(hù)結(jié)構(gòu)、相變儲(chǔ)熱材料3部分組成。網(wǎng)格化熱交換器內(nèi)部為換熱工質(zhì)側(cè)（內(nèi)流），熱交換器與維護(hù)結(jié)構(gòu)之間填充相變儲(chǔ)熱材料。供暖室內(nèi)恒溫范圍為18~22℃，故相變儲(chǔ)熱材料選為58#半精煉石蠟。如圖2所示，網(wǎng)格化熱交換器由蛇形不銹鋼換熱盤管沿y方向交叉分層（10層）串接而成，各層蛇形不銹鋼換熱盤管均處于xz平面內(nèi)?？紤]加工工藝及材料強(qiáng)度，選取內(nèi)徑為6 mm、壁厚為1 mm的不銹鋼細(xì)管（304不銹鋼）。垂直層間距及盤管間距等長，共形成了729個(gè)邊長為25 mm的儲(chǔ)熱網(wǎng)格，網(wǎng)格化熱交換器體積為0.00176 m3。網(wǎng)格化熱交換器外壁與相變儲(chǔ)熱材料直接接觸，隔離了換熱工質(zhì)與相變儲(chǔ)熱材料，相變儲(chǔ)熱材料側(cè)填充58#半精煉石蠟（48 kg），外部由相變儲(chǔ)熱材料封裝與保溫維護(hù)結(jié)構(gòu)密封，形成了長方體型相變儲(chǔ)熱單元，長×寬×高為350 mm×310 mm×600 mm，總?cè)莘e為0.0651 m3，網(wǎng)格化熱交換器容積占相變儲(chǔ)熱箱體積的2.7%。

圖2 網(wǎng)格化熱交換器Fig.2 Meshing heat exchanger

如圖3(a)所示，為準(zhǔn)確分析儲(chǔ)熱材料側(cè)的溫度場分布特征，在低溫相變儲(chǔ)熱單元y向均勻布置5個(gè)測溫層（A/Bn1、A/Bn2、A/Bn3、A/Bn4、A/Bn5），各測溫層均位于所在儲(chǔ)熱網(wǎng)格垂直高度中心平面處。如圖3(b)所示，每個(gè)測溫層分為側(cè)部區(qū)和內(nèi)部區(qū)，側(cè)部區(qū)位于深紅色正方形外部和綠色正方形內(nèi)部之間區(qū)域，在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)熱網(wǎng)格中心處布置4個(gè)測溫點(diǎn)（B1、B2、B3、B4）。內(nèi)部區(qū)位于深紅色正方形內(nèi)部區(qū)域，在對(duì)應(yīng)儲(chǔ)熱網(wǎng)格中心處布置4個(gè)測溫點(diǎn)（A1、A2、A3、A4），相變儲(chǔ)熱材料側(cè)共布置40個(gè)測溫點(diǎn)。

圖3 溫度測點(diǎn)布局Fig.3 Layout of temperature measuring points

2.2 儀器及儀表

本研究所涉及儀器及儀表的型號(hào)和主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 儀器及儀表的型號(hào)和主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Type and main technical parameters of instruments and meters

2.3 測試流程及方案

2.3.1 測試流程 第1步，標(biāo)定K型點(diǎn)狀測溫傳感器，確保測溫準(zhǔn)確性；第2步，選擇低溫相變儲(chǔ)熱材料，測定相變儲(chǔ)熱材料熔點(diǎn)及相變焓；第3步，搭建測試系統(tǒng)；第4步，測試儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的集熱-儲(chǔ)熱過程特性；第5步，測試儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的放熱-散熱過程特性。

2.3.2 測試方案 測試地點(diǎn)選為呼和浩特市，2020年10月15日~11月25日開展試驗(yàn)測試，測試日應(yīng)保證天氣晴朗，風(fēng)速小于3 m/s。各測試工況均復(fù)測3次，最終結(jié)果取復(fù)測平均值，以下為具體測試方案。

（1）K型點(diǎn)狀測溫傳感器標(biāo)定：將一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)與K型點(diǎn)狀測溫傳感器同時(shí)放入恒溫水浴，在10~75℃范圍內(nèi)間隔5℃記錄各實(shí)測溫度值，以一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)顯示值作為實(shí)際溫度值，標(biāo)定各測溫傳感器。

（2）相變儲(chǔ)熱材料熔點(diǎn)及相變焓測定：使用不銹鋼刀片去除塊狀58#石蠟樣品外皮，取少許內(nèi)部無污染石蠟塊作為樣品，將樣品置于120℃干燥器內(nèi)加熱2 h，可最大限度消除樣品自身純度帶來的干擾。再將樣品置于Tzero鋁坩堝內(nèi)部密封，用分析天平進(jìn)行稱重（樣品質(zhì)量為11.3 mg）后，將該樣品坩堝放入儀器池的試樣座內(nèi)，另取1個(gè)空坩堝作為參照。隨后打開氮?dú)忾y，調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁繛?0 ml/min，儀器開機(jī)后穩(wěn)定30 min，以保證基線平穩(wěn)。測試開始后，在10~80℃區(qū)間內(nèi)以2℃/min速率升溫，升溫至80℃后穩(wěn)定1 min，再以2℃/min速率降溫，降至10℃。

（3）搭建測試系統(tǒng)：依據(jù)系統(tǒng)組成及原理，搭建測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)共布置48支K型點(diǎn)狀測溫傳感器，平板熱管型太陽能集熱器進(jìn)出口共布置2支，低溫相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部及熱交換器進(jìn)出口共布置44支，毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)出口共布置2支。平板熱管型太陽能集熱器同一平面處安裝太陽總輻射表。氣象監(jiān)測模塊安裝在平板熱管型太陽能集熱器附近，1個(gè)環(huán)境溫度傳感器安裝在毛細(xì)管網(wǎng)上部1.5 m處，監(jiān)測室內(nèi)溫度，用于表征供暖質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。集熱-儲(chǔ)熱測試在室外空曠且全天無遮擋區(qū)域進(jìn)行，放熱-散熱測試在保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行，相變儲(chǔ)熱單元及毛細(xì)管網(wǎng)置于保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部（無其他熱源），保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)南側(cè)為建筑外墻（包含窗戶），其他各面是人工構(gòu)筑的保溫墻，為內(nèi)部墻。

（4）集熱-儲(chǔ)熱過程特性測試：待太陽總輻照度達(dá)到500 W/m2后，操作三通閥-1和三通閥-2，將試驗(yàn)系統(tǒng)切換至集熱-儲(chǔ)熱環(huán)路，調(diào)節(jié)球閥-5，將換熱工質(zhì)循環(huán)流量調(diào)節(jié)至135 kg/h（與熱交換器內(nèi)徑相匹配的最佳流速），平板熱管型太陽能集熱器開始集熱，低溫相變儲(chǔ)熱單元同步儲(chǔ)熱，實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄各測點(diǎn)溫度、環(huán)溫及太陽總輻照度數(shù)據(jù)。

（5）放熱-散熱過程特性測試：提前在緩沖水箱內(nèi)加入65 kg換熱工質(zhì)（27℃自來水），操作三通閥-1和三通閥-2，將試驗(yàn)系統(tǒng)切換至放熱環(huán)路，調(diào)節(jié)球閥-5，將換熱工質(zhì)循環(huán)流量調(diào)節(jié)至135 kg/h，換熱工質(zhì)經(jīng)低溫相變儲(chǔ)熱單元后溫度不斷升高，再經(jīng)毛細(xì)管網(wǎng)散熱，使散熱空間維持18~22℃區(qū)間。當(dāng)換熱工質(zhì)溫度升至45℃后，再以冷熱摻混形式將緩沖水箱內(nèi)傳熱工質(zhì)溫度降至27℃附近，循環(huán)放熱-散熱階段，連續(xù)監(jiān)測并記錄各測點(diǎn)溫度。為降低放熱-散熱試驗(yàn)過程的熱耗散量，放熱過程相態(tài)變化監(jiān)測試驗(yàn)需單獨(dú)進(jìn)行，間隔42 min使用高清相機(jī)拍攝相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部的瞬時(shí)相態(tài)。

3 結(jié)果與分析

本研究各測試時(shí)段平均環(huán)境溫度為-3℃，傾斜面平均太陽總輻照度為686 W/m2，平均風(fēng)速小于3 m/s。

3.1 平板熱管型太陽能集熱器集熱性能回歸分析

為降低測試環(huán)境及測試儀器的漂移干擾，剔除部分異常數(shù)據(jù)，取15 min數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行回歸分析。將測試數(shù)據(jù)代入式（2）、式（3），可獲得實(shí)測瞬時(shí)效率及歸一化溫差數(shù)據(jù)集，分布規(guī)律見圖4。采用一元線性回歸分析法，可得式（16），決定系數(shù)接近1，故回歸模型較可靠。由式（16）可知，平板熱管型太陽能集熱器總熱損失系數(shù)為5.5447 W/(m2·K)，截距效率為86%。

圖4 瞬時(shí)集熱效率隨歸一化溫差的變化曲線Fig.4 The change curve of instantaneous heat collection efficiency with normalized temperature difference

3.2 相變儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度分析

3.2.1 相變儲(chǔ)熱材料熱特性分析 圖5為58#相變儲(chǔ)熱石蠟吸熱及放熱過程中熱流（q）隨溫度（T）的變化曲線。因石蠟為多碳烷烴混合物，58#相變儲(chǔ)熱石蠟在加熱溫度區(qū)間內(nèi)逐步熔融，吸熱熱流曲線上呈現(xiàn)出一個(gè)多階段的吸熱峰，具有較寬熔程。放熱凝固過程存在“過冷”現(xiàn)象，絕大部分不同碳鏈大小的混合物將同時(shí)凝固，故58#相變儲(chǔ)熱石蠟熔點(diǎn)是放熱峰前沿斜率最大點(diǎn)切線與外延基線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度。如圖5所示，向下部分的曲線為吸熱曲線，溫度由10℃逐漸升高至80℃。向上部分的曲線為放熱曲線，溫度由80℃逐漸降低至10℃。由圖5可知，58#相變儲(chǔ)熱石蠟熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）（TM）為55.69℃，放熱峰為46.16℃，最大放熱熱流為-2.068 W/g。吸熱過程58#相變儲(chǔ)熱石蠟溫度偏折點(diǎn)（TA）為48.65℃，吸熱峰為63℃，最大吸熱熱流為1.9 W/g，歸一化相變焓（H區(qū)域積分）為163.09 J/g。

圖5 相變儲(chǔ)熱材料熱流曲線（向上放熱，向下吸熱）Fig.5 Heat flow curves of phase change heat storage material(upward heat release,downward heat absorption)

3.2.2 溫度場不均勻度分析 基于相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部實(shí)測溫度數(shù)據(jù)，由式（7）可計(jì)算出溫度場不均勻度。如圖6所示，向右為儲(chǔ)熱過程，向左為放熱過程，相變儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度在儲(chǔ)熱和放熱階段均存在單峰，儲(chǔ)熱階段溫度場不均勻度整體大于放熱階段。

圖6 儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度變化曲線Fig.6 The change curves of temperature field unevenness of heat storage unit

集熱-儲(chǔ)熱過程開始前，58#相變儲(chǔ)熱石蠟為單相固態(tài)，相變儲(chǔ)熱單元各向溫度梯度均接近于0，溫度場不均勻度為階段最小值0.0265。儲(chǔ)熱開始后，58#相變儲(chǔ)熱石蠟將在38~47.7℃儲(chǔ)熱升溫范圍內(nèi)維持固態(tài)顯熱儲(chǔ)熱過程，傳熱形式為純導(dǎo)熱。因固態(tài)石蠟熱導(dǎo)率很小，且傳熱工質(zhì)進(jìn)出口分布在儲(chǔ)熱單元體對(duì)角線頂點(diǎn)儲(chǔ)熱網(wǎng)格中心處，故測溫層方向的溫度梯度隨儲(chǔ)熱時(shí)長不斷增大，同一測溫層各儲(chǔ)熱網(wǎng)格內(nèi)部溫度梯度也呈增大趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)熱單元溫度不均勻度由0.0265線性增大至峰值0.11，峰值出現(xiàn)在溫度偏折點(diǎn)附近。溫度偏折點(diǎn)后，58#相變儲(chǔ)熱石蠟將逐漸軟化至固液兩相態(tài)，且液相率隨儲(chǔ)熱時(shí)長不斷變大，自然對(duì)流傳熱的貢獻(xiàn)度逐漸凸顯，強(qiáng)化了58#相變儲(chǔ)熱石蠟內(nèi)部的傳熱能力。在47.7~53.9℃儲(chǔ)熱升溫范圍內(nèi)，溫度不均勻度由峰值0.11以近線性規(guī)律降低至轉(zhuǎn)折點(diǎn)0.0603，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）附近。熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）后58#相變儲(chǔ)熱石蠟轉(zhuǎn)化為單一液態(tài)，傳熱方式變?yōu)榧冏匀粚?duì)流，傳熱強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，同一測溫層溫度場趨于均勻，測溫層方向溫度梯度急劇減小，溫度不均勻度趨于穩(wěn)態(tài)分布（0.0603附近）。

放熱-散熱過程開始前，58#相變儲(chǔ)熱石蠟為純液態(tài)，測溫層方向無自然對(duì)流，溫度場處于穩(wěn)態(tài)，同一測溫層溫度場為等溫場，相變儲(chǔ)熱單元各向溫度梯度接近于0，溫度場不均勻度為階段最小值0.0178。因測溫層方向無對(duì)流傳熱，故放熱過程的“穩(wěn)態(tài)最小溫度場不均勻度”小于儲(chǔ)熱過程。放熱開始后，58#相變儲(chǔ)熱石蠟將在57.9~55℃放熱降溫范圍內(nèi)維持一段時(shí)間的液態(tài)顯熱放熱過程，傳熱形式為純自然對(duì)流，相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部溫度場維持最小穩(wěn)態(tài)不均勻度（0.020附近）。如圖7所示，熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）后，相變儲(chǔ)熱單元熱交換器外壁處的58#相變儲(chǔ)熱石蠟開始凝固，且固相界面逐漸向儲(chǔ)熱網(wǎng)格中心推移，自然對(duì)流傳熱作用被弱化，導(dǎo)熱作用逐漸增強(qiáng)。在55~47.3℃放熱降溫范圍內(nèi)，溫度場不均勻度從0.0238開始以近線性規(guī)律增大至峰值0.0952，峰值在放熱峰附近。隨后，相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部熱流不斷減小，導(dǎo)熱逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，傳熱強(qiáng)度達(dá)到較穩(wěn)定的谷值區(qū)間，溫度場不均勻度隨放熱時(shí)間不斷減小。

圖7 儲(chǔ)熱網(wǎng)格內(nèi)固相界面推移圖（放熱階段）Fig.7 Transition diagram of solid phase interface in heat storage grid(heat release stage)

3.3 儲(chǔ)熱/放熱速率及太陽能綜合利用能力

由式（9）和式（11）可分別計(jì)算出第t分鐘的儲(chǔ)熱和放熱平均功率。如圖8所示，間隔42 min左右，重復(fù)對(duì)緩沖水箱內(nèi)部的傳熱工質(zhì)進(jìn)行摻混降溫，保證緩沖水箱出口的傳熱工質(zhì)溫度在27~45℃區(qū)間內(nèi)往復(fù)變化。第1、2次摻混降溫后，相變儲(chǔ)熱單元放熱功率也隨之往復(fù)波動(dòng)變化，波動(dòng)區(qū)間大致為200~1100 W，放熱功率隨相變儲(chǔ)熱單元熱交換器進(jìn)口溫度呈負(fù)相關(guān)規(guī)律變化。放熱126 min時(shí)進(jìn)行第3次摻混降溫，但放熱功率未出現(xiàn)波動(dòng)提升現(xiàn)象，而是跟隨降低，故164 min后可認(rèn)為相變儲(chǔ)熱單元已完全放熱，剩余熱量無法有效放出，總放熱量為5.0911 MJ。如圖9所示，集熱-儲(chǔ)熱測試時(shí)段的傾斜面太陽總輻照度隨測試時(shí)長波動(dòng)變化，波動(dòng)區(qū)間大致為400~920 W/m2。受傾斜面太陽總輻照度波動(dòng)特征影響，儲(chǔ)熱功率也呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)變化，平均儲(chǔ)熱功率約為500 W。測試期間的日平均儲(chǔ)熱時(shí)長為4.83 h，總儲(chǔ)熱量為8.7126 MJ，儲(chǔ)熱密度為181.51 J/g，故總儲(chǔ)熱量等于潛熱儲(chǔ)熱和顯熱儲(chǔ)熱之和。

圖8 儲(chǔ)熱功率和放熱功率隨測試時(shí)長的變化趨勢Fig.8 The change trend of heat storage power and heat release power change with test time

圖9 傾斜面太陽總輻照度隨測試時(shí)長的變化曲線Fig.9 The change curve of total solar irradiance of inclined plane change with test time

測試期間，平板熱管型太陽能集熱器的入口平均溫度為56.5℃，由式（16）計(jì)算可得，系統(tǒng)平均集熱效率為0.3791。由式（8）~式（14）計(jì)算可得，相變儲(chǔ)熱單元在自然集熱條件下的平均儲(chǔ)熱速率和平均放熱速率分別為1.829、1.803 MJ/h，儲(chǔ)熱速率和放熱速率基本一致。測試期間，平板熱管型太陽能集熱器采光面接收的太陽總輻照量為23.891 MJ，系統(tǒng)集熱-儲(chǔ)熱效率為0.3648，系統(tǒng)放熱-散熱效率為0.5843，系統(tǒng)太陽能綜合利用能力為0.2132。綜上可知，系統(tǒng)集熱-儲(chǔ)熱效率比集熱效率低3.74%，故傳熱工質(zhì)循環(huán)管路及相變儲(chǔ)熱單元的總熱損低于5%，系統(tǒng)具有良好的保溫性能。同時(shí)，由圖10可知，放熱-散熱階段，毛細(xì)管網(wǎng)上部1.5 m處溫度在19.6~21.4℃區(qū)間波動(dòng)變化，處于設(shè)定供暖溫度范圍之內(nèi)，故供暖質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

圖10 毛細(xì)管網(wǎng)上部1.5 m處溫度隨測試時(shí)長的變化曲線Fig.10 The change curve of temperature at the upper 1.5 m of capillary net with test time

3.4 毛細(xì)管網(wǎng)運(yùn)行條件優(yōu)化

毛細(xì)管網(wǎng)散熱功率可由式（15）計(jì)算得出。散熱溫差（ΔThd）指毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)出口算術(shù)平均溫度與毛細(xì)管網(wǎng)上部1.5 m處溫度之差。圖11為儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)散熱功率隨毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度的變化曲線。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度在40~52℃區(qū)間內(nèi)升高時(shí)，散熱功率隨進(jìn)口溫度按正相關(guān)線性趨勢增大。當(dāng)進(jìn)口溫度高于52℃后，散熱功率穩(wěn)定在410 W附近，該區(qū)間要求的熱源溫度過高，運(yùn)行條件與儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)不匹配，故不作詳細(xì)分析。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度小于40℃時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)散熱功率由傳熱工質(zhì)熱慣性及散熱過程傳熱系數(shù)共同決定，傳熱工質(zhì)熱慣性對(duì)散熱功率起抑制作用，傳熱系數(shù)對(duì)散熱功率起強(qiáng)化作用，當(dāng)進(jìn)口溫度由30℃逐漸增大至36℃過程中，傳熱工質(zhì)的熱能品質(zhì)較低，熱慣性可忽略，傳熱系數(shù)對(duì)散熱功率起決定性作用，而毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)傳熱工質(zhì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)空氣間的傳熱系數(shù)隨進(jìn)口溫度按正相關(guān)關(guān)系變化，故毛細(xì)管網(wǎng)散熱功率隨進(jìn)口溫度的升高而增大。當(dāng)進(jìn)口溫度由36℃繼續(xù)增大至40℃時(shí)，熱慣性發(fā)揮的作用大于傳熱系數(shù)，且熱慣性隨進(jìn)口溫度按正相關(guān)關(guān)系變化。

圖11 散熱功率隨毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度的變化曲線Fig.11 The change curve of heat dissipation power change with inlet temperature of capillary network

綜上所述，毛細(xì)管網(wǎng)散熱功率隨進(jìn)口溫度（30~40℃）以類拋物線（開口向下）規(guī)律變化，且存在單峰值262 W。單位面積毛細(xì)管網(wǎng)散熱能力為65.5 W/m2，對(duì)應(yīng)的進(jìn)口溫度和散熱溫差分別為36、8℃。因此，儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)散熱末端供水溫度維持在36℃附近時(shí)，可最大化毛細(xì)管網(wǎng)散熱能力。

3.5 經(jīng)濟(jì)性分析

以呼和浩特市80 m2節(jié)能型辦公建筑（單位面積熱負(fù)荷為21 W/m2）作為供暖對(duì)象，建筑室內(nèi)溫度保持在18~22℃，太陽能保證率取為100%，散熱過程設(shè)置為分區(qū)間歇性運(yùn)行模式，總循環(huán)時(shí)長取為13 h，其他時(shí)段是建筑體自保溫時(shí)段，故建筑采暖過程的日平均耗熱量為78.624 MJ。采用儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)對(duì)該節(jié)能建筑進(jìn)行供暖時(shí)，按以下過程確定系統(tǒng)的最優(yōu)配比及運(yùn)行條件：

（1）采暖季傾斜面平均太陽總輻照度取為686 W/m2，日有效集熱時(shí)長取為4.93 h，太陽能綜合利用能力取為0.2132，則平板熱管型太陽能集熱器單位采光面積的日平均集熱量為2.596 MJ，共需平板熱管型太陽能集熱器（2 m2）16塊；

（2）系統(tǒng)有效儲(chǔ)熱量的理論供暖時(shí)長取為8 h，相變儲(chǔ)熱單元有效儲(chǔ)熱量為5.0911 MJ，則供暖系統(tǒng)的額定日儲(chǔ)熱量為48.38 MJ，共需相變儲(chǔ)熱單元10組。依據(jù)系統(tǒng)循環(huán)流量及末端供水溫度，確定相變儲(chǔ)熱單元的連接方式（串并聯(lián)）；

（3）單個(gè)U20型毛細(xì)管網(wǎng)（4 m2）的最佳散熱功率為262 W，最佳入口水溫為36℃（電動(dòng)閥門控制循環(huán)流量可實(shí)現(xiàn)恒溫供水），建筑采暖過程的平均熱負(fù)荷為1680 W，共需7組U20型毛細(xì)管網(wǎng)，毛細(xì)管網(wǎng)鋪設(shè)總面積為28 m2。

綜上所述，儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)有效集熱面積與采暖面積的最佳比例為0.4，相變儲(chǔ)熱材料質(zhì)量與有效集熱面積的最佳比例為15 kg/m2，毛細(xì)管網(wǎng)散熱面積與采暖面積的最佳比例為0.35，基于上述結(jié)果制作表3。由表3可知，儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)材料費(fèi)為17162元。因系統(tǒng)各部件均可模塊化，安裝過程無須大型機(jī)械，且安裝快捷方便，故人工費(fèi)及機(jī)械費(fèi)總和取為初投資的5%，即該系統(tǒng)初投資為18065.3元，單位供暖面積初投資為225.8元/m2。系統(tǒng)耗電設(shè)備僅有循環(huán)泵，MP-100RM型循環(huán)泵額定功率為250 W，日平均循環(huán)13 h，則系統(tǒng)日平均耗電量為3.25 kW·h，呼和浩特地區(qū)電價(jià)為0.415元/(kW·h)，法定年供暖時(shí)長為6個(gè)月，而該系統(tǒng)為分區(qū)控制系統(tǒng)，則年運(yùn)行時(shí)長可控制在4個(gè)月以內(nèi)，即年運(yùn)行成本為161.9元。因系統(tǒng)易損件較少，故壽命期（25年）內(nèi)年平均維護(hù)成本取為初投資成本的1%，即年平均維護(hù)成本為180.7元，則年平均運(yùn)行維護(hù)成本為342.6元，壽命期內(nèi)的單位供暖面積年平均運(yùn)行維護(hù)成本為4.28元/m2。參照集中供暖運(yùn)行成本，呼和浩特市非居民供暖費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為5.03元/（m2·月），故該節(jié)能型辦公建筑的供暖費(fèi)應(yīng)為2414.4元/年，即為儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的年平均收益。

表3 材料Table 3 Material schedule

該項(xiàng)目投資為一次性完成，投產(chǎn)后各年的凈現(xiàn)金流量相同，將系統(tǒng)初投資、運(yùn)行維護(hù)成本及年平均收益代入式（17），可得系統(tǒng)的靜態(tài)投資回收期為8.7年。

式中，Tp為靜態(tài)投資回收期，年；I為系統(tǒng)初投資，元；B為系統(tǒng)年平均收益，元；C為系統(tǒng)年平均運(yùn)行維護(hù)成本，元。

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于低溫輻射散熱的儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)，綜合研究了系統(tǒng)熱輸送全過程的集熱、儲(chǔ)熱及散熱特性，優(yōu)化了系統(tǒng)配比及運(yùn)行條件，討論了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，主要得到以下結(jié)論。

（1）平板熱管型太陽能集熱器的總熱損失系數(shù)為5.5447 W/(m2·K)，截距效率為86%。相變儲(chǔ)熱材料熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）為55.69℃，歸一化相變焓為163.09 J/g。

（2）集熱-儲(chǔ)熱階段，在38~53.9℃儲(chǔ)熱升溫范圍內(nèi)，相變儲(chǔ)熱單元溫度場不均勻度在溫度偏折點(diǎn)附近達(dá)到峰值0.11，熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（0.0603），轉(zhuǎn)折點(diǎn)后溫度場不均勻度趨于穩(wěn)態(tài)。放熱-散熱階段，在57.9~55℃放熱降溫范圍內(nèi)，相變儲(chǔ)熱單元溫度場維持最小穩(wěn)態(tài)不均勻度（0.020附近）。熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）后，溫度場不均勻度以近線性規(guī)律增大至峰值0.0952（放熱峰附近），放熱峰后溫度場不均勻度隨放熱時(shí)長不斷減小。

（3）相變儲(chǔ)熱單元有效儲(chǔ)熱量為5.0911 MJ，儲(chǔ)熱密度為181.51 J/g。平均儲(chǔ)熱速率和平均放熱速率分別為1.829和1.803 MJ/h。儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的集熱-儲(chǔ)熱效率和放熱-散熱效率分別為0.3648、0.5843，太陽能綜合利用能力為0.2132。

（4）毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度在30~40℃范圍內(nèi)升高時(shí)，散熱功率存在單峰值262 W。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)進(jìn)口溫度及散熱溫差分別為36、8℃時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)最佳散熱能力為65.5 W/m2。

（5）儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)有效集熱面積與采暖面積的最佳比例為0.4，相變儲(chǔ)熱材料質(zhì)量與有效集熱面積的最佳比例為15 kg/m2，毛細(xì)管網(wǎng)散熱面積與采暖面積的最佳比例為0.35。相對(duì)于集中供暖形式，儲(chǔ)熱型太陽能供暖系統(tǒng)的初投資和運(yùn)維成本分別為225.8、4.28元/m2，靜態(tài)投資回收期為8.7年。