新型双集热管多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐日光温室的应用研究

张明星，陈 超，马彩雯，姜理星，邹 平，张彩虹

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124;2.新疆农业科学院农机化研究所，乌鲁木齐830091)

新型双集热管多曲面槽式空气集热器在乌鲁木齐日光温室的应用研究

张明星1，陈 超1，马彩雯2，姜理星1，邹 平2，张彩虹2

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124;2.新疆农业科学院农机化研究所，乌鲁木齐830091)

【目的】提高日光温室主动蓄热能力，使温室内热环境得到保障。【方法】提出一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器，将此集热器与日光温室后墙结合构成主－被动式墙体体系，将此墙体体系应用于新疆日光温室，研究该集热器在日光温室中应用的可行性及应用效果。【结果】在集热器长度为16 m、集热器单支玻璃管接收器内空气流速为2.5 m/s的条件下，集热器出口温度可达75℃，集热效率可达50%。该集热系统通过日光温室墙体主动蓄热方式，在冬季实测期间累计可为日光温室提供约为2 400 MJ的太阳能。【结论】该结果可为集热器的推广应用提供参考。

日光温室;双集热管;多曲面槽式空气集热器;主动蓄热;集热性能;供热量

0 引言

【研究意义】日光温室因其可在反季节为蔬菜生长提供良好的小气候，受到了广大农业生产者的亲睐［1－3］。温室小气候主要受室外气象条件［4］、围护结构热工性能［5］和土壤热湿特性［6］等因素的影响，其热量主要来自被动式接收太阳能以及主动式加温供暖措施，在温室被动式接收太阳能一定的条件下，如何通过主动方式提高温室的蓄热能力，使温室内热环境得到保障，对确保蔬菜生长起到至关重要的作用。【前人研究进展】国内外不同学者对如何通过主动方式给温室内提供热量，使温室内环境能够维持作物生长需求进行了大量的研究。李德坚等［7］对全玻璃真空管太阳能集热器给大型四连栋蔬菜温室冬季供暖进行了试验研究，发现在冬季温室外日最低气温在－4℃以上时，太阳能主动和被动供暖能够维持室温，无需燃油炉供暖;刘圣勇等［8］利用了太阳能代替煤炭对温室内地温进行增温试验并与传统煤炉加热方式进行了比较;M.N.Bargach等［9］使用平板太阳能集热器加热温室的方式，对在温室中设置太阳能集热系统进行效果分析，此项研究在提升太阳能的利用率方面取得了明显效果。可以看出，利用集热器是温室主动式接收太阳能的主要方式之一，因此集热器的集热性能也是影响温室内环境的因素之一。R.Tchinda等［10，11］和H.Kessentini等［12］分别对聚光型集热器进行了传热机理分析，建立了抛物面、槽面聚光型集热器的传热模型，为集热器优化设计提供了指导;郑宏飞等［13－15］对多曲面槽式空气集热器的三种不同接收器对集热器性能的影响进行了试验研究，结果表明圆形玻璃管式接收器的出口温度最高，能达到140℃;当集热温度约60℃时，集热效率能到45%以上。【本研究切入点】基于国内外研究现状，以及前期研发的单集热管多曲面槽式空气集热器［16］，为了更好的提高日光温室主动蓄热能力，研究提出一种新型双集热管多曲面槽式空气集热器，将此集热器与日光温室后墙结合构成主－被动式墙体体系，通过空气集热器－竖向空气通道以主动蓄热的方式提高墙体内部层的温度及蓄热能力，为日光温室提供热量，并将此墙体体系应用于新疆乌鲁木齐日光温室中。研究新型双集热管多曲面槽式空气集热器在日光温室中应用的可行性和应用效果。【拟解决的关键问题】研究和评价集热器在试验系统中的集热性能，以及在不同情况下为日光温室提供的热量。为该集热器的推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 集热器结构及工作原理

新型双集热管多曲面槽式空气集热器(以后简称双管集热器)，主要由多曲面反射板、多曲面保温板、多曲面外保护板、玻璃管接收器、玻璃盖板等构成。其工作原理为:太阳光线透过玻璃盖板射入到槽内，一部分光线直接汇聚在玻璃管接收器上半部;另一部分光线平行入射到组合曲面上，再经过反射后汇聚在玻璃管接收器上，加热流入玻璃管接收器内的空气，被加热的空气通过玻璃管接收器出口流出，并输送至供暖末端。图1

图1 集热器结构构造示意Fig.1 The structure of the collector

经过试验研究发现，单管集热器在实际应用时存在处理空气量小、集热器效率低的问题，为了增大集热器处理的空气量并提高集热器的集热效率，提出了双管集热器的设计理念，其核心特点为，在单管集热器的结构基础上增加一根玻璃管接收器，考虑玻璃管接收器以及集热器槽体的大小尺寸，同时考虑该类聚光型集热器内的玻璃管接收器应尽量处于光线聚焦区，玻璃管接收器宜增加至2根。

同时双管集热器中的两支玻璃管接收器的结构位置也影响集热器的聚光效果，进而影响集热器集热性能，因此两支玻璃管接收器的位置应尽量靠近集热器光线聚焦区并使其随着太阳高度角的变化不相互遮挡。在考虑了集热器几何结构的基础上采用光学模拟软件TracePro进行了不同位置的两支玻璃管接收器对光线汇聚效果分析，最终得到两支玻璃管接收器的相对位置。

在晴好天气条件下单、双管单位面积集热量和集热效率随时间的变化实测结果为，在单支玻璃管接收器内空气流速相同的条件下，单、双管集热器单位面积集热量都是随着时间的变化先增加后减小，但是双管集热器单位面积集热量始终大于单管集热器，平均提高了约19%;单、双管集热器集热效率随时间的变化波动并不大，但是双管集热器集热效率同样始终高于单管集热器，平均提高了约9%。由此结果可以看出双管集热器优于单管集热器。图2，图3

1.1.2 太阳能主－被动式墙体体系结构及工作原理

该体系主要由双管集热器和带竖向空气通道的三重结构相变蓄热墙体［17］构成。其中，带竖向通道的三重结构相变蓄热墙体的内侧表面采用项目组研制的GH－20型复合相变蓄热墙体板，将照射在该墙体层的太阳能以被动潜热蓄热的方式蓄积，提高潜热蓄热能力;背阳的墙体外表面侧采用热阻大的保温材料;中间墙体层采用蓄热性能和传热性能较好的空心砌块砖，并利用空心气孔自然形成竖向空气通道;安装在后墙体上方的双管集热器与小型管道风机、PVC风管道以及中间墙体层内的竖向空气通道构成太阳能－墙体主－被动蓄热体系，达到提高日光温室墙体内部层蓄热能力的目的。

该墙体体系的主要工作原理是，流出集热器的热空气通过风管送入墙体通风空气通道，通过强迫对流换热方式加热墙体，被加热的墙体通过辐射以及对流换热的方式对温室内环境提供热量;被冷却后的空气流出墙体空气通道，经由风机，通过通风管道流入空气集热系统;周而复始，不断循环。图4

图2 单、双管集热器单位面积集热量随时间变化Fig.2 Heat collection in single and dual collector tube concentrator

图3 单、双管集热器集热效率随时间变化Fig.3 Collection efficiency in single and dual collector tube concentrator

图4 带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系Fig.4 Phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators

1.1.3 新疆日光温室应用概况

将研制的双管集热器在乌鲁木齐日光温室进行应用研究。其中，双管集热器由8组集热器单元组件串联而成(总长度为16 m)，乌鲁木齐地理位置为北纬43.45°，东经87.36°，由集热器固定放置朝向原则:保证在集热器放置角度上冬季集热面接收的有效太阳辐照量总和最大，可计算得到集热器接收面倾角为67°。为获得集热器进出口温度变化规律，在双管集热器的进出口处用铜康铜热电偶(精度:± 0.1℃)，分别布置温度测点;环境温度测点也采用铜康铜热电偶，测量范围为－40～350℃，精度为±0.1℃;空气流量采用Testo－435型热线风速仪(测量范围:0～20 m/s;精度:±0.01 m/s);太阳辐射强度采用锦州阳光能源有限公司的TBQ－2型总辐射仪(测量范围为0～2 000 W/m2，测量精度为±1 W/m2)，通过配套的TR M－ZS1检测仪进行数据采集，试验数据采集时间为1次/min。数据采集时间2016年11月1～2017年1月20日，系统每天运行时间为09:30～15:30，雨雪天气不运行。图6为实测期间太阳日累计总辐射量和环境温度随时间的变化规律。实测期间，每支玻璃管接收器内空气流速为2.5 m/s。图5，图6

图5 应用案例现场Fig.5 The picture of application case

图6 冬季太阳总辐射及环境温度变化规律Fig.6 Solar radiation and ambient temperature in winter

1.2 方法

结合双管集热器热工性能影响因素，参照中国国家标准《GB/T 4271－2007太阳能集热器热性能试验方法》，可将空气出口温度、集热量与累计集热量、集热效率、基于进口温度的归一化温差－效率等作为双管集热器集热性能的评价指标。

1.2.1 空气出口温度

集热器空气出口温度反映集热器的送风状况，也反映了为能源利用末端提供的供暖(热)品质。

1.2.2 集热量与累计集热量

集热量是指集热器某时刻收集到的热量，是衡量集热器的重要指标，可根据式(1)计算。

式中，Qτ为集热器集热量，W;G为集热器内的空气质量流量(可根据式(2)计算)，kg/s; CP为空气定压比热，J/(kg瘙簚K);To为集热器空气出口温度，℃;Ti为集热器空气进口温度，℃。

式中，ρ为空气密度，kg/m3;v为空气集热管内空气流速，m/s;d为空气集热管管径，m。

累计集热量是指集热器在一天工作时间内累计收集的总热量，是衡量集热器供热能力的重要指标，可根据式(3)计算。

1.2.3 集热效率

集热效率是指某一时刻集热器所能够提供的有用能量与当时投射到集热器采光面上的太阳辐射总量之比值，它反映了集热器在一天中

某一时刻的瞬时运行特性，是评价集热器性能的重要指标之一，可根据式(4)计算。

式中，η为集热器集热效率;QE为投射到集热器采光面上的瞬时太阳辐射总量，W;E为某一时刻倾斜面的太阳辐射强度，W/m2;Ag为集热器采光面积(Ag=BL，B为集热器开口面宽度，m;L为集热器长度，m)，m2。

1.2.4 基于进口温度的归一化温差－效率曲线根据ASHREA93－2003，集热器集热效率与归一化温差存在线性关系(式(5))。根据归一化温差－效率曲线可评价集热器在各种工况下的集热效率［18］。

式中，η0为太阳能空气集热器的瞬时效率最大值;α为太阳能空气集热器热损失系数，T*为基于集热器空气进口温度的归一化温差(T*=)，Tα为环境温度，℃。

2 结果与分析

2.1 集热器空气出口温度

日累积太阳辐射强度为13 MJ/m2条件下，玻璃管接收器进出口温度测点空气温度随时间变化规律为，被加热空气进出口温差随着时间的变化先增加后减小，这是因为集热器的出口温度与太阳辐射强度变化密切相关，太阳辐射强度大则出口温度高，反之，则出口温度低;在中午12:30时的进出口空气温差最大可达52℃，此时空气出口温度达到最高、约为75℃。图7

图7 集热器进出口空气温度随着时间变化规律Fig.7 Air temperature along the length of collector

2.2 集热器瞬时集热量及瞬时集热效率

太阳辐射强度为13 MJ/m2条件下，集热器集热量及集热效率随着时间的变化规律为，集热器瞬时集热量在太阳辐射强度最大时(12:30)达到最大、约为3 930 W，太阳辐射强度的强弱直接影响空气集热器集热量的大小;集热器的瞬时集热效率则随着时间的变化逐渐增大，在15:30达到最大、为50%，平均集热效率约为43%。

经过计算可以得到集热器日累积集热量可达51.3 MJ，即单位面积累积集热量5.8 MJ/m2，集热器在太阳能主－被动式墙体体系中起到了保证输入墙体的空气温度和热量的作用。图8

图8 瞬时集热量及瞬时集热效率随着时间变化Fig.8 Instantaneous heat collection and instantaneous heat collection efficiency

2.3 归一化温差－效率曲线

选择符合准稳态条件下的试验数据，根据式(5)并结合应用最小二乘法，拟合得到集热器归一化温差－效率曲线。图9

图9 基于不同进口温度的归一化温差－效率曲线Fig.9 The relationship between the efficiency and the normalized temperature

流量141 m3/h、太阳辐射强度700 W/m2工况下基于不同进口温度的归一化温差－效率曲线显示，集热器集热效率随着归一化温差的增大而降低，此时集热器热损失系数为2.62 Wm2/ K，当归一化温差为0时集热效率为57.6%，由此曲线对不同进口温度工况下的集热器集热效率进行判断。当集热器运行条件为进口温度20～25℃，环境温度－10～6℃，太阳辐射强度700 W/m2时，此时归一化温差为0.02～0.04，可以判断集热器运行效率为44%～52%。图9

2.4 集热器累计提供太阳能

根据乌鲁木齐当地冬季太阳总辐射及环境温度实测数据，冬季实测期间，集热器累计集热量随时间的变化为，在晴好天气条件下，集热器累计集热量最高可达65 MJ;在阴天条件下，集热器集热效果较弱，集热器累计集热量约为22 MJ;实测期间集热系统通过日光温室墙体主动蓄热方式，累计为日光温室提供了2 400 MJ的太阳热能。图10

图10 集热器累计集热量随时间变化Fig.10 Instantaneous heat collection varied with time

表1 压力损失测试Table1 Test chart of pressure loss

2.5 阻力特性分析

实际应用中，要考虑系统的管路配置及风机的选择问题，因此，在利用该新型双管集热器进行集热的系统中，集热器进出口之间的压降特性也是集热器性能的一个重要参数。利用压差计在集热器单支玻璃管接收器内不同空气流速条件下对长度为4m的双管集热器进出口之间的压损进行了测试。测试结果见表1，根据式(6)和式(7)得到的摩擦阻力系数计算得到16m长双管集热器进出口的压损。

根据测试结果绘制的集热器阻力特性曲线，可以看出，随着集热器

内流量的增大，集热器总阻力损失也增加，在单支玻璃管接收器流速为2.5 m/s时，此时集热器流量为141 m3/h，16 m长集热器总阻力损失约为248 Pa。图11

图11 集热器阻力特性曲线Fig.11 Collectors resistance characteristics curve

3 讨论

根据第2节的结果，在已知日光温室内作物生长环境需求(主要是室内温度)的前提下，可对集热器的出口温度进行调节，由集热器玻璃管接收器内的设计流量选择合适的风机型号，设计出针对不同作物的温室太阳能集热系统，并可给出不同天气条件下(晴好天气或阴天)太阳能集热系统为日光温室提供的太阳热能。

4 结论

4.1 新型双集热管多曲面槽式空气集热器应用于日光温室是可行的，在集热器长度为16 m、集热器单支玻璃管接收器内空气流速为2.5 m/s的条件下，集热器出口温度可达75℃，集热效率可达50%。

4.2 在晴好天气条件下，集热器累计集热量最高可达65 MJ;在阴天条件下，集热器集热效果较弱，集热器累计集热量约为22 MJ;实测期间集热系统通过日光温室墙体主动蓄热方式，累计为日光温室提供了2 400 MJ的太阳热能。

4.3 在集热器流量为141 m3/h的条件下，16 m长集热器总阻力损失约为248 Pa。

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Application Study of New Type Multiple Clamber Trough Solar Air Collector with Dual Collector Tubes in Urumqi Solar Greenhouse

ZHANG Ming－xing1，CHEN Chao1，MA Cai－wen2，JIANG Li－xing1，ZHOU Ping2，ZHANG Cai－hong2
(1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 10024，China; 2.Institute of Agricultural Mechanization，Xinjiang Academy of Agricultural Science，Urumqi 830091，China)

【Objective】In order to improve the heat storage capacity of solar greenhouse，which guaranteed the thermal environment within the greenhouse.【Method】This study proposed a new type multiple clamber trough solar air collector with dual collector tubes，combined with a solar greenhouse back wall to form active－passive wall system，which was applied in Urumqi Solar Greenhouse.The experiment was carried out to investigate the feasibility and application effects of the collector.【Result】The results showed that:when the collector length is 16m and the air velocity inside the single concentrator is 2.5 m/s，the outlet temperature of the collector could reach 75℃and the collector efficiency could reach 50%;The heat collecting system could provide solar thermal energy about 2，400 MJ for solar greenhouse by active heat storage of the wall during the winter test period.【Conclusion】This study can provide a reference for the popularization and application of the collector.

Solar greenhouse;double heat collection tube;multiple clamber trough solar air collector collector;active heat storage;collector performance;heat supply

Chen Chao(1958－)，female，Hunan，professor，doctor tutor，research direction:phase change heat storage technology and renewable energy technology，(E－mail)chenchao@bjut.edu.cn

S624.4+9

A

1001－4330(2017)05－0945－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.020

2017－03－16

国家自然科学基金项目"新疆戈壁日光温室太阳能主－被动式蓄热墙体及保温被热性能评价方法研究"(51368060);国家自然科学基金项目"面向多热特性一体化控制的日光温室建筑构造建模理论研究"(51578012)

张明星(1992－)，男，江西人，硕士，研究方向为太阳能热利用技术，(E－mail)15650750124@163.com

陈超(1958－)，女，湖南人，教授，博士生导师，研究方向为相变蓄热技术与可再生能源技术，(E－mail)chenchao@bjut.edu.cn

马彩雯(1965－)，女，天津人，研究员，研究方向为设施农业工程，(E－mail)xjmcw2010@sina.com

Supported by:Supported by NSFC"Theoretical study on modeling of solar greenhouse structure integrated multiple thermal characteristics"( 51578012);NSFC"Study on thermal performance evaluation method active passive thermal storage wall and heat preservation quilt in Gobi greenhouse of Xinjiang"(51368060);Beijing Key Laboratory of green built environment and energy efficient technology

Ma Caiwen(1965－)，female，Tianjin，researcher，research direction:facility agriculture project，(E－mail)xjmcw2010@sina.com