川西藏区某办公建筑不同工况下太阳能集热系统夜间散热特性研究*

四川海辰工程设计研究有限公司 吴文忠重庆大学 黄 屹 刘 勇 王 勇重庆市设计院 唐庆祥

0 引言

真空管集热器的传热是一个综合了导热、对流和辐射3种传热形式的复杂传热过程，且在联合蓄热水箱之后，系统整体传热过程更加复杂[1-5]。根据GB/T 17049—2005《全玻璃真空太阳集热管》[6]，通常采用平均热损失系数来评价真空管集热器散热特性。然而无论是标准中给定的还是目前大多数真空管集热器热损失实验测试得到的热损失系数，都是在特定条件下进行测试的结果[7-9]，且都是单独针对真空管集热器的研究[10-12]。尚未见到以自然循环为基础，同时联合蓄热水箱不同工况下的真空管集热器系统热损失的相关研究。太阳能属于稳定性较低的可再生能源，当夜间有供热需求时，需要将太阳能集热所得的热量储存起来错峰使用[13]，因此真空管集热器在进行建筑供暖时一般会联合蓄热系统，而研究真空管集热器在实际运行环境下的散热特性时无法回避集热器与水箱联合运行下的散热特性问题。目前部分研究及工程应用均采用夜间机械循环的措施[14]，若在实际运行条件下采取自然循环工况，只要能保证真空管集热器介质在夜间不因结冻导致爆管，不仅可以减少防冻条件下的散热损耗，同时由于采用自然循环方式，无循环泵能耗，可简化系统设计，降低能耗并节约成本。此外，对联合蓄热水箱的真空管集热器系统在自然循环工况下的系统热损失改善措施的研究也未见相关报道。在上述工况下进行实验研究，能真实反映真空管集热器在实际运行条件下的散热特性，在实际运行中室外环境条件对真空管集热器系统的影响，以及改善措施对系统性能的实际效果。

因此，对实际运行条件下的川西藏区某办公建筑不同工况下真空管集热器系统的散热特性进行研究，对分析系统散热特性及保温性能、利用系统内余热的自然循环太阳能集热器系统的防冻可行性研究及检验各种改善措施的效果均有重要意义。本文在系统自然循环防冻可行性研究基础上，分析冬季夜间室外环境条件下真空管集热器系统的传热特性，以及不同工况下系统的热损失，分别研究了集热系统内部介质温度变化规律及整个系统中介质所达到的最低温度，并通过对比采取改善措施前后测试所得数据，得到真空管集热器系统的保温性能相对良好及改善措施能满足夜间防冻要求，并且能一定程度上降低能耗的结论。本文旨在为提高川西藏区应用太阳能供暖系统整体能量利用效率、改善太阳能供暖系统的经济性提供一种针对工程实际的新思路。

1 理论分析

在计算蓄热水箱散热时进行一定程度简化，忽略水箱内径向温度梯度，忽略水箱周围室外空气的温度梯度，简化为水箱柱体的稳态传热过程。同时将水箱上下两面简化为平面稳态传热过程，通过水量损失计算水箱蒸汽泄漏量，忽略水箱本身的夜空辐射影响，通过柱体传热公式，从而获得水箱整体瞬时热损失速率。

水箱在高度方向上存在温度梯度，高度方向上通过微分来计算散热量时，积分后所得散热量仅与高度方向上的温度梯度相关，故以水箱平均温度作为水箱散热计算温度。同时由于底部水温与环境温度温差较小，传热较小，顶部为空气与上表面接触，故水箱整体瞬时散热量可简化。

由于蓄热水箱与真空管集热器(后文简称为集热器)耦合，之间的热量由于自然对流存在热传递，而在水箱与集热器同时存在复杂散热的情况下，计算两者之间的自然对流热传递相当困难，将这部分对流换热量简化为Qtr，水箱因内部热水蒸发所产生的热量计为Qv，水箱因补水而产生的热损失计为Qs(补水温度为当地自来水温度)，则水箱散热量如式(1)所示[15]：

(1)

式中twn,τ、tw,τ分别为τ时刻水箱内介质温度与室外温度，℃；dn、dw分别为箱体内径、外径，m；αn、αw分别为箱体内、外表面对流换热系数，W/(m2·℃)；λ为箱体材质导热系数，W/(m·℃)；L为箱体高度，m；ρw为水箱内介质密度，kg/m3；Vw为水箱容积，m3；cw为水箱内介质比热容，J/(kg·℃)；Δtwn,τ为Δτ时段总温降，℃；Kwc为水箱综合热损失系数，W/℃；Qwc,τ、Qtr,τ、Qv,τ、Qs,τ分别为τ时刻水箱瞬时散热量、水箱与集热器瞬时换热量、水箱瞬时蒸发散热量及水箱补水热损失量，W。

因而夜间水箱总散热量及热损失系数可根据式(1)推导：

(2)

式中Wwc为水箱整体在T时段内总散热量，J；T为时长，s；Δtwn为T时段总温降，℃。

夜间散热时，真空管集热器散热是一个复杂的传热过程，涉及导热、对流和辐射，已有学者对真空管夜间散热进行了研究[9]。根据研究中的简化方法，运用能量守恒方程与简化传热模型，可以将几项散热量整合在同一个方程中，并得到可以表征单一真空管的散热量与综合热损失系数的计算式。

(3)

(4)

式(3)、(4)中Wet为T时段集热器总散热量，W；ρj为集热器内介质密度，kg/m3；Vj为集热器容积，m3；cj为集热器内介质比热容，J/(kg·℃)；Δten为经过时长T后集热器总温降，℃；Ket为集热器综合热损失系数，W/(m2·℃)；ten,τ为τ时刻集热器内计算温度，℃；ten,0、ten,T分别为起始时刻与T时刻集热器温度，℃；Wtr为T时段水箱与集热器的总换热量；A为集热器散热面积，m2。

(3)巷帮支护。锚杆形式、规格及锚固方式、锚杆配件、钢筋托梁和网片规格、锚杆扭矩、锚索形式规格要求全部与顶板支护一致。

通过式(2)、(3)可以得到集热器联合蓄热水箱的夜间总散热量与任意时刻散热量，通过式(4)可以得到任意时刻和整个夜间集热器热损失系数的变化。可以通过以上各式来表达集热器系统在夜间的散热特性。

2 实验系统搭建

系统包含集热器联合蓄热水箱的集热蓄热循环环路，水箱换热与用户末端循环环路，空气源热泵直接接用户末端环路，控制系统与温度、流量测试装置。白天有太阳辐射时，系统进行集热实验，夜间进行散热实验，此时用户与水箱换热环路关闭。实验台位于四川甘孜州康定市某政府办公楼楼顶。实验系统如图1、图2所示，真空管集热器系统设备型号如表1所示。集热器系统内的介质为水，通过办公楼自来水管直接补水。

图1 实验系统图

图2 系统外观图(改善措施实施前)

表1 设备型号

夜间防冻时可切换为自然对流循环与机械循环2种循环方式，研究中需要考察集热器系统夜间自然循环防冻可行性，因此夜间均采用自然循环方式。根据文献[16]中的结论，蓄热水箱内部沿高度方向每10 mm布置一个测点测量温度，以满足测试要求。

整体供暖系统的控制逻辑为：供暖系统开启时，当水箱内检测温度高于52 ℃时，开启太阳能侧阀门，关闭热泵侧阀门，通过蓄热水箱向末端供暖；当水箱内检测温度低于48 ℃时，开启热泵侧阀门，关闭太阳能侧阀门，并开启热泵机组，通过热泵机组向末端供暖。由于在实验过程中开启太阳能侧阀门会极大影响实验结果，故本文实验采用手动开启热泵的运行模式，蓄热水箱在全实验过程中未向末端供热。

本文主要通过分析存在夜空辐射时，集热器系统热损失大小与系统内水温变化情况，得到集热器系统的热散失特性，并为系统节能改造和防冻优化提供实测数据支撑。因此实验主要分为以下三部分：1) 集热器系统内温度变化情况实验；2) 集热器系统热损失实验；3) 改善措施实施前后对比实验。其中实验1、2可通过已有集热器系统，在夜间同时完成测试，且无需改变其他实验条件。实验3需与实验1、2分开测试，且需要改变其他实验条件。系统散热改善措施采用水箱增加保温层及夜间集热器遮挡2种方式。实验采用水箱增加50 mm橡塑不燃保温棉与1 mm彩钢板，集热器采用2 mm厚深色棉布夜间遮挡的方式。改善后外观如图3、4所示。

图3 水箱增加保温层后外观

图4 集热器遮挡后外观

实测表明，室外温度与集热器及水箱水温最低值出现在08:00—09:00，日间工况(09:00以后)，随着太阳辐射的增强，集热器内水温与水箱水温开始上升，集热结束时刻一般为18:00左右，因此夜间实验时间确定为18:00至次日09:00。集热器进出口侧温度测点位于联集管两端，接近集热器进出口处，在自然循环条件下管内温度场分布与变化难以测量，故以进出口的水温表征集热器管内的温度，即tet=(ti+to)/2(其中，tet为集热器内部介质平均温度，ti为进口水温，to为出口水温)。

在不同夜间不同时段进行测试，测试日编号如表2所示。本文夜间数据分析图横坐标均以该表进行统一说明。表2中，除标示降雪的测试日之外，其余测试日日间均为晴朗，全测试日夜间均有较厚云层遮挡，但由于高原地区气候多变，偶见短时间晴朗夜间。全测试日夜间均常有和风，偶见大风，风速在5～15 m/s不等。

表2 测试日编号及对应实验工况

3 结果分析

3.1 系统内温度变化

实验过程中，集热器系统不对末端进行供热，系统呈纯散热状态。此时随着系统内的高温介质不断向外界散热，系统内介质温度逐渐降低。不同夜间18:00时系统内集热器及水箱内部介质平均温度初始值分别为tet,0、twc,0，则测试日夜间(18:00—09:00)室外环境平均温度及对应条件下的介质初始温度如图5所示。

图5 不同夜间系统内介质初始温度(18:00)及室外环境温度

夜间系统内介质能够达到的最低温度是真空管集热器系统防冻的依据。在不同夜间集热器系统独立散热情况下，随着集热器系统向外散热，实验结束时可记录到集热器系统内介质最低温度。不同夜间18:00—09:00时段系统内集热器与水箱内部介质最低值分别为tet,1、twc,1，如图6所示。

图6 不同夜间系统内介质温度最低值

由图6可知，在夜间散热之后，系统内无论是水箱还是集热器内部介质的最低温度普遍在20～40 ℃之间，其平均温度高于30 ℃。从测试数据可以看出，在以联合水箱运行的真空管集热器系统自然循环防冻工况下，夜间散热工况下集热器内部介质温度较高，因此使用自然循环防冻是完全可行的。

图7 不同夜间系统内介质温降与温降速率

由于集热器内部容量较小、夜空辐射较大等因素，夜间温降速率大于水箱。同时，由于存在水箱与集热器之间的自然对流换热，水箱会向集热器传热，故进行关闭水箱与集热器阀门实验，以求得集热器系统水箱热损失系数，计算可得水箱不向集热器传热时的温降。根据式(1)进行计算，对比理论计算水箱夜间温降及联合集热器水箱温降，可得到如图8所示的水箱温降计算值。由图8可知，由于测试日非连续测试，导致Qs计算不准确(补水温度按照平均温度计算，且未详细监测进水温度)。集热器散热量主要受夜空冷辐射和表面对流换热影响，而夜空冷辐射又受不同夜间云层厚度、辐射角系数及风速等的影响，导致集热器侧散热量计算结果准确性的差异。另外，现有的动态耦合计算方法在计算中也尚未考虑水箱由于自然循环导致的对流传热量。这些影响因素都将在下一步计算方法的研究中进行完善，以提高计算的准确性。因此，由于以上诸多因素，导致实测联合运行下水箱温降与理论计算所得水箱温降差异较大。但是，作为前期基础研究，该方法的目的是分析集热器系统各部件之间的散热分布和影响度，从工程角度出发，仍有一定借鉴作用。

图8 联合运行工况水箱内介质温度变化实测结果与理论计算结果对比

3.2 系统热损失分析

在静止工况下对系统进行热损失实验与分析。系统最低温度一般出现在日出前后。随着太阳辐射的增强，系统内介质温度开始逐渐上升。由于09:00集热器系统散热量开始明显降低，而08:00之前散热量降低不明显，故以18:00—08:00测试结果为依据计算系统热损失量。系统夜间总散热量与单位时间散热量分别如图9、10所示。系统总散热量为210～320 MJ，单位时间散热量为3 800～5 500 W；其中水箱总散热量为60～110 MJ，单位时间散热量为1 100～1 900 W；集热器总散热量为150～210 MJ，单位时间散热量为2 700～3 600 W。即总散热量中，水箱散热量约占32%，集热器散热量约占68%。以夜间2和夜间5为例，对典型夜间水箱与集热器瞬时散热量进行对比，结果如图11所示。

图9 不同夜间集热器系统总散热量

图10 不同夜间集热器系统单位时间散热量

图11 不同夜间系统瞬时散热量逐时变化

集热器和水箱的散热量随着内部介质的温度和室外温度的变化而变化。夜间随着系统内介质温度不断降低，与室外温度之间的差值逐渐减小，散热量也逐渐降低。由于集热器内部容量小等因素，集热器瞬时散热量呈下降趋势，而水箱由于容积较大，温度变化较慢，瞬时散热量虽整体呈下降趋势，但温度变化曲线较为平缓。由于夜间集热器内部介质温度呈非线性变化，故计算所得散热量也存在波动。而水箱夜间温度虽存在一定波动，但整体呈线性变化，故计算所得散热量波动较小。由于系统内介质初始温度和环境温度的不同，不同夜间系统散热量差别较大。

集热器夜间热损失系数的平均值如图12所示，集热器夜间平均热损失系数变化范围为0.44～0.58 W/(℃·m2)。由于集热器初始条件、水箱初始状态及室外环境条件均不相同，不同夜间的平均热损失系数有一定差异。图13给出了8个夜间平均热损失系数逐时的变化。集热器夜间平均热损失系数大部分位于0.40～0.60 W/(℃·m2)之间，平均值为0.489 W/(℃·m2)。其中，位于0.40～0.50 W/(℃·m2)区间内的比例约为58.6%，位于0.50～0.55 W/(℃·m2)区间内的比例约为37.0%，位于0.55～0.60 W/(℃·m2)区间内的比例约为4.4%。可见夜间逐时平均热损失系数一定程度上呈下降趋势，但变化幅度小，趋于稳定。

图12 不同夜间集热器平均热损失系数

图13 不同夜间集热器平均热损失系数逐时变化

3.3 真空管集热器系统夜间散热改善措施效果分析

水箱增加保温层及集热器夜间遮挡后，水箱夜间平均散热量及集热器夜间平均热损失系数变化分别如图14、15所示。水箱增加保温层之后，水箱夜间散热量相比于改善前减小约50%，而集热器散热量相比于改善前有所增加，且集热器平均热损失系数相比于改善前变化不大，这是由于水箱向集热器传热增加而导致集热器散热量增加引起的。集热器进行夜间遮挡后，集热器平均热损失系数降至0.44 W/(℃·m2)，相比改善前下降约9%，通过式(3)、(4)可得，在相同环境条件及系统初始条件下，集热器内部介质夜间最低温度可上升1.8～2.5 ℃。水箱增加保温层后，虽然由于水箱向集热器传热量增加导致集热器散热量有所增加，但集热器内部介质平均温度上升，更有利于保证集热器内部介质最低温度的提高，满足夜间防冻要求。集热器夜间增加遮挡后，集热器热损失系数降低，有利于夜间集热器防冻。虽然测试期间云层较厚，夜间冷辐射传热量显著降低，无法体现夜间遮挡的显著作用，但即使在云层较厚时也获得了明显效果，这更加说明夜间遮挡是降低夜间辐射散热的有效措施之一。可见2种改善方式均对集热器系统夜间自然循环防冻有利，而夜间遮挡方式的效果更好，但该技术措施涉及到供热系统的整体管理水平，在实行中有一定难度。

图14 改善措施后不同夜间系统平均散热量

图15 改善措施后不同夜间系统平均热损失系数

根据关闭集热器与水箱之间的阀门后集热器夜间独立散热所测的数据，真空管集热器夜间独立散热时平均散热量为2 650 W。由于联合运行工况下，水箱温度高于集热器温度，两者之间的自然循环对流换热增加了集热器的整体散热量，但对于集热器的防冻是有利的。根据实验测试数据，运用式(3)、(4)计算得到联合运行工况下夜间集热器平均散热量增加320 W。若采用传统的机械循环实现集热器夜间防冻，增加了水泵运行能耗和初投资。而联合蓄热水箱通过自然循环实现了夜间防冻，可以认为散热损失均存在的情况下，自然循环防冻一定程度上提高了集热器系统的经济性。

4 结论

1) 在环境温度介于-10～5 ℃时，真空管集热器系统夜间温降为18～25 ℃，水箱夜间温降为8～15 ℃，集热器与水箱最低温度为20～40 ℃，说明联合水箱的真空管集热器系统保温效果良好，系统内蓄存热量足以满足防冻需要。

2) 集热器夜间单位时间散热量平均值为2 700～3 600 W，平均热损失系数为0.489 W/(℃·m2)；水箱夜间单位时间散热量平均值为1 100～1 900 W。不同夜间散热量与系统内介质初始温度和室外环境条件相关。

3) 系统散热特性改善措施的实测表明，通过对水箱和集热器进行散热特性改善可以有效降低系统热损失，提高太阳能利用效率。

4) 夜间系统最低温度及散热量的测试与计算结果表明，真空管集热器联合蓄热水箱时夜间自然循环防冻是可行的，并且能减少集热器循环防冻水泵的投资与运行能耗，提高系统整体的能量利用效率和经济性。