熱管式真空管型太陽能取暖器供熱性能實驗研究

熱管式真空管型太陽能取暖器供熱性能實驗研究

于國清，金怡紅，陳 東，閆 濤，楊 青
上海理工大學

［摘 要］研究了一種新型的太陽能取暖器，該太陽能取暖器利用熱管將室外太陽能真空管收集的熱量傳遞到室內散熱裝置，系統簡單，沒有凍結危險；不需泵或者風機等動力裝置，自動運行；易于實現與建筑的一體化。進行了實驗研究：1 根據散熱裝置的散熱量與內外溫差成特定函數關系的特點，設計了該太陽能取暖裝置的供熱量測試的實驗方案；2 通過實驗測試得出，該單元取暖器（只有一根真空管）的供熱量與內外溫差的函數關系為y=0.084Δt1.72；3 在冬季某日進行測試，測試當日，該裝置一天內所提供的熱量為921.6kJ，裝置的日總集熱效率為59.8%。

［關鍵詞］太陽能；熱管；取暖裝置；供熱量

隨著我國經濟的快速發展，能源緊缺問題日益嚴峻，如何降低建筑能耗，減少對化石燃料的依賴成為當前備受關注的話題。太陽能是一種清潔的可再生能源，越來越多地被人們接受。

對于太陽能供暖目前研究和應用較多的是太陽能熱水供暖系統，太陽能熱水供暖系統一般包括太陽能集熱器、輔助熱源、蓄熱水箱、室內散熱裝置、泵以及管路和控制系統，且需要考慮防過熱、防凍等問題，整個系統較為復雜，成本較高，限制了其推廣應用。太陽能真空管具有集熱溫度高、效率高等優點，在我國獲得廣泛應用。熱管是二十世紀七十年代發展起來的高效傳熱元件，在很多領域獲得成功應用。為了更好地實現太陽能利用與建筑的一體化，提高效率，簡化供暖系統，該文提出了一種熱管式真空管型太陽能取暖器，并進行了實驗研究。

1 結構和工作原理

1.1 裝置組成

熱管式太陽能取暖器裝置，由太陽能集熱器、熱管、散熱器等組成。熱管式太陽能取暖器裝置（一個單元，即只有一根真空管）如圖1 所示。可以根據建筑的熱負荷和可用集熱面積，確定單元的數目。

圖1 單元式熱管式太陽能取暖器裝置示意

太陽能集熱采用真空集熱管，熱管蒸發段置于全玻璃真空管內，設有金屬片使熱管與全玻璃真空管充分接觸導熱；熱管的冷凝段置于散熱器片內，將裸露在空氣中的熱管中間段做好保溫。太陽能集熱管有一定的傾角，熱管也有相應的折彎角度。散熱器安裝在南墻窗戶下面；集熱器可以帶有反射板，安裝在下一樓層窗戶上方兼做雨篷。

1.2 太陽能取暖器的工作原理

太陽能集熱管采用全玻璃真空管，全玻璃真空管內腔外壁涂有選擇性吸收涂層，太陽光透過真空管外玻璃照射到內管外表面涂層上，將太陽能轉換為熱能，再經船型鋁箔片將熱量傳遞到熱管蒸發段。熱管蒸發段被加熱，管內工質受熱至沸騰蒸發，蒸汽升至熱管上端冷凝段，熱管冷凝段置于散熱器片內，管內蒸汽通過管殼將熱量傳遞給散熱器片，散熱器片與室內環境進行換熱，隨之，管內蒸汽凝結成液態，在重力的作用下流至熱管蒸發段，往復循環。

在夜間或者陰雨天太陽輻照度不足時，熱管不啟動，沒有熱量傳遞到室內；由于熱管熱量傳遞的單向性，室內的熱量也很少通過熱管散失到室外。

這種裝置構造簡單，組裝方便，幾乎不需要維護，很好的實現了太陽能利用與建筑的一體化，沒有凍結的危險，兼有太陽能被動式利用和主動式利用的優點。

2 供熱量的測量

2.1 供熱量的測量方法

供熱量是太陽能供暖裝置的重要熱性能參數，也是實驗研究要測試的關鍵數據，但這種太陽能取暖器的供熱量測試比普通的散熱器供熱量的測試困難：通過熱管傳輸到散熱器的熱量難以直接測量；太陽能提供的熱量受太陽輻照度、室外氣溫、集熱管結構和熱性能參數等多種因素的影響，也難以直接準確測量。在這種情況下，理論上講可以通過搭建平衡室的方式來測量散熱器的散熱量。熱平衡室一般包括內室和外室，測試時使外平衡室溫度保持不變，達到熱平衡時輸入的冷量即等于內平衡室由裝置提供的供熱量。但這樣做的問題是，當平衡室體積過大時，則不可控、不可預測的熱損失越多，要達到足夠的精度，成本太高；當平衡室體積過小，則與裝置實際工作時的條件不相符，這會使得裝置的散熱性能發生變化。

為了解決這個難題，作者根據供暖末端裝置散熱量與內外溫差的特定函數關系實現供熱量的測試。由于對于特定的散熱器，其供熱量是內管壁溫與室內空氣溫度差的單值函數，

Q=a(ΔT)b      （1）

式中：Q 為單位時間供熱量（W）；ΔT 為內管壁溫與室內空氣溫度差（K）；a 為供熱量系數；b 為溫差指數。

因此知道了內管溫度，就可以獲得裝置的供熱量。通過測試多個不同溫差下的供熱量，就可以擬合得到a、b，之后只要測得內外溫度差就可以計算得到換熱量。為了制造一個相對穩定且與實際測量環境近似的測試工況，該課題利用電加熱來模擬太陽輻照量對熱管的蒸發段進行熱量供給，在真空集熱管的外面敷設很厚的保溫，這樣電加熱量就近似等于裝置的供熱量，因此通過測試熱管在不同溫度下的電加熱量就得到了裝置在該溫度下的供熱量，實驗原理圖見圖2。

圖2 供熱量測試實驗原理示意

2.2 主要部件的規格和參數

該實驗臺在上海理工大學環境樓屋頂進行搭建。該實驗所采用的全玻璃真空集熱管的參數規格見表1。

表1 真空集熱管的規格尺寸及材料參數

真空集熱管內的熱管為重力型熱管，其蒸發段置于真空管內，熱管的冷凝段保持豎直，置于散熱器片內，其中空隙用直徑為2mm 的鋼珠填塞，使其傳熱充分。太陽能集熱管的傾角為55° 左右，熱管的折彎角度為供暖145° 左右。單柱散熱器片采用帶有矩形肋片的柱狀散熱器片。該實驗所用熱管的具體規格見表2。散熱器片的具體尺寸規格見表3。

表2 熱管的規格尺寸及材料參數

表3 散熱器片規格尺寸

2.3 實驗測試方案

溫度測試部分，采用T 型熱電偶來測量單元式裝置的溫度，利用安捷倫34970a 顯示和記錄；溫度測點布置如下。

（1）室內散熱器片500mm 處布置溫度測點及室外布置溫度測點1 處；

（2）熱管的溫度布點：冷凝段均勻布置2 個測點，蒸發段均勻布置3 個測點；冷凝段中點位置布置PID 溫控器所監測的溫度測點；

（3）散熱器片：肋基、肋片分別均勻布置2 個測點。

電加熱線的電阻提前測量出來，測試時主要通過萬用表測試兩端的電壓，用萬用表測得的電加熱線兩端的電壓值，由歐姆定律計算出電加熱線的功率值。各個工況下的功率即為對應熱管冷凝段溫度下裝置的供熱量。

在對電加熱模擬太陽能取暖裝置熱性能時，主要是對熱管冷凝段溫度的控制。設定PID 溫度控制儀，PID溫度儀的設定溫度即為熱管冷凝段溫度。改變設定溫度，達到穩定之后，測試各工況下的溫度和電壓。

2.4 供熱量測量的實驗數據分析

實驗中，所用電加熱線的熱阻為410.6 歐姆。熱管冷凝段溫度在30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃幾種工況下的實驗數據見表4。

表4 各個工況下電加熱線的功率計算值

從表4 中可以看出電加熱線的功率隨著熱管冷凝段的溫度的上升而增大，將熱管冷凝段溫度和計算得出相應的電加熱線的功率組成的散點，擬合得出在熱管冷凝段各個溫度下，電加熱線的功率的趨勢線，即得出了單元式熱管供熱裝置供熱量與散熱器內外溫差的函數關系

Q = 0.0841.72   （2）

散熱器內外溫差與室內溫度之差。如圖3 所示。

散熱器內外溫差與供熱量關系
圖3 散熱器內外溫差與供熱量關系

從圖3 可以看出，在10℃ ～36℃的散熱溫差內，該函數關系式的計算值與測量值比較吻合，尤其是在20～36℃溫差范圍內，幾乎完全重合，這是熱管取暖器的主要工作范圍，因此可用公式（2）來估算裝置的供熱量。

3 太陽能取暖器的熱性能實驗研究

3.1 實驗方案

實驗的目的是測試在冬季有太陽輻照時太陽能取暖器的供熱量以及集熱效率。

（1）熱管式太陽能取暖器的安裝如圖1 所示，熱管冷凝段置于室內進行散熱，熱管的蒸發段穿過聚氨酯墻體伸進真空管內，真空管朝正南方向，傾斜放置。在真空管管口堵上保溫塞，在熱管裸露在室外的中間段裹上保溫層，使裝置盡量減少熱損失。

（2）太陽輻照量的測試將太陽輻照計擺放在真空管附近，傾斜角度與太陽集熱器傾角相等，連接到太陽輻射記錄儀記錄全玻璃真空管集熱傾斜面上的太陽輻照量。

（3）供熱量的測試利用熱電偶，測試熱管冷凝段的溫度和室內外空氣溫度，根據公式（2）計算得出各個時刻的供熱量。

3.2 實驗數據分析

為了便于比較，將單位面積的太陽輻照量轉化為了單根真空管采光面積上所接收的太陽輻照量，真空管的集熱面積為0.087m2。在對熱管式太陽能取暖裝置進行實測當天，集熱器表面上的太陽輻照量最大值為900W/m2，冷凝段最高溫度為51.4℃，熱管冷凝段和室內溫差最大為35 左右。實驗測試的供熱量和太陽輻照量如圖4所示。

圖4 太陽輻照度和裝置瞬時供熱量對照

由圖4 可看出，單元裝置的供熱量和太陽輻照量的變化趨勢大致一致，但是在時間上略有滯后。因為太陽能全玻璃真空管將太陽能轉化為熱能，太陽能集熱器再將熱量傳遞給熱管蒸發段，通過熱管金屬表面將熱量傳遞給熱管腔體內的丙酮溶液，丙酮溶液受熱蒸發至熱管冷凝段，再將熱量從熱管金屬表面傳給散熱器，最終給房間加熱。這一整個復雜的傳熱過程導致散熱器的散熱比太陽輻照量變化的滯后，滯后時間大概為1 個小時左右。在11:40 分時，取暖器集熱面積上接收的輻照量為最大值78.3W，但在13:04 時裝置的供熱量才達到最大值42.6W。單元裝置在一天測量時間內所提供的熱量為921.6kJ。上海地區節能建筑耗熱指標為11W/m2，則1m2 室內面積在白天8h 所需熱量為316.8kJ/m2，則1個單元裝置在晴天可以提供3m2 左右的辦公室白天需熱量。

太陽能取暖裝置的日總效率定義為裝置一天的供熱量與集熱面積上的太陽輻照量之比，計算該裝置的日總集熱效率為59.8%。普通的太陽能熱水供暖系統，盡管太陽能集熱器的集熱效率也可以達到較高的值，但考慮到管路、水箱等中間環節的熱損失和能耗，要實現這么高的熱效率是很不容易的。

4 結論

該文研究了一種新型的太陽能取暖器，并進行了實驗研究。

（1）根據散熱裝置的散熱量與內外溫差成特定函數關系的特點，設計了該太陽能取暖裝置的供熱量測試的實驗方案。

（2）通過實驗得出，該取暖器的供熱量與內外溫差的函數關系為y= 0.084Δt1.72；

（3）在冬季某日進行了測試，測試當日，該單元裝置一天內所提供的熱量為921.6kJ，裝置的日總集熱效率為59.8%。具有較高的熱效率。

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作者簡介：于國清（1971—），男，河北人，副教授，主要從事太陽能供熱與空調研究，地源熱泵系統應用研究。