川西藏區某辦公建筑不同工況下太陽能集熱系統夜間散熱特性研究*

四川海辰工程設計研究有限公司 吳文忠重慶大學 黃 屹 劉 勇 王 勇重慶市設計院 唐慶祥

0 引言

真空管集熱器的傳熱是一個綜合了導熱、對流和輻射3種傳熱形式的復雜傳熱過程，且在聯合蓄熱水箱之后，系統整體傳熱過程更加復雜[1-5]。根據GB/T 17049—2005《全玻璃真空太陽集熱管》[6]，通常采用平均熱損失系數來評價真空管集熱器散熱特性。然而無論是標準中給定的還是目前大多數真空管集熱器熱損失實驗測試得到的熱損失系數，都是在特定條件下進行測試的結果[7-9]，且都是單獨針對真空管集熱器的研究[10-12]。尚未見到以自然循環為基礎，同時聯合蓄熱水箱不同工況下的真空管集熱器系統熱損失的相關研究。太陽能屬于穩定性較低的可再生能源，當夜間有供熱需求時，需要將太陽能集熱所得的熱量儲存起來錯峰使用[13]，因此真空管集熱器在進行建筑供暖時一般會聯合蓄熱系統，而研究真空管集熱器在實際運行環境下的散熱特性時無法回避集熱器與水箱聯合運行下的散熱特性問題。目前部分研究及工程應用均采用夜間機械循環的措施[14]，若在實際運行條件下采取自然循環工況，只要能保證真空管集熱器介質在夜間不因結凍導致爆管，不僅可以減少防凍條件下的散熱損耗，同時由于采用自然循環方式，無循環泵能耗，可簡化系統設計，降低能耗并節約成本。此外，對聯合蓄熱水箱的真空管集熱器系統在自然循環工況下的系統熱損失改善措施的研究也未見相關報道。在上述工況下進行實驗研究，能真實反映真空管集熱器在實際運行條件下的散熱特性，在實際運行中室外環境條件對真空管集熱器系統的影響，以及改善措施對系統性能的實際效果。

因此，對實際運行條件下的川西藏區某辦公建筑不同工況下真空管集熱器系統的散熱特性進行研究，對分析系統散熱特性及保溫性能、利用系統內余熱的自然循環太陽能集熱器系統的防凍可行性研究及檢驗各種改善措施的效果均有重要意義。本文在系統自然循環防凍可行性研究基礎上，分析冬季夜間室外環境條件下真空管集熱器系統的傳熱特性，以及不同工況下系統的熱損失，分別研究了集熱系統內部介質溫度變化規律及整個系統中介質所達到的最低溫度，并通過對比采取改善措施前后測試所得數據，得到真空管集熱器系統的保溫性能相對良好及改善措施能滿足夜間防凍要求，并且能一定程度上降低能耗的結論。本文旨在為提高川西藏區應用太陽能供暖系統整體能量利用效率、改善太陽能供暖系統的經濟性提供一種針對工程實際的新思路。

1 理論分析

在計算蓄熱水箱散熱時進行一定程度簡化，忽略水箱內徑向溫度梯度，忽略水箱周圍室外空氣的溫度梯度，簡化為水箱柱體的穩態傳熱過程。同時將水箱上下兩面簡化為平面穩態傳熱過程，通過水量損失計算水箱蒸汽泄漏量，忽略水箱本身的夜空輻射影響，通過柱體傳熱公式，從而獲得水箱整體瞬時熱損失速率。

水箱在高度方向上存在溫度梯度，高度方向上通過微分來計算散熱量時，積分后所得散熱量僅與高度方向上的溫度梯度相關，故以水箱平均溫度作為水箱散熱計算溫度。同時由于底部水溫與環境溫度溫差較小，傳熱較小，頂部為空氣與上表面接觸，故水箱整體瞬時散熱量可簡化。

由于蓄熱水箱與真空管集熱器(后文簡稱為集熱器)耦合，之間的熱量由于自然對流存在熱傳遞，而在水箱與集熱器同時存在復雜散熱的情況下，計算兩者之間的自然對流熱傳遞相當困難，將這部分對流換熱量簡化為Qtr，水箱因內部熱水蒸發所產生的熱量計為Qv，水箱因補水而產生的熱損失計為Qs(補水溫度為當地自來水溫度)，則水箱散熱量如式(1)所示[15]：

(1)

式中twn,τ、tw,τ分別為τ時刻水箱內介質溫度與室外溫度，℃；dn、dw分別為箱體內徑、外徑，m；αn、αw分別為箱體內、外表面對流換熱系數，W/(m2·℃)；λ為箱體材質導熱系數，W/(m·℃)；L為箱體高度，m；ρw為水箱內介質密度，kg/m3；Vw為水箱容積，m3；cw為水箱內介質比熱容，J/(kg·℃)；Δtwn,τ為Δτ時段總溫降，℃；Kwc為水箱綜合熱損失系數，W/℃；Qwc,τ、Qtr,τ、Qv,τ、Qs,τ分別為τ時刻水箱瞬時散熱量、水箱與集熱器瞬時換熱量、水箱瞬時蒸發散熱量及水箱補水熱損失量，W。

因而夜間水箱總散熱量及熱損失系數可根據式(1)推導：

(2)

式中Wwc為水箱整體在T時段內總散熱量，J；T為時長，s；Δtwn為T時段總溫降，℃。

夜間散熱時，真空管集熱器散熱是一個復雜的傳熱過程，涉及導熱、對流和輻射，已有學者對真空管夜間散熱進行了研究[9]。根據研究中的簡化方法，運用能量守恒方程與簡化傳熱模型，可以將幾項散熱量整合在同一個方程中，并得到可以表征單一真空管的散熱量與綜合熱損失系數的計算式。

(3)

(4)

式(3)、(4)中Wet為T時段集熱器總散熱量，W；ρj為集熱器內介質密度，kg/m3；Vj為集熱器容積，m3；cj為集熱器內介質比熱容，J/(kg·℃)；Δten為經過時長T后集熱器總溫降，℃；Ket為集熱器綜合熱損失系數，W/(m2·℃)；ten,τ為τ時刻集熱器內計算溫度，℃；ten,0、ten,T分別為起始時刻與T時刻集熱器溫度，℃；Wtr為T時段水箱與集熱器的總換熱量；A為集熱器散熱面積，m2。

(3)巷幫支護。錨桿形式、規格及錨固方式、錨桿配件、鋼筋托梁和網片規格、錨桿扭矩、錨索形式規格要求全部與頂板支護一致。

通過式(2)、(3)可以得到集熱器聯合蓄熱水箱的夜間總散熱量與任意時刻散熱量，通過式(4)可以得到任意時刻和整個夜間集熱器熱損失系數的變化。可以通過以上各式來表達集熱器系統在夜間的散熱特性。

2 實驗系統搭建

系統包含集熱器聯合蓄熱水箱的集熱蓄熱循環環路，水箱換熱與用戶末端循環環路，空氣源熱泵直接接用戶末端環路，控制系統與溫度、流量測試裝置。白天有太陽輻射時，系統進行集熱實驗，夜間進行散熱實驗，此時用戶與水箱換熱環路關閉。實驗臺位于四川甘孜州康定市某政府辦公樓樓頂。實驗系統如圖1、圖2所示，真空管集熱器系統設備型號如表1所示。集熱器系統內的介質為水，通過辦公樓自來水管直接補水。

圖1 實驗系統圖

圖2 系統外觀圖(改善措施實施前)

表1 設備型號

夜間防凍時可切換為自然對流循環與機械循環2種循環方式，研究中需要考察集熱器系統夜間自然循環防凍可行性，因此夜間均采用自然循環方式。根據文獻[16]中的結論，蓄熱水箱內部沿高度方向每10 mm布置一個測點測量溫度，以滿足測試要求。

整體供暖系統的控制邏輯為：供暖系統開啟時，當水箱內檢測溫度高于52 ℃時，開啟太陽能側閥門，關閉熱泵側閥門，通過蓄熱水箱向末端供暖；當水箱內檢測溫度低于48 ℃時，開啟熱泵側閥門，關閉太陽能側閥門，并開啟熱泵機組，通過熱泵機組向末端供暖。由于在實驗過程中開啟太陽能側閥門會極大影響實驗結果，故本文實驗采用手動開啟熱泵的運行模式，蓄熱水箱在全實驗過程中未向末端供熱。

本文主要通過分析存在夜空輻射時，集熱器系統熱損失大小與系統內水溫變化情況，得到集熱器系統的熱散失特性，并為系統節能改造和防凍優化提供實測數據支撐。因此實驗主要分為以下三部分：1) 集熱器系統內溫度變化情況實驗；2) 集熱器系統熱損失實驗；3) 改善措施實施前后對比實驗。其中實驗1、2可通過已有集熱器系統，在夜間同時完成測試，且無需改變其他實驗條件。實驗3需與實驗1、2分開測試，且需要改變其他實驗條件。系統散熱改善措施采用水箱增加保溫層及夜間集熱器遮擋2種方式。實驗采用水箱增加50 mm橡塑不燃保溫棉與1 mm彩鋼板，集熱器采用2 mm厚深色棉布夜間遮擋的方式。改善后外觀如圖3、4所示。

圖3 水箱增加保溫層后外觀

圖4 集熱器遮擋后外觀

實測表明，室外溫度與集熱器及水箱水溫最低值出現在08:00—09:00，日間工況(09:00以后)，隨著太陽輻射的增強，集熱器內水溫與水箱水溫開始上升，集熱結束時刻一般為18:00左右，因此夜間實驗時間確定為18:00至次日09:00。集熱器進出口側溫度測點位于聯集管兩端，接近集熱器進出口處，在自然循環條件下管內溫度場分布與變化難以測量，故以進出口的水溫表征集熱器管內的溫度，即tet=(ti+to)/2(其中，tet為集熱器內部介質平均溫度，ti為進口水溫，to為出口水溫)。

在不同夜間不同時段進行測試，測試日編號如表2所示。本文夜間數據分析圖橫坐標均以該表進行統一說明。表2中，除標示降雪的測試日之外，其余測試日日間均為晴朗，全測試日夜間均有較厚云層遮擋，但由于高原地區氣候多變，偶見短時間晴朗夜間。全測試日夜間均常有和風，偶見大風，風速在5～15 m/s不等。

表2 測試日編號及對應實驗工況

3 結果分析

3.1 系統內溫度變化

實驗過程中，集熱器系統不對末端進行供熱，系統呈純散熱狀態。此時隨著系統內的高溫介質不斷向外界散熱，系統內介質溫度逐漸降低。不同夜間18:00時系統內集熱器及水箱內部介質平均溫度初始值分別為tet,0、twc,0，則測試日夜間(18:00—09:00)室外環境平均溫度及對應條件下的介質初始溫度如圖5所示。

圖5 不同夜間系統內介質初始溫度(18:00)及室外環境溫度

夜間系統內介質能夠達到的最低溫度是真空管集熱器系統防凍的依據。在不同夜間集熱器系統獨立散熱情況下，隨著集熱器系統向外散熱，實驗結束時可記錄到集熱器系統內介質最低溫度。不同夜間18:00—09:00時段系統內集熱器與水箱內部介質最低值分別為tet,1、twc,1，如圖6所示。

圖6 不同夜間系統內介質溫度最低值

由圖6可知，在夜間散熱之后，系統內無論是水箱還是集熱器內部介質的最低溫度普遍在20～40 ℃之間，其平均溫度高于30 ℃。從測試數據可以看出，在以聯合水箱運行的真空管集熱器系統自然循環防凍工況下，夜間散熱工況下集熱器內部介質溫度較高，因此使用自然循環防凍是完全可行的。

圖7 不同夜間系統內介質溫降與溫降速率

由于集熱器內部容量較小、夜空輻射較大等因素，夜間溫降速率大于水箱。同時，由于存在水箱與集熱器之間的自然對流換熱，水箱會向集熱器傳熱，故進行關閉水箱與集熱器閥門實驗，以求得集熱器系統水箱熱損失系數，計算可得水箱不向集熱器傳熱時的溫降。根據式(1)進行計算，對比理論計算水箱夜間溫降及聯合集熱器水箱溫降，可得到如圖8所示的水箱溫降計算值。由圖8可知，由于測試日非連續測試，導致Qs計算不準確(補水溫度按照平均溫度計算，且未詳細監測進水溫度)。集熱器散熱量主要受夜空冷輻射和表面對流換熱影響，而夜空冷輻射又受不同夜間云層厚度、輻射角系數及風速等的影響，導致集熱器側散熱量計算結果準確性的差異。另外，現有的動態耦合計算方法在計算中也尚未考慮水箱由于自然循環導致的對流傳熱量。這些影響因素都將在下一步計算方法的研究中進行完善，以提高計算的準確性。因此，由于以上諸多因素，導致實測聯合運行下水箱溫降與理論計算所得水箱溫降差異較大。但是，作為前期基礎研究，該方法的目的是分析集熱器系統各部件之間的散熱分布和影響度，從工程角度出發，仍有一定借鑒作用。

圖8 聯合運行工況水箱內介質溫度變化實測結果與理論計算結果對比

3.2 系統熱損失分析

在靜止工況下對系統進行熱損失實驗與分析。系統最低溫度一般出現在日出前后。隨著太陽輻射的增強，系統內介質溫度開始逐漸上升。由于09:00集熱器系統散熱量開始明顯降低，而08:00之前散熱量降低不明顯，故以18:00—08:00測試結果為依據計算系統熱損失量。系統夜間總散熱量與單位時間散熱量分別如圖9、10所示。系統總散熱量為210～320 MJ，單位時間散熱量為3 800～5 500 W；其中水箱總散熱量為60～110 MJ，單位時間散熱量為1 100～1 900 W；集熱器總散熱量為150～210 MJ，單位時間散熱量為2 700～3 600 W。即總散熱量中，水箱散熱量約占32%，集熱器散熱量約占68%。以夜間2和夜間5為例，對典型夜間水箱與集熱器瞬時散熱量進行對比，結果如圖11所示。

圖9 不同夜間集熱器系統總散熱量

圖10 不同夜間集熱器系統單位時間散熱量

圖11 不同夜間系統瞬時散熱量逐時變化

集熱器和水箱的散熱量隨著內部介質的溫度和室外溫度的變化而變化。夜間隨著系統內介質溫度不斷降低，與室外溫度之間的差值逐漸減小，散熱量也逐漸降低。由于集熱器內部容量小等因素，集熱器瞬時散熱量呈下降趨勢，而水箱由于容積較大，溫度變化較慢，瞬時散熱量雖整體呈下降趨勢，但溫度變化曲線較為平緩。由于夜間集熱器內部介質溫度呈非線性變化，故計算所得散熱量也存在波動。而水箱夜間溫度雖存在一定波動，但整體呈線性變化，故計算所得散熱量波動較小。由于系統內介質初始溫度和環境溫度的不同，不同夜間系統散熱量差別較大。

集熱器夜間熱損失系數的平均值如圖12所示，集熱器夜間平均熱損失系數變化范圍為0.44～0.58 W/(℃·m2)。由于集熱器初始條件、水箱初始狀態及室外環境條件均不相同，不同夜間的平均熱損失系數有一定差異。圖13給出了8個夜間平均熱損失系數逐時的變化。集熱器夜間平均熱損失系數大部分位于0.40～0.60 W/(℃·m2)之間，平均值為0.489 W/(℃·m2)。其中，位于0.40～0.50 W/(℃·m2)區間內的比例約為58.6%，位于0.50～0.55 W/(℃·m2)區間內的比例約為37.0%，位于0.55～0.60 W/(℃·m2)區間內的比例約為4.4%。可見夜間逐時平均熱損失系數一定程度上呈下降趨勢，但變化幅度小，趨于穩定。

圖12 不同夜間集熱器平均熱損失系數

圖13 不同夜間集熱器平均熱損失系數逐時變化

3.3 真空管集熱器系統夜間散熱改善措施效果分析

水箱增加保溫層及集熱器夜間遮擋后，水箱夜間平均散熱量及集熱器夜間平均熱損失系數變化分別如圖14、15所示。水箱增加保溫層之后，水箱夜間散熱量相比于改善前減小約50%，而集熱器散熱量相比于改善前有所增加，且集熱器平均熱損失系數相比于改善前變化不大，這是由于水箱向集熱器傳熱增加而導致集熱器散熱量增加引起的。集熱器進行夜間遮擋后，集熱器平均熱損失系數降至0.44 W/(℃·m2)，相比改善前下降約9%，通過式(3)、(4)可得，在相同環境條件及系統初始條件下，集熱器內部介質夜間最低溫度可上升1.8～2.5 ℃。水箱增加保溫層后，雖然由于水箱向集熱器傳熱量增加導致集熱器散熱量有所增加，但集熱器內部介質平均溫度上升，更有利于保證集熱器內部介質最低溫度的提高，滿足夜間防凍要求。集熱器夜間增加遮擋后，集熱器熱損失系數降低，有利于夜間集熱器防凍。雖然測試期間云層較厚，夜間冷輻射傳熱量顯著降低，無法體現夜間遮擋的顯著作用，但即使在云層較厚時也獲得了明顯效果，這更加說明夜間遮擋是降低夜間輻射散熱的有效措施之一。可見2種改善方式均對集熱器系統夜間自然循環防凍有利，而夜間遮擋方式的效果更好，但該技術措施涉及到供熱系統的整體管理水平，在實行中有一定難度。

圖14 改善措施后不同夜間系統平均散熱量

圖15 改善措施后不同夜間系統平均熱損失系數

根據關閉集熱器與水箱之間的閥門后集熱器夜間獨立散熱所測的數據，真空管集熱器夜間獨立散熱時平均散熱量為2 650 W。由于聯合運行工況下，水箱溫度高于集熱器溫度，兩者之間的自然循環對流換熱增加了集熱器的整體散熱量，但對于集熱器的防凍是有利的。根據實驗測試數據，運用式(3)、(4)計算得到聯合運行工況下夜間集熱器平均散熱量增加320 W。若采用傳統的機械循環實現集熱器夜間防凍，增加了水泵運行能耗和初投資。而聯合蓄熱水箱通過自然循環實現了夜間防凍，可以認為散熱損失均存在的情況下，自然循環防凍一定程度上提高了集熱器系統的經濟性。

4 結論

1) 在環境溫度介于-10～5 ℃時，真空管集熱器系統夜間溫降為18～25 ℃，水箱夜間溫降為8～15 ℃，集熱器與水箱最低溫度為20～40 ℃，說明聯合水箱的真空管集熱器系統保溫效果良好，系統內蓄存熱量足以滿足防凍需要。

2) 集熱器夜間單位時間散熱量平均值為2 700～3 600 W，平均熱損失系數為0.489 W/(℃·m2)；水箱夜間單位時間散熱量平均值為1 100～1 900 W。不同夜間散熱量與系統內介質初始溫度和室外環境條件相關。

3) 系統散熱特性改善措施的實測表明，通過對水箱和集熱器進行散熱特性改善可以有效降低系統熱損失，提高太陽能利用效率。

4) 夜間系統最低溫度及散熱量的測試與計算結果表明，真空管集熱器聯合蓄熱水箱時夜間自然循環防凍是可行的，并且能減少集熱器循環防凍水泵的投資與運行能耗，提高系統整體的能量利用效率和經濟性。