太陽能-低溫?zé)峁艿匕遢椛涔嵯到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

1、第29卷第6期2008年6月太陽能學(xué)報(bào)ACrAENERGIAESOLARISSINICAVl0129No6Jun，2008太陽能一低溫?zé)峁艿匕遢椛涔嵯到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究趙薇，張于峰，鄧娜，郭曉娟(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)摘要：為將低品位太陽能直接應(yīng)用于建筑供暖，對(duì)一種太陽能一低溫?zé)峁艿匕遢椛涔┡到y(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在天津地區(qū)冬季條件下、供水溫度為35～45時(shí)，針對(duì)非節(jié)能建筑的房間負(fù)荷(3o～60W／m2)進(jìn)行了該系統(tǒng)各部

2、件和系統(tǒng)整體性能的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：供水溫度35～45℃即可滿足采暖要求；太陽能保證率受供水溫度影響顯著，供水溫度升高10~C，太陽能瞬時(shí)保證率減小5％；晴朗白天，室外平均溫度一072~C，平均太陽輻照度4251W／，太陽能瞬時(shí)保證率近似為1；陰天室外平均溫度一155~C，平均太陽輻照度2205W／m2，太陽能瞬時(shí)保證率隨供水溫度和負(fù)荷的變化而變化，范圍是052～096。實(shí)驗(yàn)證實(shí)：該系統(tǒng)能提高太陽能熱利用的經(jīng)濟(jì)性，熱管地板傳熱性能優(yōu)于

3、塑料埋管地板，供水溫度可以比常規(guī)塑料埋管地板的要求降低約5~C。關(guān)鍵詞：太陽能；重力式熱管；熱管輻射地板；供暖系統(tǒng)中圖分類號(hào)：TK5112；TU83217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A0前言鑒于采暖供水溫度通常為50～60cI=，如果將能源密度低、集熱效率低的太陽能與之相匹配很難滿足建筑供暖空調(diào)的需求。因此，大量研究集中在提升太陽能品位和優(yōu)化系統(tǒng)性能上，如：Hawlader_】j、Esen_2和Kami|f33等對(duì)太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，余延

4、順L4和Onder_5分別對(duì)我國寒冷地區(qū)和歐洲地區(qū)太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)的性能和運(yùn)行方式進(jìn)行了探討。由于低品位能利用技術(shù)的局限]，對(duì)太陽能直接供暖系統(tǒng)的可行性及適用性的研究較少。太陽能直接供暖系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護(hù)方便、易與建筑一體化的特點(diǎn)，如果將輻射地板作為供暖系統(tǒng)末端，將獲得更好的節(jié)能效果和舒適性。Martinez等對(duì)太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)集熱器面積為l536m2用以滿足172m2的采暖負(fù)荷與熱水負(fù)荷，實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果表明該系統(tǒng)的太陽能保證率為0486。作者擬將重力式熱管直接應(yīng)用于以太陽能為熱源的低溫地板采暖系統(tǒng)中，以期利用其優(yōu)良的傳熱性能，在降低集熱溫度和供水溫度的同時(shí)提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，驗(yàn)證低品位太陽能直接供暖的技術(shù)可行性。本文在室外氣象條件、房間負(fù)荷、運(yùn)行參數(shù)等變化的條件下，對(duì)太陽能一低溫?zé)峁艿匕骞┡到y(tǒng)特性進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)11熱管制備及低溫?zé)峁艿匕邃佋O(shè)方式熱管是綜合液體蒸發(fā)、冷凝和毛細(xì)管現(xiàn)象制作而成的，是最有效的傳熱元件之一

6、[8]。本文選用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的重力式熱管作為傳熱單元，整個(gè)熱管長800ram，內(nèi)外徑分別為12ram和15mm，鋼管內(nèi)壁面經(jīng)過物理化學(xué)處理，管內(nèi)充一定量的無機(jī)工質(zhì)。將重力式熱管與地板輻射采暖相結(jié)合，就必須考慮實(shí)際的工作條件與連接方式，以達(dá)到合理、高效、經(jīng)濟(jì)的傳熱效果。我們前面的研究工作_l?！耙呀?jīng)證實(shí)：熱管串聯(lián)連接的傳熱性優(yōu)越，熱管的水平傾角為1?！?0即可滿足地板采暖對(duì)傳熱功率的要求。實(shí)際鋪設(shè)中熱管傾斜角度采用2。，蒸發(fā)段和冷

7、凝段高差為28mm，對(duì)地板構(gòu)造并無影響。實(shí)驗(yàn)采用的低溫?zé)峁茌椛涞匕鍢?gòu)造如圖1所示。12實(shí)驗(yàn)簡介為對(duì)太陽能一低溫?zé)峁艿匕遢椛涔┡到y(tǒng)的整體性能進(jìn)行測試，參照ISO31481975(用空氣冷卻閉收稿日期：20070809基金項(xiàng)目：南開大學(xué)天津大學(xué)聯(lián)合研究基金項(xiàng)目(TD2001001)；北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2003O1)通訊作者：趙薇(1981一)，女，博士研究生，主要從事建筑節(jié)能研究。2~aaowei528@gmailoom維普資訊6

8、期趙薇等：太陽能一低溫?zé)峁艿匕遢椛涔嵯到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究639如此反復(fù)循環(huán)將熱量傳向室內(nèi)。地板回水進(jìn)入蓄熱水箱底部。當(dāng)水箱供水溫度較高時(shí)，通過調(diào)節(jié)回水旁路閥門的開度，使供水溫度為某一設(shè)定值。夜間或陰天時(shí)，集熱器停止工作，蓄熱水箱直接向熱管地板供熱。當(dāng)蓄熱量不足時(shí)，開啟供水管處的加熱器來補(bǔ)充?？紤]冬季防凍需要，可在蓄熱水箱內(nèi)設(shè)置換熱器，將室外集熱部分作為閉合回路并在載熱介質(zhì)內(nèi)添加防凍液。13實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)范圍熱管地板可以在低溫下達(dá)到較好的傳熱性

9、能，因此，本文在考慮天津地區(qū)冬季實(shí)際采暖狀況下，確定了實(shí)驗(yàn)參數(shù)及其范圍，參見表1。表1太陽能—低溫?zé)峁艿匕宀膳瘜?shí)驗(yàn)參數(shù)及其范圍Table1Experimentalparametersandoperatingconditions參數(shù)名稱參數(shù)范圍集熱器集熱溫度／℃供水溫度r／oc采暖熱負(fù)荷指標(biāo)q／Wm室外氣象條件35，40，4535，40，4530，45，60天津冬季典型晴天、陰天本文實(shí)驗(yàn)由集熱器低溫集熱性能測試和模擬真實(shí)氣象條件下太陽能一

10、低溫?zé)峁艿匕遢椛洳膳到y(tǒng)整體性能實(shí)驗(yàn)兩部分組成。在集熱器性能測試中，通過調(diào)節(jié)集熱器的溫差控制器及循環(huán)水流量來改變集熱溫度。在整體實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)蓄熱水箱電加熱器來模擬真實(shí)氣象條件，調(diào)節(jié)冷卻水的流量來改變小室采暖熱負(fù)荷。各種實(shí)驗(yàn)工況下，每隔30min改變蓄熱水箱加熱量，數(shù)據(jù)采集儀采集各個(gè)熱電偶和鉑電阻的溫度，同時(shí)記錄各回路供水流量和各加熱器電功率。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論21熱管真空管集熱器低溫集熱性能為滿足冷暖聯(lián)供的要求，本實(shí)驗(yàn)采用了可以達(dá)到較高集

11、熱溫度、冬夏兩季均適用的熱管真空管集熱器。由于熱管真空管集熱器在低溫下的集熱性能對(duì)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性有極大影響，而文獻(xiàn)[12]中擬合集熱效率公式的適用范圍為305～131oC，不夠精確。因此，在天津冬季氣象條件下，針對(duì)低溫集熱性能進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)于2006年2月10日～20日進(jìn)行，太陽輻照度98～487W／rn，室外溫度一102—96℃，室外風(fēng)速25m／s。計(jì)算時(shí)間間隔內(nèi)的集熱器平均效率可由(1)式計(jì)算得到：=(I‘口(t)／A。，(t

12、)dt)／(t一t。)(1)Jl式中，口——集熱器瞬時(shí)集熱量，w；?！療崦娣e，；卜一瞬時(shí)太陽輻照度，W／W；t、t2——積分初、終時(shí)間，s。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，回歸出熱管真空管集熱器低溫下的集熱效率為：=0718—2165(ti一。)／7(2)式中，ti——集熱器進(jìn)口溫度，oC；?！?jì)算時(shí)間間隔內(nèi)平均室外溫度，oC；，一計(jì)算時(shí)間間隔內(nèi)平均太陽輻照度，w，。在整個(gè)測試期內(nèi)，熱管真空管集熱器的效率平均可高達(dá)627％。式(2)與文獻(xiàn)[1

13、1]中效率公式相比，計(jì)算誤差減小43％。22系統(tǒng)整體性能為研究不同運(yùn)行條件下太陽能一低溫?zé)峁艿匕遢椛涔┡到y(tǒng)的性能及運(yùn)行規(guī)律，驗(yàn)證低品位太陽能直接應(yīng)用于熱管地板供暖的可行性，進(jìn)行了系統(tǒng)模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。氣象條件，特別是太陽輻照度，在很大程度上決定了太陽能供暖系統(tǒng)的運(yùn)行特性和經(jīng)濟(jì)可行性，而這方面的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)稀少。在熱管真空管集熱器低溫集熱性能實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文選取天津地區(qū)冬季典型晴天和陰天日的氣象條件，在不同運(yùn)行工況下，對(duì)太陽能一低溫?zé)?/p>

14、管地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了全天實(shí)驗(yàn)。圖3分別顯示了氣候及房間負(fù)荷最有利工況(晴天，q=30w／W，=40％)和最不利工況(陰天，q=60W／m~，=40％)下，系統(tǒng)集熱量、輔助電加熱量、蓄熱水箱平均溫度、地板表面平均溫度、地板回水溫度及室內(nèi)溫度隨時(shí)間和室外氣象條件的變化。從圖中可以看出：①集熱量受天氣狀況影響很大，晴天日間8h集熱量為11145610，陰天日間8h集熱量為547210，前者約為后者的2倍。但集熱量全天變化趨勢一致，隨太陽輻