【NACHVACR 2016-供热】热管式真空管型太阳能取暖器供热性能实验研究

发表于 讨论求助 2019-01-17 02:24:14


本论文入选2016年全国暖通空调制冷学术年会文集,收录于《建筑技术开发》2016年11月增刊。


于国清,金怡红,陈 东,闫 涛,杨 青

上海理工大学

[摘 要]研究了一种新型的太阳能取暖器,该太阳能取暖器利用热管将室外太阳能真空管收集的热量传递到室内散热装置,系统简单,没有冻结危险;不需泵或者风机等动力装置,自动运行;易于实现与建筑的一体化。进行了实验研究:1 根据散热装置的散热量与内外温差成特定函数关系的特点,设计了该太阳能取暖装置的供热量测试的实验方案;2 通过实验测试得出,该单元取暖器(只有一根真空管)的供热量与内外温差的函数关系为y=0.084Δt1.72;3 在冬季某日进行测试,测试当日,该装置一天内所提供的热量为921.6kJ,装置的日总集热效率为59.8%。

[关键词]太阳能;热管;取暖装置;供热量

 

随着我国经济的快速发展,能源紧缺问题日益严峻,如何降低建筑能耗,减少对化石燃料的依赖成为当前备受关注的话题。太阳能是一种清洁的可再生能源,越来越多地被人们接受。

对于太阳能供暖目前研究和应用较多的是太阳能热水供暖系统,太阳能热水供暖系统一般包括太阳能集热器、辅助热源、蓄热水箱、室内散热装置、泵以及管路和控制系统,且需要考虑防过热、防冻等问题,整个系统较为复杂,成本较高,限制了其推广应用。太阳能真空管具有集热温度高、效率高等优点,在我国获得广泛应用。热管是二十世纪七十年代发展起来的高效传热元件,在很多领域获得成功应用。为了更好地实现太阳能利用与建筑的一体化,提高效率,简化供暖系统,该文提出了一种热管式真空管型太阳能取暖器,并进行了实验研究。

 
1  结构和工作原理


1.1 装置组成

热管式太阳能取暖器装置,由太阳能集热器、热管、散热器等组成。热管式太阳能取暖器装置(一个单元,即只有一根真空管)如图1 所示。可以根据建筑的热负荷和可用集热面积,确定单元的数目。

图1 单元式热管式太阳能取暖器装置示意

太阳能集热采用真空集热管,热管蒸发段置于全玻璃真空管内,设有金属片使热管与全玻璃真空管充分接触导热;热管的冷凝段置于散热器片内,将裸露在空气中的热管中间段做好保温。太阳能集热管有一定的倾角,热管也有相应的折弯角度。散热器安装在南墙窗户下面;集热器可以带有反射板,安装在下一楼层窗户上方兼做雨篷。

1.2 太阳能取暖器的工作原理

太阳能集热管采用全玻璃真空管,全玻璃真空管内腔外壁涂有选择性吸收涂层,太阳光透过真空管外玻璃照射到内管外表面涂层上,将太阳能转换为热能,再经船型铝箔片将热量传递到热管蒸发段。热管蒸发段被加热,管内工质受热至沸腾蒸发,蒸汽升至热管上端冷凝段,热管冷凝段置于散热器片内,管内蒸汽通过管壳将热量传递给散热器片,散热器片与室内环境进行换热,随之,管内蒸汽凝结成液态,在重力的作用下流至热管蒸发段,往复循环。

在夜间或者阴雨天太阳辐照度不足时,热管不启动,没有热量传递到室内;由于热管热量传递的单向性,室内的热量也很少通过热管散失到室外。

这种装置构造简单,组装方便,几乎不需要维护,很好的实现了太阳能利用与建筑的一体化,没有冻结的危险,兼有太阳能被动式利用和主动式利用的优点。

 
2  供热量的测量


2.1 供热量的测量方法

供热量是太阳能供暖装置的重要热性能参数,也是实验研究要测试的关键数据,但这种太阳能取暖器的供热量测试比普通的散热器供热量的测试困难:通过热管传输到散热器的热量难以直接测量;太阳能提供的热量受太阳辐照度、室外气温、集热管结构和热性能参数等多种因素的影响,也难以直接准确测量。在这种情况下,理论上讲可以通过搭建平衡室的方式来测量散热器的散热量。热平衡室一般包括内室和外室,测试时使外平衡室温度保持不变,达到热平衡时输入的冷量即等于内平衡室由装置提供的供热量。但这样做的问题是,当平衡室体积过大时,则不可控、不可预测的热损失越多,要达到足够的精度,成本太高;当平衡室体积过小,则与装置实际工作时的条件不相符,这会使得装置的散热性能发生变化。

为了解决这个难题,作者根据供暖末端装置散热量与内外温差的特定函数关系实现供热量的测试。由于对于特定的散热器,其供热量是内管壁温与室内空气温度差的单值函数,

Q=aT)b      (1)

式中:为单位时间供热量(W);Δ为内管壁温与室内空气温度差(K);为供热量系数;为温差指数。

因此知道了内管温度,就可以获得装置的供热量。通过测试多个不同温差下的供热量,就可以拟合得到ab,之后只要测得内外温度差就可以计算得到换热量。为了制造一个相对稳定且与实际测量环境近似的测试工况,该课题利用电加热来模拟太阳辐照量对热管的蒸发段进行热量供给,在真空集热管的外面敷设很厚的保温,这样电加热量就近似等于装置的供热量,因此通过测试热管在不同温度下的电加热量就得到了装置在该温度下的供热量,实验原理图见图2。

图2 供热量测试实验原理示意

2.2 主要部件的规格和参数

该实验台在上海理工大学环境楼屋顶进行搭建。该实验所采用的全玻璃真空集热管的参数规格见表1。

表1 真空集热管的规格尺寸及材料参数

真空集热管内的热管为重力型热管,其蒸发段置于真空管内,热管的冷凝段保持竖直,置于散热器片内,其中空隙用直径为2mm 的钢珠填塞,使其传热充分。太阳能集热管的倾角为55° 左右,热管的折弯角度为供暖145° 左右。单柱散热器片采用带有矩形肋片的柱状散热器片。该实验所用热管的具体规格见表2。散热器片的具体尺寸规格见表3。

表2 热管的规格尺寸及材料参数

表3 散热器片规格尺寸

2.3 实验测试方案

温度测试部分,采用T 型热电偶来测量单元式装置的温度,利用安捷伦34970显示和记录;温度测点布置如下。

(1)室内散热器片500mm 处布置温度测点及室外布置温度测点1 处;

(2)热管的温度布点:冷凝段均匀布置2 个测点,蒸发段均匀布置3 个测点;冷凝段中点位置布置PID 温控器所监测的温度测点;

(3)散热器片:肋基、肋片分别均匀布置2 个测点。

电加热线的电阻提前测量出来,测试时主要通过万用表测试两端的电压,用万用表测得的电加热线两端的电压值,由欧姆定律计算出电加热线的功率值。各个工况下的功率即为对应热管冷凝段温度下装置的供热量。

在对电加热模拟太阳能取暖装置热性能时,主要是对热管冷凝段温度的控制。设定PID 温度控制仪,PID温度仪的设定温度即为热管冷凝段温度。改变设定温度,达到稳定之后,测试各工况下的温度和电压。

2.4 供热量测量的实验数据分析

实验中,所用电加热线的热阻为410.6 欧姆。热管冷凝段温度在30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃几种工况下的实验数据见表4。

表4 各个工况下电加热线的功率计算值

从表4 中可以看出电加热线的功率随着热管冷凝段的温度的上升而增大,将热管冷凝段温度和计算得出相应的电加热线的功率组成的散点,拟合得出在热管冷凝段各个温度下,电加热线的功率的趋势线,即得出了单元式热管供热装置供热量与散热器内外温差的函数关系

= 0.0841.72   (2)

散热器内外温差与室内温度之差。如图3 所示。

图3 散热器内外温差与供热量关系

从图3 可以看出,在10℃ ~36℃的散热温差内,该函数关系式的计算值与测量值比较吻合,尤其是在20~36℃温差范围内,几乎完全重合,这是热管取暖器的主要工作范围,因此可用公式(2)来估算装置的供热量。

 
3  太阳能取暖器的热性能实验研究


3.1 实验方案

实验的目的是测试在冬季有太阳辐照时太阳能取暖器的供热量以及集热效率。

(1)热管式太阳能取暖器的安装 如图1 所示,热管冷凝段置于室内进行散热,热管的蒸发段穿过聚氨酯墙体伸进真空管内,真空管朝正南方向,倾斜放置。在真空管管口堵上保温塞,在热管裸露在室外的中间段裹上保温层,使装置尽量减少热损失。

(2)太阳辐照量的测试 将太阳辐照计摆放在真空管附近,倾斜角度与太阳集热器倾角相等,连接到太阳辐射记录仪记录全玻璃真空管集热倾斜面上的太阳辐照量。

(3)供热量的测试 利用热电偶,测试热管冷凝段的温度和室内外空气温度,根据公式(2)计算得出各个时刻的供热量。

3.2 实验数据分析

为了便于比较,将单位面积的太阳辐照量转化为了单根真空管采光面积上所接收的太阳辐照量,真空管的集热面积为0.087m2。在对热管式太阳能取暖装置进行实测当天,集热器表面上的太阳辐照量最大值为900W/m2,冷凝段最高温度为51.4℃,热管冷凝段和室内温差最大为35 左右。实验测试的供热量和太阳辐照量如图4所示。

图4 太阳辐照度和装置瞬时供热量对照

由图4 可看出,单元装置的供热量和太阳辐照量的变化趋势大致一致,但是在时间上略有滞后。因为太阳能全玻璃真空管将太阳能转化为热能,太阳能集热器再将热量传递给热管蒸发段,通过热管金属表面将热量传递给热管腔体内的丙酮溶液,丙酮溶液受热蒸发至热管冷凝段,再将热量从热管金属表面传给散热器,最终给房间加热。这一整个复杂的传热过程导致散热器的散热比太阳辐照量变化的滞后,滞后时间大概为1 个小时左右。在11:40 分时,取暖器集热面积上接收的辐照量为最大值78.3W,但在13:04 时装置的供热量才达到最大值42.6W。单元装置在一天测量时间内所提供的热量为921.6kJ。上海地区节能建筑耗热指标为11W/m2,则1m2 室内面积在白天8h 所需热量为316.8kJ/m2,则1个单元装置在晴天可以提供3m2 左右的办公室白天需热量。

太阳能取暖装置的日总效率定义为装置一天的供热量与集热面积上的太阳辐照量之比,计算该装置的日总集热效率为59.8%。普通的太阳能热水供暖系统,尽管太阳能集热器的集热效率也可以达到较高的值,但考虑到管路、水箱等中间环节的热损失和能耗,要实现这么高的热效率是很不容易的。

 
4  结      论


该文研究了一种新型的太阳能取暖器,并进行了实验研究。

(1)根据散热装置的散热量与内外温差成特定函数关系的特点,设计了该太阳能取暖装置的供热量测试的实验方案。

(2)通过实验得出,该取暖器的供热量与内外温差的函数关系为y= 0.084Δt1.72;

(3)在冬季某日进行了测试,测试当日,该单元装置一天内所提供的热量为921.6kJ,装置的日总集热效率为59.8%。具有较高的热效率。

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作者简介:于国清(1971—),男,河北人,副教授,主要从事太阳能供热与空调研究,地源热泵系统应用研究。

中国建筑学会暖通空调分会和中国制冷学会空调热泵专业委员会(简称全国暖通空调学会,英文缩写:CCHVAC)由全国范围内科研院所、高等院校及企业等权威专家组成,下设供暖、空调、热泵、通风、净化、计算机模拟和青年七个专委会。秘书处设在中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院。

微信公众号:cc-hvac


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