鄭慧凡，田國(guó)記，李丹丹，黃晨茜，范曉偉

1 前言

我國(guó)是太陽(yáng)能資源十分豐富的國(guó)家，三分之二的國(guó)土面積年日照量在2200 h以上，年輻射總量大約每年3340～8360 MJ/m2，相當(dāng)于110～250 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/m2。利用太陽(yáng)能進(jìn)行供熱可以緩解日益緊張的能源危機(jī)，近年來(lái)，很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能供熱性能進(jìn)行了大量研究，取得了許多卓有成效的研究成果。

國(guó)外Ayompe等對(duì)愛(ài)爾蘭的柏林地區(qū)的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究［1］；Hayek等在地中海地區(qū)建立了熱管式真空管和全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)2套系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試［2］；Budihardjo等通過(guò)試驗(yàn)得出系統(tǒng)組分的特性，并利用TRNSYS軟件建立了預(yù)測(cè)真空管太陽(yáng)能熱水器的長(zhǎng)期性能的數(shù)學(xué)模型［3］；Houri等在黎巴嫩對(duì)真空管太陽(yáng)能集熱器的熱虹吸太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了熱量測(cè)試［4］；Russo等分析了太陽(yáng)能光伏與地源熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)的壽命周期環(huán)境評(píng)價(jià)［5］；Busato等通過(guò)試驗(yàn)研究了太陽(yáng)能輔助地源熱泵系統(tǒng)在住宅或辦公建筑中的運(yùn)行性能，其系統(tǒng)供暖性能系數(shù)在3.0 以上［6］。

國(guó)內(nèi)趙玉蘭等對(duì)CPC熱管式真空管太陽(yáng)集熱器進(jìn)行了傳熱分析［7］；徐吉富等建立了二維數(shù)學(xué)模型，利用FLUENT軟件模擬管內(nèi)熱量傳遞過(guò)程，并揭示其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布規(guī)律［8］；肖紅升等設(shè)計(jì)了一種新型的開(kāi)放式熱管真空管太陽(yáng)高溫集熱器［9］；李寧等提出了適用于農(nóng)牧區(qū)采暖的太陽(yáng)能熱泵采暖系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益［10］；周恩澤等設(shè)計(jì)建立了以熱管式真空管太陽(yáng)能熱水器和水源熱泵機(jī)組為熱源的太陽(yáng)能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)［11］。郝紅等建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)太陽(yáng)能燃?xì)鉄岜霉┡到y(tǒng)及余熱回收進(jìn)行了研究［12］。

綜上所述，眾多學(xué)者對(duì)熱管式真空管集熱器的研究多集中在吸收材料、集熱器性能等方面，而對(duì)熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置供熱性能的模擬與試驗(yàn)的研究并不多見(jiàn)，因此，本研究基于EES軟件，建立了熱管式集熱裝置供熱性能仿真模型，搭建了熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置熱性能測(cè)試平臺(tái)，研究了太陽(yáng)能集熱熱水溫度、集熱效率、供熱性能、貢獻(xiàn)率等參數(shù)的變化規(guī)律，為太陽(yáng)能光供熱在鄭州地區(qū)的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

2 模型的建立

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置，儲(chǔ)熱水箱，循環(huán)水泵等組成。本文基于EES軟件，設(shè)計(jì)并編寫(xiě)了熱管式真空管太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)仿真程序。輸入?yún)?shù)包括：熱管式真空管集熱器結(jié)構(gòu)尺寸、太陽(yáng)能逐時(shí)輻射強(qiáng)度、室外環(huán)境溫度、初始水溫、水量等參數(shù)；輸出參數(shù)包括：集熱量、集熱效率、集熱裝置逐時(shí)出口水溫參數(shù)等。

集熱器效率定義為 ：

式中 （τα）e——有效透射率與吸收率的乘積

UL——集熱器總熱損失系數(shù)

Tp1——吸熱板溫度,℃

Ta——環(huán)境溫度,℃

G ——太陽(yáng)逐時(shí)輻射強(qiáng)度,W/m2

太陽(yáng)能集熱量：

式中 Qu——集熱器集熱量,W

A——集熱器有效面積,m2

集熱器出口水溫：

式中 m——水箱內(nèi)水的質(zhì)量,kg

Cp——水的比熱容 ,J/（kg·K）

V——水箱容積，m3

Tin，Tout——集熱器進(jìn)出口水溫 ,℃

模型所用其他公式詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)［13］。熱管式真空管太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)仿真計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 仿真計(jì)算程序流程

3 試驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

3.1 太陽(yáng)能集熱裝置試驗(yàn)系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱裝置主要由熱管式真空管太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測(cè)量、采集系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能集熱試驗(yàn)裝置示意

熱管式真空管太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)中集熱器共5組，每組采用16支熱管式真空管，熱管式真空管外形尺寸為Φ100 mm× 2000 mm，總采光面積為15.5 m2，水箱容積650 L，正南方向布置，傾角為45°。

數(shù)據(jù)測(cè)量、采集系統(tǒng)，主要測(cè)量了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、室外環(huán)境溫度、集熱水溫、水量等參數(shù)，其中水溫的測(cè)量選用PT100型鉑電阻，范圍為-20～500℃，精度為0.2級(jí)，輸出4～20 mA信號(hào)，分別在儲(chǔ)熱水箱縱向均勻布置3個(gè)（T7,T8，T9）溫度測(cè)點(diǎn)及水箱進(jìn)出口（T6，T1）各一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每組集熱器的進(jìn)出口（T2～T5）各一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置參見(jiàn)圖2；水量的測(cè)量采用橫河AXFA14G/C型電磁流量計(jì)；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和室外環(huán)境溫度的測(cè)量及采集選用TBQ-2型太陽(yáng)輻射儀，其靈敏度系數(shù)為 10.94 mV/（kW·m2），量程0～2000 W/m2，精度等級(jí)±2%。試驗(yàn)中采用的測(cè)量?jī)x器使用前均經(jīng)過(guò)校正和標(biāo)定。所有溫度、流量信號(hào)均由2700型Keithley數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行自動(dòng)采集。

3.2 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所建仿真模型的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的逐時(shí)水溫變化進(jìn)行了對(duì)比，如圖3所示。由圖可知，水溫的模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，最大偏差為6.1%，平均偏差為4.3%，模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖3 試驗(yàn)值和模擬值對(duì)比

結(jié)合鄭州地區(qū)典型日氣象參數(shù)［14］（當(dāng)月太陽(yáng)輻射值最大日作為典型日），程序計(jì)算中太陽(yáng)輻射值取集熱器裝置以當(dāng)?shù)鼐暥冉嵌葍A斜布置時(shí)的平均輻射值。

圖4，5給出了典型日輻射強(qiáng)度和集熱量的逐時(shí)變化。由圖4，5可知，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和集熱量隨時(shí)刻變化先上升后下降，2015年12月28日輻射強(qiáng)度最低、集熱器集熱量較少，分別可達(dá)508.3 W/m2和4.31 kW；2016年3月14日輻射強(qiáng)度和集熱量最高，可分別達(dá)811.1 W/m2和8.02 kW；各典型日輻射強(qiáng)度及集熱量最大值出現(xiàn)在12:00-14:00之間。

圖4 典型日逐時(shí)輻射強(qiáng)度

圖5 典型日集熱器逐時(shí)集熱量

圖6 ，7所示為室外環(huán)境溫度和水溫的變化曲線。由圖可知，逐時(shí)環(huán)境溫度和水溫均先上升后下降，室外溫度2016年1月27日最低，同年3月14日偏高，最高溫度達(dá)9.7℃；水溫溫升2015年12月25日達(dá)37.9℃、最高溫度可達(dá)53.9℃，2016年3月14日溫升達(dá)58.4℃、最高溫度可達(dá)82.7℃。各典型日室外溫度及水溫最高出現(xiàn)在15:00-16:00之間。

圖6 室外溫度隨時(shí)刻的變化

圖7 水溫隨時(shí)刻的變化

圖8 給出了典型日集熱效率的逐時(shí)變化。由圖可知，各典型日集熱效率在9:00-11:00間上升較快，究其原因?yàn)樵摃r(shí)間段內(nèi)水箱溫升較快，水溫越低集熱效率越高；12:00之后各典型日的集熱效率平緩降低。2016年3月14日達(dá)到最大值0.62，集熱效率最小值出現(xiàn)在2015年12月28日，達(dá)0.33。

圖8 典型日逐時(shí)集熱效率

根據(jù)鄭州地區(qū)2015年11月～2016年3月份的氣象條件，將熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置對(duì)鄭州地區(qū)某200 m2別墅供暖。分析了各月份的月平均貢獻(xiàn)率（太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供熱量與建筑物所需熱量的比值，建筑所需熱負(fù)荷詳見(jiàn)文獻(xiàn)［13］）如圖9所示。

圖9 太陽(yáng)能月供暖貢獻(xiàn)率

由圖可知，2015年11月～2016年3月期間，各月平均貢獻(xiàn)率在40%～78%之間波動(dòng)，平均值為54%，最大值出現(xiàn)在2016年3月份達(dá)到78%，最小值出現(xiàn)在2015年12月份達(dá)到40%。

4 結(jié)論

本研究基于EES軟件，建立了熱管式集熱裝置供熱性能仿真模型，搭建了熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置熱性能測(cè)試平臺(tái)，分析了太陽(yáng)能集熱熱水溫度、集熱效率、供熱性能、貢獻(xiàn)率等參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）2015年11月～2016年3月，在鄭州地區(qū)典型氣象條件下，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和集熱量隨時(shí)刻均先上升后下降，2016年3月14日輻射強(qiáng)度和集熱量最高，分別可達(dá)811.1W/m2和8.02kW。

（2）太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫和集熱效率隨時(shí)刻先上升后下降，2016年3月14日室外溫度偏高，最高溫度為9.7℃；水溫溫升達(dá)58.4℃、最高溫度可達(dá)82.7℃；集熱效率2016年3月14日達(dá)到最大值0.62，最小值出現(xiàn)在2015年12月28日，為0.33。

（3）根據(jù)鄭州地區(qū)2015年11月～2016年3月的氣象條件，將熱管式真空管太陽(yáng)能集熱裝置為鄭州地區(qū)某200 m2別墅供暖，該系統(tǒng)的月平均貢獻(xiàn)率在40%～78%之間波動(dòng)，平均值為54%，最大值達(dá)到78%。

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［14］ 中國(guó)氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.