陳 超，張明星，鄭宏飛，李 娜，馬興龍，凌浩恕，馬彩雯，鄒 平

日光溫室用雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器性能試驗(yàn)

陳 超1，張明星1，鄭宏飛2，李 娜1，馬興龍2，凌浩恕1，馬彩雯3，鄒 平3

（1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124；2. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，北京 100081；3. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091）

為了提高日光溫室太陽(yáng)能利用率，該研究提出了一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器，并與該研究團(tuán)隊(duì)提出的日光溫室太陽(yáng)能主-被動(dòng)“三重”結(jié)構(gòu)相變蓄熱通風(fēng)墻體相結(jié)合構(gòu)成太陽(yáng)能主動(dòng)集熱蓄熱系統(tǒng)，應(yīng)用于烏魯木齊日光溫室。基于光學(xué)與傳熱學(xué)理論，重點(diǎn)考察了集熱器結(jié)構(gòu)（雙集熱管相對(duì)位置、長(zhǎng)度）、集熱器內(nèi)空氣流速、集熱器進(jìn)口溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等參數(shù)，對(duì)該集熱器光學(xué)性能和集熱性能的影響規(guī)律。大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究結(jié)果表明：1）新型雙管集熱器與同類(lèi)型的單管集熱器相比，空氣流量增加了一倍、單位面積集熱量增加了16%、集熱效率提高了9%，冬季無(wú)跟蹤條件下的集熱效率為44%～52%；2）2015年11月－2016年2月烏魯木齊日光溫室應(yīng)用實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在集熱器長(zhǎng)度為16 m、管內(nèi)空氣流速為2.0 m/s的條件下，晴天集熱系統(tǒng)可為日光溫室提供約50～65 MJ的太陽(yáng)熱能，冬季累計(jì)可提供約5 325 MJ的太陽(yáng)熱能。研究結(jié)果為日光溫室高效利用太陽(yáng)能主動(dòng)供熱提供了新的技術(shù)方法參考。

溫室；太陽(yáng)能；溫度；空氣集熱器；聚光性能；集熱性能；應(yīng)用

陳 超，張明星，鄭宏飛，李 娜，馬興龍，凌浩恕，馬彩雯，鄒 平. 日光溫室用雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：245－252. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.031 http://www.tcsae.org

Chen Chao, Zhang Mingxing, Zheng Hongfei, Li Na, Ma Xinglong, Ling Haoshu, Ma Caiwen, Zou Ping. Thermal performance experiment for multiple clamber trough solar air collector with dual collector tubes for solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 245－252. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.031 http://www.tcsae.org

0 引 言

太陽(yáng)能空氣集熱器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冬季使用管路無(wú)結(jié)凍炸裂等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)[1]、農(nóng)業(yè)[2]與住宅[3]中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。然而，空氣具有比熱和密度都小的缺點(diǎn)，提高空氣集熱器集熱效率和集熱量成為了太陽(yáng)能空氣集熱器研究重點(diǎn)[4-5]。

多曲面聚光結(jié)構(gòu)空氣集熱器是近些年發(fā)展的一類(lèi)空氣集熱器[6-7]。該類(lèi)集熱器具有體積小、安裝與維護(hù)管理方便、出風(fēng)溫度高等特點(diǎn)。Tchinda等[8-9]、Odeh等[10]與Bakos等[11]分別對(duì)聚光型集熱器進(jìn)行了傳熱機(jī)理分析，建立了拋物面、槽面聚光型集熱器的傳熱模型，為集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定重要基礎(chǔ)。Tripanagnostopoulos等[12]設(shè)計(jì)了一種雙管式CPC集熱蓄熱系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)測(cè)的方法研究了在雙管結(jié)構(gòu)不同的條件下管內(nèi)水溫、系統(tǒng)平均效率和夜間熱損的變化規(guī)律。李明等[13-15]對(duì)槽式太陽(yáng)能系統(tǒng)聚光面參數(shù)對(duì)聚光特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，平行光下聚光面厚度、焦距、折射率等導(dǎo)致匯聚光線(xiàn)在焦線(xiàn)位置發(fā)生橫向離焦偏移和縱向離焦偏移,并擬合出具有高相關(guān)指數(shù)的實(shí)用經(jīng)驗(yàn)公式。曹政等[16]采用Fluent軟件模擬分析了太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度、集熱管進(jìn)口流體溫度及速度3個(gè)因素對(duì)太陽(yáng)能集熱器熱效率、吸熱管表面和玻璃套管表面最大溫升的影響。Zheng等[17-19]對(duì)多曲面槽式空氣集熱器的3種不同接收器對(duì)集熱器性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明圓形玻璃管式接收器的出口溫度最高，能達(dá)到140 ℃；當(dāng)集熱溫度約60 ℃時(shí)，集熱效率能到45%以上。韓雪等[20]以槽式太陽(yáng)能集熱器為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬和正交分析的方法，對(duì)影響槽式太陽(yáng)能集熱器熱效率的主要因素進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明光線(xiàn)沿軸向入射角度影響最大。此外，熊亞選等[21-24]針對(duì)高效聚光型太陽(yáng)能集熱器也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用效果研究。

基于國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于聚光型空氣集熱器的研究成果，課題組在已有單集熱管多曲面槽式空氣集熱器的基礎(chǔ)上，提出了一種大流量雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器設(shè)計(jì)理念。本研究擬通過(guò)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用的方法，重點(diǎn)考察集熱器結(jié)構(gòu)（雙集熱管相對(duì)位置、長(zhǎng)度）、集熱器空氣流速與進(jìn)口溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等參數(shù)，對(duì)該雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器（以后簡(jiǎn)稱(chēng)雙管集熱器）關(guān)于集熱器出口空氣溫度、集熱量、集熱效率等集熱性能的影響規(guī)律，以期為該類(lèi)集熱器熱工性能優(yōu)化以及應(yīng)用于日光溫室利用太陽(yáng)能增溫供熱提供技術(shù)方法參考。

1 材料與方法

1.1 雙管集熱器構(gòu)造特點(diǎn)

圖1b為本研究在課題組原有單管集熱器（圖1a）[25-27]基礎(chǔ)上提出的一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器（以后簡(jiǎn)稱(chēng)雙管集熱器）。該雙管集熱器的多曲面反射板是由三條拋物線(xiàn)和兩條直線(xiàn)復(fù)合而成[17]，因而具有較大的接收角。這種雙管集熱器利用增加的玻璃管接收器增大了對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的接收效果，同時(shí)在管內(nèi)空氣流速相同的條件下，增大了空氣流量，合理的降低了出風(fēng)溫度。

圖1 單、雙管集熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖Fig.1 Structures of air collector with single and double collector tubes

雙管集熱器基本工作原理，太陽(yáng)光線(xiàn)透過(guò)玻璃蓋板射入到槽內(nèi)，一部分光線(xiàn)直接匯聚在空氣集熱管上半部；另一部分光線(xiàn)平行入射到組合曲面上，再經(jīng)過(guò)反射后匯聚在玻璃管接收器上，加熱流入玻璃管接收器內(nèi)的空氣，被加熱的空氣通過(guò)玻璃管接收器出口流出，并輸送至供暖末端。

1.2 雙管集熱器熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)雙管集熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作原理，影響其熱性能因素主要有集熱器管內(nèi)空氣流速、集熱器空氣進(jìn)口溫度、集熱量以及集熱效率等。參照中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4271-2007太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》，可將光線(xiàn)匯聚率、空氣出口溫度、瞬時(shí)集熱量、瞬時(shí)集熱效率、基于進(jìn)口溫度的歸一化溫差-效率等作為雙管集熱器熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1）光線(xiàn)匯聚率ηi

所謂光線(xiàn)匯聚率是指集熱器在某一時(shí)刻匯聚的太陽(yáng)光線(xiàn)占照射到集熱面上的太陽(yáng)總光線(xiàn)的比例（式（1））。該參數(shù)可評(píng)價(jià)集熱器對(duì)太陽(yáng)光線(xiàn)的聚焦效果，根據(jù)該評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用TracePro光學(xué)模擬軟件，即可對(duì)2支玻璃管接收器在槽體內(nèi)相對(duì)位置的光學(xué)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中ηi為光線(xiàn)匯聚率；N1為集熱器匯聚的太陽(yáng)光線(xiàn)數(shù)；N2為集熱面上照射的太陽(yáng)光線(xiàn)總數(shù)。

2）空氣出口溫度To

集熱器空氣出口溫度反映集熱器的送風(fēng)狀況，也反映了為能源利用末端提供的供暖（熱）品質(zhì)。

3）瞬時(shí)集熱量Qτ

瞬時(shí)集熱量是指集熱器某時(shí)刻收集到的熱量，是衡量集熱器的重要指標(biāo)，可根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中Qτ為集熱器瞬時(shí)集熱量，W；G為集熱器內(nèi)的空氣質(zhì)量流量（可根據(jù)式（3）計(jì)算），kg/s；Cp為空氣定壓比熱，J/(kg·K)；To為集熱器空氣出口溫度，℃；Ti為集熱器空氣進(jìn)口溫度，℃。

式中ρ為空氣密度，kg/m3；ν為空氣集熱管內(nèi)空氣流速，m/s；d為空氣集熱管管徑，mm。

4）瞬時(shí)集熱效率η

瞬時(shí)集熱效率是指某一時(shí)刻集熱器所能夠提供的有用能量與當(dāng)時(shí)投射到集熱器采光面上的太陽(yáng)輻射總量之比值，它反映了集熱器在一天中某一時(shí)刻的瞬時(shí)運(yùn)行特性，是評(píng)價(jià)集熱器性能的重要指標(biāo)之一，可根據(jù)式（4）計(jì)算。

式中η為集熱器瞬時(shí)集熱效率；QE為投射到集熱器采光面上的瞬時(shí)太陽(yáng)輻射總量，W；E為某一時(shí)刻傾斜面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；Ag為集熱器采光面積（Ag=BL，B為集熱器開(kāi)口面寬度，m；L為集熱器長(zhǎng)度，m），m2。

5）基于進(jìn)口溫度的歸一化溫差-效率曲線(xiàn)

根據(jù)ASHREA93-2003，集熱器集熱效率與歸一化溫差存在線(xiàn)性關(guān)系（式（5））。根據(jù)歸一化溫差-效率曲線(xiàn)可評(píng)價(jià)集熱器在各種工況下的集熱效率[28]。

式中，η0為太陽(yáng)能空氣集熱器的瞬時(shí)效率最大值；a為太陽(yáng)能空氣集熱器熱損失系數(shù)，W/(m2·℃)；T*為基于集熱器空氣進(jìn)口溫度的歸一化溫差(m2·℃)/W；Ta為環(huán)境溫度，℃。

1.3 雙管集熱器熱性能試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

雙管集熱器熱性能試驗(yàn)系統(tǒng)主要由雙管集熱器、小型管道風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、靜壓箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成（圖2）。其中，雙管集熱器槽體高度為0.6 m、上開(kāi)口寬度為0.55 m，上蓋板為3 mm厚的超白玻璃板；槽體內(nèi)壁面采用反射率為0.9、板厚為0.7 mm的拋光氧化鏡鋁板，鋁板表面為鍍黑鉻選擇性吸收層[29]；槽體內(nèi)置2支玻璃管接收器的管徑均為100 mm；集熱器單元組件長(zhǎng)度為2 m，（試驗(yàn)時(shí)采用2個(gè)單元組件串聯(lián)，為4 m長(zhǎng)）；其中內(nèi)置鋁板卷制而成的吸熱管；風(fēng)機(jī)置于空氣集熱器上游的空氣進(jìn)口側(cè)。試驗(yàn)過(guò)程，集熱器集熱面（上開(kāi)口面）與水平面的傾斜角為64°。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注集熱器內(nèi)空氣溫度、空氣流速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化情況。其中，采用銅-銅鎳T型熱電偶（測(cè)量范圍：?40～350 ℃；精度：±0.1 ℃），分別測(cè)量室外、集熱器進(jìn)口與出口、集熱管內(nèi)沿長(zhǎng)度方向的空氣溫度；空氣流量采用Testo-435型熱線(xiàn)風(fēng)速儀（測(cè)量范圍：0～20 m/s；精度：±0.01 m/s）；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度采用錦州陽(yáng)光能源有限公司的TBQ-2型總輻射儀（測(cè)量范圍為0～2 000 W/m2，測(cè)量精度為±1 W/m2），通過(guò)儀器自帶的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 min。各測(cè)點(diǎn)布置位置如圖2所示。

圖2 雙管集熱器熱工性能試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)造示意圖Fig.2 Thermal performance experimental system of air collector with double collector tubes

1.3.3 試驗(yàn)方案

本研究擬通過(guò)試驗(yàn)研究方法，重點(diǎn)考察2支玻璃管接收器相對(duì)位置、空氣集熱管內(nèi)空氣流速、空氣進(jìn)口溫度、集熱器長(zhǎng)度等因素對(duì)集熱器空氣出口溫度、集熱量、集熱效率等熱工性能參數(shù)的影響規(guī)律，基本試驗(yàn)方案如表1。

表1 基本試驗(yàn)方案Table 1 Experimental programs

2 雙管集熱器熱性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玻璃管接收器相對(duì)位置的影響(方案Ⅰ)

2.1.1 TracePro光學(xué)模擬軟件計(jì)算

為了把握2支玻璃管接收器相對(duì)位置不同對(duì)集熱器太陽(yáng)光線(xiàn)匯聚效果的影響規(guī)律，結(jié)合采用TracePro光學(xué)模擬軟件進(jìn)行比較分析。

2支玻璃管接收器相對(duì)位置根據(jù)偏離焦線(xiàn)的特征分為非軸對(duì)稱(chēng)型與軸對(duì)稱(chēng)型兩大類(lèi)，并選取非軸對(duì)稱(chēng)型的位置1和位置2、軸對(duì)稱(chēng)型的位置3進(jìn)行模擬計(jì)算分析，取集熱器剖面建立坐標(biāo)系，以集熱器反射板對(duì)稱(chēng)中心為原點(diǎn)，以集熱器剖面建立坐標(biāo)系，以集熱器反射板的聚焦點(diǎn)為原點(diǎn)，以集熱器上開(kāi)口方向和左方為正方向，對(duì)應(yīng)3種不同位置時(shí)2支玻璃管接收器的中心坐標(biāo)分別為：位置1(19,87)(?75,180)、位置2(65,88)(?50,158)、位置3(65,105)(?65,105)。圖3為利用TracePro光學(xué)模擬軟件，關(guān)于2支玻璃管接收器相對(duì)位置分別為位置1、位置2和位置3時(shí)晴好天氣12:00時(shí)的集熱器槽體太陽(yáng)光線(xiàn)匯聚及其匯聚率隨時(shí)間的變化模擬結(jié)果。對(duì)應(yīng)3種不同位置的光線(xiàn)匯聚率分別為100%、98%、95%。

圖3 雙管集熱器太陽(yáng)光線(xiàn)匯聚模擬計(jì)算結(jié)果Fig.3 Simulation results of solar concentration of air collector with double collector tubes

另外，因?yàn)楣饩€(xiàn)穿過(guò)玻璃蓋板、玻璃管接收器時(shí)都會(huì)有反射損失和吸收損失（對(duì)輻射能來(lái)說(shuō)），對(duì)于厚度較薄的蓋板和管壁，吸收損失可以忽略；每經(jīng)過(guò)一塊玻璃板的發(fā)射損失約為4%；又拋物面反射鏡（反射鋁板）的發(fā)射率可以達(dá)到95%；綜上，集熱器最高能量效率為(1?4%)2×95%=87.5%。

圖3計(jì)算結(jié)果表明，3種不同位置的太陽(yáng)光線(xiàn)匯聚率峰值雖都出現(xiàn)在11:00～13:00時(shí)段，但位置1的總光線(xiàn)匯聚率明顯大于其他2個(gè)位置，而匯聚率的大小直接影響集熱器的能量效率。

2.1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為在圖4a的傾斜面太陽(yáng)輻射試驗(yàn)條件下，2支玻璃管接收器相對(duì)位置分別為位置1和位置3的集熱器集熱量和集熱效率隨時(shí)間變化實(shí)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，當(dāng)玻璃管接收器內(nèi)空氣流速同為1.2 m/s時(shí)，位置1集熱器的集熱量和集熱效率較位置3集熱器平均提高70 W和10%。

圖4 接收器相對(duì)位置與雙管集熱器熱性能的關(guān)系(方案Ⅰ)Fig.4 Influence between receiver positions and thermal performance of air collector with double collector tubes (CaseⅠ)

2.2 空氣流速的影響（方案Ⅱ）

圖5 反映了管內(nèi)空氣流速變化對(duì)集熱器瞬時(shí)集熱量和集熱效率的影響。由圖5a和圖5b可見(jiàn)，當(dāng)玻璃管接收器內(nèi)空氣流速?gòu)?.2 m/s增大到1.8 m/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的集熱器集熱量和集熱效率也達(dá)到最大，且這種規(guī)律不受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響；繼續(xù)增大空氣流速，對(duì)集熱器集熱量和集熱效率的增加貢獻(xiàn)甚少。即，集熱器的最佳管內(nèi)空氣流速可取為1.8～2.0 m/s。這是因?yàn)榭諝庠诓ＡЧ芙邮掌鲀?nèi)被加熱的作用機(jī)理是受迫對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)的主要因素是空氣流速。根據(jù)傳熱學(xué)理論，當(dāng)空氣流速增大到一定值，對(duì)流換熱系數(shù)不再隨著空氣流速增大而增大，因此相應(yīng)的集熱量和集熱效率變化也趨緩。

圖5 管內(nèi)空氣流速對(duì)集熱器熱性能的影響(方案Ⅱ)Fig.5 Effect of inlet air flow rate on thermal performance of air collectors (Case Ⅱ)

2.3 集熱器空氣進(jìn)口溫度變化的影響（方案Ⅲ）

大量關(guān)于不同進(jìn)口空氣溫度且太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為800 W/m2時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，隨著空氣進(jìn)口溫度的增加，空氣出口溫度呈上升趨勢(shì)，但空氣進(jìn)出口溫差則隨之減少（圖6a）；集熱器的集熱量和集熱效率也呈下降趨勢(shì)（圖6b）。這是因?yàn)椋?dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定，玻璃管接收器表面溫度也趨于一定，集熱器空氣進(jìn)口溫度越高、與玻璃管接收器表面的對(duì)流傳熱溫差將隨之減少，兩者的對(duì)流換熱能力減弱，相應(yīng)的換熱量也隨之減少，進(jìn)而影響集熱器集熱效率。

圖6 管內(nèi)空氣進(jìn)口溫度對(duì)集熱器熱性能的影響(方案Ⅲ)Fig.6 Effect of inlet air temperature on thermal performance of air collectors (Case Ⅲ)

2.4 歸一化溫差-效率曲線(xiàn)

采用最小二乘法，根據(jù)式（5）可得到集熱器歸一化溫差-效率曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 基于不同進(jìn)口溫度的歸一化溫差與效率關(guān)系Fig.7 Relationship between efficiency and normalized temperature difference based on different inlet temperatures

圖7為流量180 m3/h、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度700 W/m2工況下基于不同進(jìn)口溫度的歸一化溫差-效率曲線(xiàn)，可以看出，集熱器集熱效率隨著歸一化溫差的增大而降低，此時(shí)集熱器熱損失系數(shù)為2.62 W·m2/K，當(dāng)歸一化溫差為0時(shí)集熱效率為57.6%，可以由此曲線(xiàn)對(duì)不同進(jìn)口溫度工況下的集熱器集熱效率進(jìn)行判斷。例如當(dāng)集熱器運(yùn)行條件為進(jìn)口溫度20～25 ℃，環(huán)境溫度?10～6 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度700 W/m2時(shí)，此時(shí)歸一化溫差為0.02～0.04 m2·K/W，可以判斷集熱器運(yùn)行效率為44%～52%。

由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，相比Tripanagnostopoulos等[12]設(shè)計(jì)的雙管式Integrated collector storage系統(tǒng)中的水溫最高可達(dá)65 ℃，本研究提出的雙管集熱器的空氣出口溫度可達(dá)75 ℃以上；同時(shí)，該系統(tǒng)在實(shí)測(cè)期間的平均效率為40%左右，對(duì)應(yīng)的歸一化溫差在0.04～0.05 m2·K/W之間，與本研究提出的雙管空氣集熱器結(jié)果相近。

圖8 單、雙管集熱器集熱性能Fig.8 Heat collection performance about air collector with single and double collector tubes

2.5 雙管集熱器與單管集熱器的熱性能比較

圖8 為雙管集熱器與單管集熱器的熱性能比較。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)條件為晴天時(shí)（日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量為20 MJ/m2，正午時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高達(dá)到920 W/m2），相同管內(nèi)空氣流速條件下，雙管集熱器較單管集熱器空氣流量提高一倍，單位面積瞬時(shí)集熱量和瞬時(shí)集熱效率分別提高約16%和9%。

3 應(yīng)用案例

基于第2節(jié)研究結(jié)果，將研制的雙管集熱器與本研究團(tuán)隊(duì)提出的日光溫室太陽(yáng)能主-被動(dòng)“三重”結(jié)構(gòu)相變蓄熱通風(fēng)墻體相結(jié)合構(gòu)成太陽(yáng)能主動(dòng)集熱蓄熱系統(tǒng)，應(yīng)用于烏魯木齊日光溫室（圖9）。如圖9a所示，其中，雙管集熱器由8組集熱器單元組件串聯(lián)而成（總長(zhǎng)度為16 m），集熱器集熱面（上開(kāi)口面）與水平面的傾角為67°，集熱器和溫室后墻由管道相連一起構(gòu)成太陽(yáng)能墻體通風(fēng)加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要工作原理是，空氣通過(guò)集熱器得到加熱后由風(fēng)管送入溫室后墻，在墻體內(nèi)通過(guò)強(qiáng)迫對(duì)流換熱方式加熱墻體；被冷卻后的空氣流出溫室墻體，通過(guò)通風(fēng)管道流入空氣集熱器；周而復(fù)始，不斷循環(huán)。圖9b為該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖。

圖9 應(yīng)用案例Fig.9 Application case

3.1 數(shù)據(jù)采集

為獲得沿空氣集熱器長(zhǎng)度方向空氣溫度變化規(guī)律，在雙管集熱器的玻璃管接收器內(nèi)用銅康銅熱電偶（精度：±0.1 ℃），依次在0 （即集熱器進(jìn)口）、6、10、16 m（即集熱器出口）處布置了4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及室外環(huán)境溫度相應(yīng)的采集方法同2.1.2節(jié)。數(shù)據(jù)采集時(shí)間2015年11月－2016年2月，系統(tǒng)每天運(yùn)行時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間9:30－15:30，雨雪天氣不運(yùn)行。圖10a為太陽(yáng)日累計(jì)輻射能量和環(huán)境溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)測(cè)期間，每支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為2.0 m/s。

圖10 雙管集熱器應(yīng)用結(jié)果Fig.10 Application result of double tubes heat collector

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

3.2.1 集熱系統(tǒng)空氣出口溫度

圖10b反映了日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量為13 MJ/m2條件下，沿玻璃管接收器長(zhǎng)度布置的4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)空氣溫度隨時(shí)間變化規(guī)律?？梢钥闯?，被加熱空氣進(jìn)出口溫差隨著集熱器長(zhǎng)度的增加而增大，當(dāng)集熱器長(zhǎng)度為16 m時(shí)的進(jìn)出口空氣溫差最大可達(dá)52 ℃，且在中午12:30空氣出口溫度達(dá)到最高、約為75 ℃；集熱器起始點(diǎn)（x=0 m）的空氣溫度幾乎不隨時(shí)間變化，相對(duì)比較穩(wěn)定，這是因?yàn)榧療崞鬟M(jìn)口與墻體通風(fēng)道的出口連接，通過(guò)墻體充分對(duì)流換熱后的空氣溫度相對(duì)比較穩(wěn)定、變化不大；其他測(cè)點(diǎn)的空氣溫度均時(shí)間的變化大致趨同且受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響，均在14:00前后達(dá)到最大，這之后隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的快速減弱而迅速下降,到15:30進(jìn)出口空氣溫差幾乎為零。

3.2.2 集熱系統(tǒng)瞬時(shí)集熱量及瞬時(shí)集熱效率

圖10c反映了日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量為13 MJ/m2條件下，集熱器集熱量及集熱效率隨著時(shí)間的變化規(guī)律。圖示結(jié)果表明，集熱器瞬時(shí)集熱量在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大時(shí)（12:30）達(dá)到最大、約為3 930 W；集熱器的瞬時(shí)集熱效率隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化逐漸增大，在15:30達(dá)到最大、為50%，平均集熱效率約為43%。

圖10d反映了不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下沿集熱器長(zhǎng)度方向空氣出口溫度與集熱效率的變化規(guī)律。圖示結(jié)果表明，隨著集熱器長(zhǎng)度的增加，空氣出口溫度呈上升趨勢(shì)，但這種趨緩幾乎不受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的影響；集熱器的瞬時(shí)集熱效率則隨集熱器長(zhǎng)度的增加呈降低趨勢(shì)。其原因同2.2.3節(jié)。

3.2.3 集熱系統(tǒng)累計(jì)提供太陽(yáng)能

根據(jù)圖10a實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)測(cè)期間烏魯木齊地區(qū)晴天高達(dá)65%，投射到集熱器集熱面日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量約為14～20 MJ/m2；多云天較少、約占10%，投射到集熱面日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量約為10～14 MJ/m2；陰天約占15%，投射到集熱面日累計(jì)太陽(yáng)輻射能量約為6～10 MJ/m2；余下則為雨雪天（表2）。根據(jù)3.2.2的實(shí)測(cè)結(jié)果分析，晴天、多云天和陰天，集熱系統(tǒng)通過(guò)日光溫室墻體主動(dòng)蓄熱方式可向日光溫室提供的太陽(yáng)熱能分別為50～65、35～45、20～25 MJ；實(shí)測(cè)期間集熱系統(tǒng)累計(jì)為日光溫室提供了5 325 MJ的太陽(yáng)熱能。

表2 冬季不同天氣條件下集熱器日集熱量Table 2 Daily heat collection in different weather conditions in winter

4 結(jié) 論

本研究提出了一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器，大量試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究結(jié)果表明：

1）新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器具有空氣流量大、集熱效率高、維護(hù)管理方便的特點(diǎn)，與同類(lèi)型的單管集熱器相比，空氣流量增加了100%、單位面積集熱量增加了16%，集熱效率提高了9%，冬季無(wú)跟蹤條件下的集熱效率為44%～52%。

2）該集熱系統(tǒng)應(yīng)用于烏魯木齊日光溫室，2015年11月－2016年2月的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在集熱器長(zhǎng)度為16 m、集熱器空氣集熱管內(nèi)空氣流速為2.0 m/s的條件下，晴天集熱系統(tǒng)可為日光溫室提供的太陽(yáng)熱能約為50～65 MJ，多云天可提供的太陽(yáng)能約為35～45 MJ，即使陰天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度很弱的條件下也可提供20～ 25 MJ的太陽(yáng)熱能。該集熱系統(tǒng)通過(guò)日光溫室墻體主動(dòng)蓄熱方式冬季累計(jì)可為日光溫室提供約為5 325 MJ的太陽(yáng)能。

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Thermal performance experiment for multiple clamber trough solar air collector with dual collector tubes for solar greenhouse

Chen Chao1, Zhang Mingxing1, Zheng Hongfei2, Li Na1, Ma Xinglong2, Ling Haoshu1, Ma Caiwen3, Zou Ping3
(1. College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 3. Institute of Agricultural Mechanization, Xinjiang Academy of Agricultural Science, Urumqi 830091, China)

Because of its simple structure, pipeline without cracking in winter and other advantages, solar air collectors are getting more and more applications in industry, agriculture and residence. However, air has the disadvantages of small specific heat and density, so how to increase the collector efficiency and heat collection of air collectors has become the focus of research on solar air collectors. In recent years, multi-surface condenser air collector has gradually developed, which has the advantages of small size, easy installation and maintenance management, and high outlet temperature. Our research team has put forward a multi-chamber trough solar air collector with single collector tube. However, it has the shortcomings of low air flow and low heat collection efficiency however. In order to improve solar greenhouse solar energy utilization, this study proposed a new type of multi-chamber trough solar air collector with dual collector tubes to improve the collector performance. This collector is combined with the heat storage ventilation wall of solar greenhouse with solar active-passive “triple”structural phase change to constitute the active solar thermal storage system, which is used in Urumqi solar greenhouse. Based on the theory of optics and heat transfer, the experiment was designed and carried out to investigate the influence discipline of different parameters on thermal performances and optical performances for multi-chamber trough solar air collector with dual collector tubes. The parameters include the structure size (the relative position and the length of double collector tubes), air velocity inside the collector, inlet air temperature, and solar radiation. The test instruments include air collector, temperature sensor, flowmeter and data collection system. The experiment results illustrate that the collector performance of the double-tube collector is better than that of the single tube collector. Compared with the single collector tube concentrator, the air flow of the dual increased by 100%, the heat collection per unit area of the dual increased by 16%, and the heat collection efficiency of the dual increased by 9% (the heat collection efficiency of the dual was 44%-52% without tracking in winter). The relative position of double collector tubes, air velocity inside the collector and inlet air temperature were discussed in the study. The relative position 1 of double collector tubes is the best and the best air flow rate in the tube is 1.8-2.0 m/s. The collector was also applied to the solar greenhouse in Urumqi, and the results illustrate that: From November 2015 to February 2016, when the collector length is 16 m and the air velocity inside the concentrator is 2.0 m/s, the heat collecting system can provide solar thermal energy of about 50-65 MJ/day for solar greenhouse on the condition of sunny days, 35-45 MJ/day on the condition of cloudy days and 20-25 MJ/day on the condition of overcast days which have weak solar radiation. The heat collecting system can provide solar thermal energy of about 5 325 MJ for solar greenhouse by active heat storage of the wall in whole winter. This study can provide the reference for the thermal performance optimization of the collector and the new technical support for the efficient use of solar energy in solar greenhouse.

greenhouses; solar energy; temperature; air collector; concentrating performance; heat collection performance; application

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.031

S625.1

A

1002-6819(2017)-15-0245-08

2017-01-08

2017-07-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51578012、51378024）?！笆濉眹?guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（課題編號(hào):2016YFC0700206），綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

陳超，女，湖南人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事相變蓄熱技術(shù)與可再生能源技術(shù)研究。北京 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，100124。

Email：chenchao@bjut.edu.cn