新型太陽能空氣集熱器性能研究及供暖測(cè)試

劉杰， 陳安娟， 張俊

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院， 青島 266000)

能源是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗量不斷增加，傳統(tǒng)化石能源供應(yīng)日趨緊張，引發(fā)的環(huán)境問題日益突出，尋找清潔可再生的替代能源成為社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1-2]。太陽能作為清潔、無污染、可再生能源引起社會(huì)的廣泛關(guān)注[3-4]，作為可再生能源的重要利用方式之一，太陽能熱利用在全球廣泛應(yīng)用于熱水制備、太陽能空調(diào)、太陽能供暖和工農(nóng)業(yè)加熱等領(lǐng)域，而太陽能在供暖領(lǐng)域的有效利用對(duì)建筑節(jié)能起著重要的作用，因此太陽能供暖成為目前太陽能熱利用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[5-6]。在中國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)冬季主要采用燃柴、燃煤、燃?xì)獾姆绞饺∨?，供暖季利用太陽能進(jìn)行取暖，既能夠解決燃煤、燃柴帶來的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)問題，真正實(shí)現(xiàn)清潔供熱，還能夠緩解用氣壓力[7]，具有明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)效益[8]。目前常用的太陽能采暖系統(tǒng)多以水為傳熱介質(zhì)，在使用過程中存在泄露、凍裂及結(jié)垢等問題，因此換熱好，運(yùn)行安全穩(wěn)定的空氣集熱器成為研究的重點(diǎn)[9-11]。隨著集熱器技術(shù)的發(fā)展，一些新型結(jié)構(gòu)的真空管太陽能空氣集熱器研究及應(yīng)用取得較好成果[12]。董吉斌等[13]搭建了真空管式太陽能空氣集熱器供暖系統(tǒng)進(jìn)行采暖測(cè)試，結(jié)果表明，該采暖方式在環(huán)境溫度不低于-15 ℃的地區(qū)，當(dāng)太陽輻照強(qiáng)度大于400 W/m2，能滿足白天大部分時(shí)間采暖的要求。李彩霞等[14]基于太陽能空氣集熱器組成新型的太陽能干燥/采暖聯(lián)合系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明該聯(lián)合系統(tǒng)能夠滿足農(nóng)戶對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品干燥和家庭采暖的兩種需求。

空氣式真空管集熱器以空氣為傳熱介質(zhì)，具有抗凍性好、不結(jié)垢、無腐蝕、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于太陽能干燥、太陽能采暖等領(lǐng)域[15]。但普通的空氣集熱器在使用過程中因采用雙流道，風(fēng)量小、流道長(zhǎng)導(dǎo)致真空管中的熱量利用不充，真空管內(nèi)保持較高的溫度，不利于真空管再次吸收熱量，降低了真空管換熱效率。為有效解決上述問題，現(xiàn)研究一種新型雙通空氣式太陽能真空集熱器，并搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)集熱器熱性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)該集熱器應(yīng)用于農(nóng)村戶用采暖時(shí)的供暖效果進(jìn)行測(cè)試分析，旨在證明空氣式太陽能集熱器在供暖領(lǐng)域的應(yīng)用中具有較強(qiáng)的可行性。

1 雙通空氣式真空管太陽能集熱器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

為獲得更高的換熱效率和減少真空管受熱應(yīng)力而產(chǎn)生的破損，設(shè)計(jì)并研究了新型雙通空氣式真空管太陽能集熱器，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型雙通真空管太陽能空氣集熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of new double pass vacuum tube solar air collector

由圖1可知，雙通空氣式真空管太陽能集熱器主要由進(jìn)出風(fēng)聯(lián)集箱，真空集熱管及框架組成。集熱器進(jìn)風(fēng)聯(lián)集箱與出風(fēng)聯(lián)集箱通過密封圈與雙通空氣式太陽能真空集熱管相連，空氣由風(fēng)機(jī)送入進(jìn)風(fēng)聯(lián)集箱后分配到不同的真空管內(nèi)進(jìn)行吸熱，吸收熱量后的空氣進(jìn)入出風(fēng)聯(lián)集箱進(jìn)行送風(fēng)。雙通直流式全玻璃太陽能真空集熱管頭部和尾部互通，雙通直流，能夠快速將熱量導(dǎo)出，使集熱管處于最佳工作狀態(tài)；進(jìn)風(fēng)口徑大，風(fēng)量大，真空管吸收的熱量被充分利用，換熱效率高；真空管內(nèi)管出風(fēng)口端設(shè)有8個(gè)膨脹節(jié)，起緩沖作用，避免工作過程中因冷熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致真空管破損?？諝庑吞柲芗療崞骶唧w參數(shù)如表1所示。

表1 新型太陽能空氣集熱器參數(shù)

1.2 工作原理

空氣由風(fēng)機(jī)送入進(jìn)風(fēng)聯(lián)集箱后流入不同的直通式真空集熱管，太陽輻射透過外玻璃管照射到涂有選擇性吸收涂層的內(nèi)玻璃管上，吸收涂層充分吸收入射太陽輻射能后將其轉(zhuǎn)化為熱能，并通過輻射和對(duì)流形式將熱量傳遞給進(jìn)入管內(nèi)的空氣，空氣在被加熱升溫的過程中將有用熱能帶走，與此同時(shí)，被加熱的吸熱管透過玻璃管向周圍環(huán)境散失部分熱量。

2 集熱器熱性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用空氣作為循環(huán)工質(zhì)，通過風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Test system diagram

整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)包括太陽能系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。太陽能系統(tǒng)包括集熱器、風(fēng)機(jī)，支架。測(cè)試系統(tǒng)包括氣象參數(shù)測(cè)試和集熱器系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試兩部分。氣象參數(shù)測(cè)試包括環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速、太陽輻照強(qiáng)度。集熱器測(cè)試包括風(fēng)量、集熱器進(jìn)出口風(fēng)溫度。試驗(yàn)主要測(cè)試儀器及集熱器安裝環(huán)境如表2和表3所示。

表2 試驗(yàn)主要測(cè)試儀器

表3 集熱器安裝環(huán)境

2.2 集熱器集熱效率計(jì)算

集熱器瞬時(shí)效率(ηi)定義為在某一時(shí)間內(nèi)吸收的有用能(Q)與入射的太陽輻射能之比[16]。

(1)

Q=mCf(Te-Ti)

(2)

式中：Q為集熱器吸收的有效熱量，W；Aa為集熱器采光面積，m2；Is為太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；m為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；Cf為傳熱工質(zhì)比熱容，J/(kg· ℃)；Te為工質(zhì)出集熱器的溫度， ℃；Ti為工質(zhì)進(jìn)集熱器的溫度， ℃。

(3)

式(3)中：Ta為環(huán)境溫度， ℃。

將試驗(yàn)測(cè)得的工質(zhì)進(jìn)出口溫度、流量、太陽輻射強(qiáng)度代入式(1)～式(3)中計(jì)算出各離散點(diǎn)的值，通過最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，即可獲得以歸一化溫差為參考的瞬時(shí)效率曲線方程[17]，其形式為

(4)

式(4)中：η為基于歸一化溫差的瞬時(shí)效率；ηo為集熱器可獲得的最大集熱效率；UL為集熱器總熱損失系數(shù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在德州地區(qū)搭建了上述試驗(yàn)臺(tái)對(duì)新型太陽能集熱器熱性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為2020年8月14日8:30—16:00,當(dāng)日天氣晴朗，間或少云，微風(fēng)。測(cè)試過程中空氣質(zhì)量流量恒定在0.018 kg/s，測(cè)試期間環(huán)境溫度為16～19 ℃。

由圖3可知，集熱器出風(fēng)溫度隨太陽輻照強(qiáng)度的變化而變化，集熱器進(jìn)風(fēng)溫度變化不大。隨著太陽輻照度的增加，集熱器出風(fēng)溫度及進(jìn)出口溫差增加，太陽輻照強(qiáng)度在12:40達(dá)到最大值728 W/m2，集熱器最高出風(fēng)溫度可達(dá)92.3 ℃，出現(xiàn)在12:45，相比最大輻照強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間略晚，這是由于集熱器將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化成熱能并將其傳遞給工作介質(zhì)的過程中需要一定的時(shí)間。

由圖4可知，集熱器瞬時(shí)效率隨著太陽輻照強(qiáng)度的變化而變化。在12:45瞬時(shí)效率達(dá)到最大值為0.758,此時(shí)集熱器進(jìn)出口溫差最大，工質(zhì)帶走的有用能最多，使得集熱器瞬時(shí)效率最高；集熱器瞬時(shí)平均集熱效率為0.667，相比較普通空氣集熱器效率較高。

圖3 集熱器出口溫度隨太陽輻照度變化Fig.3 Variation of collector outlet temperature withsolar irradiance

圖4 集熱器瞬時(shí)效率Fig.4 Instantaneous efficiency of collector

圖5是基于歸一化溫差的瞬時(shí)效率擬合曲線。根據(jù)集熱器進(jìn)出口溫度和太陽輻照強(qiáng)度得到該集熱器瞬時(shí)效率曲線方程為

(5)

當(dāng)集熱器與外界基本無熱交換時(shí)，集熱器效率極限為0.758；當(dāng)集熱器工作介質(zhì)溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，真空管向外散熱，效率曲線斜率為-2.092，即集熱器熱損系數(shù)為2.092 W/(m2· ℃)。進(jìn)風(fēng)溫度越高，太陽輻照強(qiáng)度越小，瞬時(shí)效率越低，即高溫運(yùn)行時(shí)集熱器的熱性能較差。

圖5 瞬時(shí)效率擬合曲線Fig.5 Instantaneous efficiency fitting curve

3 農(nóng)村獨(dú)立民居冬季供暖應(yīng)用初步研究

本文研究的供暖系統(tǒng)位于山東省德州市平原縣某農(nóng)村建筑上，供暖面積50 m2。建筑原采用家用空調(diào)器取暖，現(xiàn)增加太陽能系統(tǒng)和電加熱聯(lián)合供暖。室內(nèi)采暖設(shè)計(jì)溫度16～24 ℃。

太陽能系統(tǒng)包括2臺(tái)新型空氣集熱器、2臺(tái)100 W風(fēng)機(jī)及若干風(fēng)管，風(fēng)管外部設(shè)有保溫層，在出風(fēng)口處設(shè)置電加熱，輔助供暖，兩臺(tái)集熱器采用串聯(lián)方式連接，系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖6 太陽能+電加熱供暖系統(tǒng)圖Fig.6 Solar+electric heating system diagram

圖7 太陽能+家用空調(diào)器供暖系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Physical drawing of solar energy+household air conditioner heating system

系統(tǒng)控制原理：太陽能空氣集熱器出口及室內(nèi)裝有溫度傳感器，當(dāng)集熱器出口溫度高于35 ℃時(shí)，開啟兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，在回風(fēng)機(jī)牽引下室內(nèi)空氣進(jìn)入集熱器內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱后的空氣通過主風(fēng)機(jī)經(jīng)送風(fēng)管直接送至室內(nèi)進(jìn)行供暖，循環(huán)送風(fēng)，使室內(nèi)溫度不斷升高，直至達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度；當(dāng)集熱器出口溫度處于15～35 ℃時(shí)，開啟風(fēng)機(jī)的同時(shí)利用電加熱輔助供暖；當(dāng)出口溫度低于15 ℃時(shí)關(guān)閉風(fēng)機(jī)及電加熱，開啟家用空調(diào)器取暖，供暖系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示。為了更好地研究該新型太陽能集熱器在實(shí)際供暖中的供暖效果，因此在測(cè)試過程中僅開啟太陽能供暖系統(tǒng)。

本文只研究該聯(lián)合系統(tǒng)在太陽能單獨(dú)供暖情況下的供暖效果，測(cè)試時(shí)間為2021年1月1號(hào)、2號(hào)的9:00—17:00，測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 晴天條件下集熱器出口溫度及室內(nèi)外溫度變化曲線Fig.8 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under sunny conditions

圖8為晴天條件下集熱器出口溫度及室內(nèi)外溫度變化曲線。由圖8(a)可知集熱器出口溫度隨太陽輻射度的變化呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。在12:40左右太陽輻照強(qiáng)度達(dá)到最大值為512 W/m2，隨后集熱器出口溫度達(dá)到最大值為53 ℃，這是因?yàn)榧療崞鲗⑻柲苻D(zhuǎn)化成熱能需要一定的時(shí)間，因此集熱器最高出口溫度略晚于最大輻照強(qiáng)度出現(xiàn)的時(shí)間；由圖8(b)可知供暖房間溫度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，而非供暖房間溫度及環(huán)境溫度變化不大，9:30左右太陽能集熱器出口溫度高于35 ℃，此時(shí)室內(nèi)溫度開始高于16 ℃，室內(nèi)溫度在12:50左右達(dá)到最大值，為26.1 ℃，在12:00—14:00期間，太陽輻射強(qiáng)，環(huán)境溫度較高，集熱器出口溫度及室內(nèi)溫度較高。14:00之后隨著太陽輻射強(qiáng)度的減弱集熱器吸收的熱量減少，送風(fēng)溫度降低，室內(nèi)溫度逐漸下降，在16:10時(shí)送風(fēng)溫度降低至31 ℃，室內(nèi)溫度開始低于16 ℃，不能滿足室內(nèi)供暖需求。在晴天條件下，白天平均環(huán)境溫度2.98 ℃時(shí)，非采暖房間溫度較低，平均溫度為4.6 ℃，而完全依靠太陽能進(jìn)行采暖的房間可滿足室內(nèi)溫度要求(16 ℃以上)的供暖時(shí)長(zhǎng)可達(dá)7 h，因此該太陽能空氣集熱器供暖效果十分理想。

圖9 多云條件下集熱器出口溫度及室內(nèi)外溫度變化曲線Fig.9 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under cloudy conditions

圖9為多云天氣條件下集熱器出口溫度及室內(nèi)外溫度變化曲線。由圖9(a)可知集熱器出口溫度隨太陽輻照度的變化波動(dòng)較大，太陽輻照強(qiáng)度最大值為426 W/m2，集熱器最高出口溫度為46 ℃，由圖9可知在9:20左右集熱器出口溫度開始高于35 ℃，室內(nèi)溫度開始持續(xù)高于16 ℃，隨著太陽輻照強(qiáng)度的變化集熱器出口溫度及供暖房間溫度不斷變化，但室內(nèi)溫度基本滿足白天大部分時(shí)間段的供暖需求，在15:30時(shí)送風(fēng)溫度低于30 ℃，室內(nèi)溫度開始持續(xù)低于16 ℃，僅依靠太陽能不能滿足室內(nèi)供暖需求。在多云天氣下，白天平均環(huán)境溫度為2.6 ℃時(shí)，非采暖房間的平均溫度為4.5 ℃，熱舒適性極差，而完全依靠太陽能進(jìn)行采暖的房間室內(nèi)溫度高于16 ℃的時(shí)長(zhǎng)雖少于晴天天氣，但滿足供暖條件的時(shí)長(zhǎng)仍然超過6 h，基本滿足白天大部分時(shí)間的室內(nèi)供暖需求。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)集熱器出口溫度不能滿足要求時(shí)，開啟電加熱輔助供暖或者關(guān)閉風(fēng)機(jī)利用家用空調(diào)器取暖，能夠滿足室內(nèi)24 h取暖。因本文主要研究該新型太陽能空氣集熱器單獨(dú)供暖時(shí)的供暖效果，因此不再對(duì)聯(lián)合供暖系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

4 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析及運(yùn)行維護(hù)

4.1 改進(jìn)前后系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

該農(nóng)戶冬季原采用兩臺(tái)家用空調(diào)器進(jìn)行供暖，改進(jìn)后的供暖系統(tǒng)在原有家用空調(diào)器的基礎(chǔ)上新增了空氣型太陽能集熱器作為冬季白天室內(nèi)采暖的主要設(shè)備。設(shè)定設(shè)備使用年限為15 a，每天供暖時(shí)間為15 h，采暖時(shí)長(zhǎng)為90 d，白天太陽能供暖時(shí)長(zhǎng)為6.5 h。則改進(jìn)前后供暖系統(tǒng)的初投資及運(yùn)行費(fèi)用比較如表4所示。

通過表4可以得出采用太陽能集熱器+家用空調(diào)器雖然初投資較高，但其運(yùn)行費(fèi)用及總投資更低，即改進(jìn)后的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，且更加節(jié)能環(huán)保。

表4 改進(jìn)前后供暖設(shè)備初投資及運(yùn)行費(fèi)用Table 4 Initial investment and operation cost of heating equipment before and after improvement

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)

本文所提到的熱泵即家用空調(diào)器，在改進(jìn)后的供暖系統(tǒng)中獨(dú)立存在，與太陽能供暖系統(tǒng)不存在直接耦合關(guān)系，因此對(duì)于改進(jìn)后的太陽能+熱泵供暖系統(tǒng)而言，系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，當(dāng)太陽能集熱器出風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)通過送風(fēng)管道向室內(nèi)直接送熱風(fēng)，當(dāng)太陽能集熱系統(tǒng)提供的熱量無法滿足室內(nèi)需求時(shí)關(guān)閉集熱系統(tǒng)，開啟空調(diào)，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，太陽能供暖系統(tǒng)中工作介質(zhì)為空氣，集熱器不存在漏水或者冬天凍裂等問題，只需對(duì)送回風(fēng)管道做好保溫減少熱量散失即可，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

通過搭建新型雙通真空管太陽能空氣集熱器測(cè)試平臺(tái)，對(duì)新型集熱器的基本熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時(shí)將該新型太陽能集熱器在山東德州某農(nóng)村進(jìn)行供暖應(yīng)用，搭建了太陽能-熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)，并對(duì)單獨(dú)采用太陽能系統(tǒng)供暖時(shí)房間供暖效果進(jìn)行初步研究，最終獲得如下結(jié)論。

(1)新型雙通空氣式太陽能真空集熱管，管徑大，風(fēng)量大，換熱充分；真空管內(nèi)管出風(fēng)口端設(shè)有8個(gè)膨脹節(jié)，起緩沖作用，避免工作過程中因冷熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致真空管破損，與普通空氣集熱器相比，運(yùn)行更加安全、可靠，集熱效率更高。

(3)通過對(duì)單獨(dú)采用太陽能供暖系統(tǒng)的室內(nèi)進(jìn)行取暖效果分析，發(fā)現(xiàn)在晴朗天氣條件下，太陽輻照強(qiáng)度持續(xù)大于250 W/m2，集熱器出風(fēng)溫度高于30 ℃，室內(nèi)溫度高于16 ℃，該系統(tǒng)可滿足室內(nèi)供暖的時(shí)長(zhǎng)超過7小時(shí)，在多云天氣下，可滿足室內(nèi)供暖需求的時(shí)超過6 h，基本滿足白天大部分時(shí)間的供暖需求。

(4)采用新型空氣式太陽能集熱器進(jìn)行供暖，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，熱風(fēng)直接送入房間，減少中間換熱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)換熱效率高，且集熱器出風(fēng)量大，房間得熱快，室內(nèi)升溫快，房間預(yù)熱時(shí)間短,且經(jīng)濟(jì)環(huán)保。