李金平，孔 瑩，許 哲，司澤田

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730050）

全玻璃真空管太陽能陣列供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)

李金平，孔 瑩，許 哲，司澤田

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)試驗(yàn)室，蘭州 730050）

為了研究實(shí)際工況下全玻璃真空管太陽能集熱器系統(tǒng)的動態(tài)供暖性能，通過試驗(yàn)研究和理論分析得出了儲熱水箱總熱損系數(shù)、太陽能集熱器陣列集熱效率的回歸方程以及系統(tǒng)太陽能利用率的計算公式，結(jié)果表明：2015年11月24日至2015年12月5日，儲熱水箱總熱損系數(shù)為25.82～31.53 W/℃，全玻璃真空管太陽能集熱器陣列的集熱效率為38%～72%。以2015年11月30日為例，系統(tǒng)的太陽能利用率為37.1%，太陽能集熱器所收集的熱量僅有54.6%被利用，系統(tǒng)熱損過大。通過對比系統(tǒng)供熱量和建筑逐時耗熱量發(fā)現(xiàn)：在供暖期間，系統(tǒng)所提供的熱量遠(yuǎn)大于該段時間的建筑耗熱量，特別是在供暖初期，供熱量達(dá)到了該時段建筑耗熱量的10倍以上，供熱量和供暖時間過于集中；針對此問題提出了單戶太陽能供暖系統(tǒng)運(yùn)行策略的改進(jìn)建議。

太陽能；熱損；建筑；全玻璃真空管太陽能集熱器供暖系統(tǒng)；低溫地板輻射采暖

0 引 言

西北地區(qū)普遍處在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季采暖期長達(dá)5～6個月，農(nóng)村住宅建筑冬季采暖能耗在建筑總能耗中所占的比例很大[1]，但同時西北地區(qū)太陽能資源豐富，充分的利用太陽能來滿足農(nóng)戶冬季采暖需求具有重要的節(jié)能與環(huán)保意義[2]。

為了利用太陽能來滿足用戶冬季的采暖需求，國內(nèi)外學(xué)者對太陽能供暖技術(shù)做了大量的研究。Rekstad等[3]發(fā)現(xiàn)主動式供暖能耗比空氣-水源熱泵供暖能耗低15%～20%。Yu等[4]提出了一種用于建筑供暖、包括被動式和主動式雙重功能的太陽能空氣集熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)南向的房間采用被動式采暖、北向的房間采用主動式采暖時，室內(nèi)平均溫度可達(dá)到17 ℃。Mehdaoui等[5]提出了一種太陽能供暖系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Chung等[6]對帶有跨季儲熱裝置的太陽能集中供熱系統(tǒng)的熱性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了預(yù)測。Ren等[7]提出了一種用于太陽能供暖系統(tǒng)的新型輻射末端裝置，通過建立三維模型分析了其供暖性能，當(dāng)供暖溫度為30 ℃時，供熱管道末端散熱功率為每米50 W，室內(nèi)溫度可達(dá)22 ℃。Lundh等[8]研究了為50戶建筑供暖的太陽能供熱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)由于儲熱水箱太小，儲熱水箱的熱損達(dá)到了儲熱量的40%。在國內(nèi)，王岳人等[9]動態(tài)模擬了建筑全年的供暖能耗。趙薇等[10]設(shè)計搭建了一種太陽能-低溫?zé)峁艿匕遢椛洳膳到y(tǒng)，室內(nèi)溫度能夠達(dá)到22 ℃。李宏燕等[11]利用太陽能地板輻射供暖系統(tǒng)向室內(nèi)供暖，可維持室內(nèi)平均溫度高于環(huán)境平均溫度12 ℃。崔成遼等[12]搭建了太陽能和電鍋爐相結(jié)合的地板輻射供暖系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在房間供暖負(fù)荷中，太陽能供熱量占到80%左右，此系統(tǒng)能夠滿足房間冬季供暖需求。李金平等[13-15]針對基于太陽能采暖系統(tǒng)的農(nóng)村綠色建筑的供能問題進(jìn)行了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。

全玻璃真空管太陽能集熱器在建筑采暖中有著廣闊的應(yīng)用空間，國內(nèi)外許多學(xué)者對全玻璃真空管太陽能集熱器進(jìn)行了多方面的研究[16]。Daghigh等[17]建立了全玻璃真空管太陽能集熱器熱力學(xué)和火用分析的熱力模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了熱水負(fù)荷與系統(tǒng)性能之間的直接關(guān)系，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的火用效率隨著時間的推移而提高。Budihardjo等[18-19]研究了自然循環(huán)的全玻璃真空管集熱器循環(huán)水流量的影響因素，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水流量與集熱器接收的太陽輻射強(qiáng)度、水箱溫度、集熱器傾角及真空管的高寬比有關(guān)。Budillarolzo[20]對全玻璃真空管太陽能集熱器內(nèi)自然對流流場進(jìn)行了CFD模擬和試驗(yàn)測量。Kim等[21]研究了真空管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對集熱器熱效率的影響。Mazarrón等[22]研究了真空管太陽能集熱器在不同水箱溫度的情況下供暖的可行性。Gao等[23]對全玻璃真空管集熱器與U型真空管集熱器的集熱效率進(jìn)行了對比分析。本團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全玻璃真空管太陽能集熱器與燃煤鍋爐互補(bǔ)的供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)2014―2016年連續(xù)2個采暖季的太陽能替代煤炭的能源替代率分別達(dá)到了64.6%～82.6%，整個采暖季室內(nèi)的平均溫度達(dá)到14 ℃左右，采暖效果非常好[24-25]。

現(xiàn)有太陽能采暖研究集中在整個采暖期系統(tǒng)的供暖性能和全玻璃真空管太陽能集熱器集熱效率的影響因素上，幾乎沒有關(guān)于實(shí)際供暖運(yùn)行策略對單體建筑太陽能采暖系統(tǒng)某一日逐時動態(tài)供暖性能的影響方面的研究。相同的太陽能采暖系統(tǒng)在不同的運(yùn)行策略下所提供的供暖效果差異很大。且太陽能采暖系統(tǒng)具有不同于傳統(tǒng)采暖系統(tǒng)的特點(diǎn)——供能不穩(wěn)定和集熱面積有限，且系統(tǒng)的集熱高峰期往往與建筑的耗熱量高峰期相錯開。針對這個問題，本文在團(tuán)隊(duì)前期[24-25]研究的基礎(chǔ)上，對甘肅省民勤縣所構(gòu)建的全玻璃真空管太陽能采暖系統(tǒng)進(jìn)行了更加深入的研究，通過理論和試驗(yàn)研究了實(shí)際運(yùn)行方式下系統(tǒng)的動態(tài)供暖性能，并提出了改進(jìn)建議。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象

本文以甘肅省民勤縣張麻新村搭建的一套由6組豎管式全玻璃真空管太陽能集熱器串聯(lián)組成的陣列供暖系統(tǒng)作為試驗(yàn)對象。每組集熱器主要由40支φ58×L1800全玻璃真空管和一個400 L儲熱水箱組成，采光面積約為3.85 m2，全玻璃真空管太陽能集熱器陣列的總采光面積約為23.1 m2，集熱器方位角為南偏西約40°，集熱平面與水平面夾角45°。陣列的供暖對象為一座單體單層建筑，建筑占地面積為117 m2，住宅面積103 m2，層高2.8 m，實(shí)際供暖面積87 m2，包括一間客廳和三間臥室。建筑外層采用聚苯板保溫，使用低溫地板采暖，室內(nèi)布局如圖1所示。圖2為太陽能采暖系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)的運(yùn)行策略為：每日17:30～23:00為供暖時間，在此期間，控制系統(tǒng)控制供暖水泵每運(yùn)行8 min停止5 min。

圖1 建筑平面布置和尺寸圖Fig.1 Building layout and dimension drawings

圖2 采暖系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating system

1.2 測量參數(shù)與儀器

本文對太陽輻照度、環(huán)境溫度、室外風(fēng)速、供暖流量、儲熱水箱溫度、供暖進(jìn)出口溫度等參數(shù)進(jìn)行了測量，所有測量參數(shù)均由Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀自動采集和記錄，自動采集和記錄間隔為10 s。測試期為2015年11月24日至2015年12月5日，該段時間太陽能系統(tǒng)獨(dú)立供暖，無燃煤鍋爐輔助。表1給出了測量參數(shù)和測量儀器的相關(guān)信息。

表1 測量儀器的型號及技術(shù)參數(shù)Table 1 Types and technical parameters of measure instruments

1.3 計算方法

全玻璃真空管太陽能集熱器陣列供暖時，儲熱水箱的水在供暖水泵的驅(qū)動下，通過低溫地板給室內(nèi)供暖。全玻璃真空管太陽能集熱器陣列吸收的太陽能一部分給室內(nèi)供暖，另一部分通過儲熱水箱和室外管道損失到了環(huán)境中。由于管道的保溫措施良好且管道的外表面積與儲熱水箱的外表面積相比很小，因此本文研究時忽略了管道熱損失，只考慮儲熱水箱的熱損失。

太陽能供暖系統(tǒng)的能量平衡式如下：

式中qu為集熱器陣列集熱功率，W；ηc為集熱器陣列效率；A0為集熱器陣列的采光面積，m2；IT為集熱器陣列采光平面上單位面積所接收的瞬時太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；L為儲熱水箱通過地?zé)岜P管供暖的熱功率，W；(mCp)s為儲熱水箱中水的質(zhì)量與比熱容的乘積，即儲熱水箱中水的總熱容，J/℃；dTtank/dτ為水箱溫度隨時間的變化率，℃/s；(UA)s為儲熱水箱的熱損系數(shù)與水箱表面積總和的乘積，即儲熱水箱的總熱損系數(shù)，W/℃；Ttank為儲熱水箱的溫度，℃；Tamb為環(huán)境溫度，℃；(mCp)L為系統(tǒng)循環(huán)管路中的水的質(zhì)量流量與水的比熱容的乘積，W/℃；Tf,o為集熱器陣列的出口流體溫度，℃；Tf,i為集熱器陣列的進(jìn)口流體溫度，℃。

1.3.1 儲熱水箱總熱損系數(shù)

當(dāng)夜間系統(tǒng)不供暖時，儲熱水箱處在自然散熱的狀態(tài)，其能量平衡方程如下：

對上式進(jìn)行整理可得關(guān)于時間段τ的函數(shù)：

顯然，儲熱水箱總熱損系數(shù)(UA)s是該函數(shù)的斜率。

1.3.2 全玻璃真空管太陽能集熱器陣列集熱效率

當(dāng)系統(tǒng)只集熱不供暖時，其能量平衡方程如下：

對上式進(jìn)行整理可得關(guān)于集熱器陣列采光平面上所接受的總的太陽輻射能IT的函數(shù)：

全玻璃真空管太陽能集熱器陣列的集熱效率ηc為該函數(shù)的斜率。

1.3.3 系統(tǒng)的太陽能利用率

由式（1）可得集熱器陣列的日平均效率ηc為

式中ηc為集熱器陣列的日平均效率；Δt為數(shù)據(jù)采集的時間間隔，s；n為日照時長，h；IT為日平均太陽輻射強(qiáng)度，W/m2；ΔTtank為儲熱水箱全天24 h周期的起始溫度差，℃。

集熱器陣列的日平均集熱效率僅僅表示了某日太陽能集熱器陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的能力，但由于其中一部分熱能會以熱損的形式散失到環(huán)境中，因而無法表征究竟有多少太陽能被太陽能供暖系統(tǒng)所利用，因此定義太陽能供暖系統(tǒng)的太陽能利用率為

由式（6）和式（7）可以看出：φ<ηc，圖3表示了集熱器陣列日平均集熱效率ηc與太陽能供暖系統(tǒng)的太陽能利用率φ之間的關(guān)系。

圖3 集熱器陣列的日平均效率與系統(tǒng)的太陽能利用率的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between collection efficiency of solar collection array and solar energy utilization

1.3.4 建筑逐時耗熱量

為了研究冬季建筑耗熱量隨時間的變化規(guī)律，進(jìn)而研究太陽能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略，本文引入建筑逐時耗熱量的計算。建筑逐時耗熱量即按小時計算的建筑耗熱量，室外計算溫度取某小時的室外平均溫度，室內(nèi)計算溫度取14 ℃[26]。

對《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》[27]中的冬季采暖耗熱量的公式進(jìn)行修改，提出建筑的逐時耗熱量計算公式

式中(qH)j、(qHT)j、(qINF)j、(qIH)j分別為某一天中第j小時的建筑耗熱量、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量、空氣滲透耗熱量、建筑物內(nèi)部得熱量，W。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的耗熱量(qHT)j按下式計算

式中Ti為室內(nèi)計算溫度，℃；(Te)j為某一天中第j小時的室外平均溫度，℃；ε為各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；K為建筑各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為各個圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2。

空氣滲透耗熱量(qINF)j按下式計算

式中pc為空氣的比熱容，取0.28 W·h/(kg·℃)；ρ為空氣的密度，取1.293 kg/m3；N為換氣次數(shù)，取0.5次/h；V為換氣體積，按建筑室內(nèi)體積的0.6倍計算[28]，為173 m3/次。

建筑物內(nèi)部得熱量IH()jq一般包括人體散熱量、炊事和照明散熱量，一般散熱量不大且不穩(wěn)定，故可忽略不計[29]。

將式（9）和（10）代入（8）中，可得

1.3.5 系統(tǒng)的太陽能采暖保證率

系統(tǒng)總負(fù)荷中太陽能所擔(dān)負(fù)的負(fù)荷百分?jǐn)?shù)叫做太陽能保證率[30]，系統(tǒng)每日的太陽能采暖保證率按下式計算

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 儲熱水箱總熱損系數(shù)的確定與分析

2.1.1 儲熱水箱總熱損系數(shù)的確定

選取2015年11月30日夜間00:00～7:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每10 min取1次水箱溫度和室外溫度，共計42組數(shù)據(jù)，根據(jù)式（3）分別對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。圖4表示了當(dāng)日儲熱水箱總熱損系數(shù)的擬合結(jié)果，可以看出水箱總熱損系數(shù)就是函數(shù)()fτ的斜率，通過線性擬合可得當(dāng)日該時段儲熱水箱的總熱損系數(shù)為29.79 W/℃。

圖4 儲熱水箱總熱損系數(shù)的數(shù)據(jù)擬合Fig.4 Data fitting for total heat loss coefficient of heat storage tank

2.1.2 儲熱水箱總熱損系數(shù)的影響因素分析

用同樣的方法對其余11 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。表2列出了2015年11月24日～2015年12月5日夜間00:00～07:00平均環(huán)境溫度Tamb、環(huán)境溫度變化幅度ΔTamb、風(fēng)速平均值u及擬合所得的儲熱水箱總熱損系數(shù)(UA)s。

表2 試驗(yàn)結(jié)果和儲熱水箱總熱損系數(shù)的數(shù)據(jù)擬合Table 2 Results of experiment and data fitting for heat storage tank total heat loss coefficient

為分析00:00～07:00間平均環(huán)境溫度、環(huán)境溫度變化范圍、風(fēng)速平均值對儲熱水箱總熱損系數(shù)的影響，采用多元線性變量回歸方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如下關(guān)系式：

該回歸方程的擬合優(yōu)度R2為0.73，平均預(yù)測誤差為1.03 W/℃；顯著性概率為0.01，認(rèn)為自變量與因變量之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。

在其他條件不變的情況下，單一因素變化對總熱損系數(shù)的影響如下：平均環(huán)境溫度每降低1 ℃，儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.08 W/℃；環(huán)境溫度的變化范圍每增加1 ℃，儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.97 W/℃；風(fēng)速平均值每增加1 m/s儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.92 W/℃。

為了驗(yàn)證關(guān)系式（13）的準(zhǔn)確性，將2016年12月8日－2016年12月14日的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過線性擬合得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的擬合值，同時將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（13）得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的計算值，將兩者進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。從表中可以看出12月8日和12月10日兩者的偏差較大，其余4 d偏差較小，這說明式（13）能夠反映出室外溫度、風(fēng)速等因素對總熱損系數(shù)的影響，但準(zhǔn)確度不高，這主要有兩方面的原因：一是樣本數(shù)量少，二是總熱損系數(shù)還可能受到其他未知因素的影響。

表3 總熱損系數(shù)計算值與擬合值的對比結(jié)果Table 3 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

儲熱水箱的散熱過程實(shí)際上是水箱中的熱水與外界空氣的對流換熱過程，而熱損系數(shù)主要受到水箱內(nèi)部水與內(nèi)壁面間對流換熱系數(shù)、水箱壁的導(dǎo)熱系數(shù)以及空氣與外壁面間對流換熱系數(shù)的影響，在白天有太陽光時，熱損系數(shù)還會受到太陽輻射的影響，但考慮到水箱外殼的保溫措施良好且水箱接受太陽輻射的外表面積較小，另外參考建筑耗熱量在計算過程中并不考慮太陽輻射的影響，因此忽略太陽輻射對熱損系數(shù)的影響。這樣，根據(jù)式（13）可以估算出任意時間段儲熱水箱的總熱損系數(shù)。

2.2 全玻璃真空管太陽能集熱器陣列效率的確定與分析

2.2.1 全玻璃真空管太陽能集熱器陣列效率的確定

將2015年11月30日9:00～17:00期間的平均環(huán)境溫度7.3 ℃、環(huán)境溫度變化幅度14.2 ℃、風(fēng)速平均值0.4 m/s，由式（13）得這段時間集熱階段儲熱水箱的總熱損系數(shù)為37.33 W/℃，然后根據(jù)式（5）擬合出系統(tǒng)中全玻璃真空管太陽能集熱器陣列的效率。

選取2015年11月30日09:00－17:00的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每10 min取1次水箱溫度和室外溫度，共計48組數(shù)據(jù)，分別對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

圖5表示了11月30日09:00－17:00儲熱水箱溫度、環(huán)境溫度及太陽輻射強(qiáng)度隨時間的變化情況，水箱溫度由29.6 ℃上升至64.6 ℃，在集熱初期09:00－10:00這段時間儲熱水箱溫度上升緩慢，在10:00－16:00這段時間，儲熱水箱的溫度呈直線上升的趨勢；太陽輻射強(qiáng)度在12:30和13:30時出現(xiàn)急劇減小的情況，但由于集熱器的集熱量大于其耗熱量，水箱的溫度依然繼續(xù)上升；太陽輻射強(qiáng)度在14:00時達(dá)到最大值，其后逐漸減小，而水箱溫度仍然繼續(xù)升高，直至16:00之后，水箱溫度基本達(dá)到最大值而不再上升；在測試期間，環(huán)境溫度在?3～10.9 ℃之間波動。

圖5 儲熱水箱溫度、環(huán)境溫度以及太陽輻射強(qiáng)度Fig.5 Heat storage tank temperatures, ambient temperatures and solar irradiation intensity

圖6 表示了當(dāng)日太陽能集熱器陣列效率的擬合結(jié)果，由于測試初期10:30之前太陽輻射強(qiáng)度小于550 W/m2時，集熱器的預(yù)熱作用使得這段時間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果偏差較大，但后期數(shù)據(jù)則與擬合結(jié)果較吻合；通過線性擬合可得當(dāng)日太陽能集熱器陣列的集熱效率為0.68。

圖6 太陽能集熱器陣列效率試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)擬合Fig.6 Data fitting of experimental results for collection efficiency of solar collector array

2.2.2 全玻璃真空管太陽能集熱器陣列效率影響因素的分析

用同樣的方法對其余11d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。表4列出了2015年11月24日～2015年12月5日太陽能集熱器陣列集熱期間09:00～17:00平均環(huán)境溫度Tamb、平均太陽輻射強(qiáng)度IT、總熱損系數(shù)(UA)s及擬合所得的太陽能集熱器陣列的集熱效率ηc。

表4 試驗(yàn)結(jié)果和集熱器陣列集熱效率的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Table 4 Results of experiment and data fitting for average daily efficiency of solar collector array

為分析09:00～17:00間平均環(huán)境溫度、平均太陽輻射強(qiáng)度和總熱損系數(shù)對太陽能集熱器陣列的集熱效率的影響，同樣根據(jù)多元線性變量回歸方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到如下關(guān)系式：

該回歸方程的擬合優(yōu)度R2為0.70，平均的預(yù)測誤差為0.09；顯著性概率為0.02，認(rèn)為自變量與因變量之間有顯著的相關(guān)關(guān)系。在其他條件不變的情況下，單一因素變化對集熱器陣列集熱效率的影響如下：平均環(huán)境溫度每升高1 ℃，集熱效率增加1.56%，平均太陽輻射強(qiáng)度每增加100 W/m2，集熱效率增加5.56%，總熱損系數(shù)每增加1 W/℃，集熱效率增加1.4%。

為了驗(yàn)證關(guān)系式（14）的準(zhǔn)確性，將2016年12月8日－2016年12月14日的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過線性擬合得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的擬合值，同時將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式（14）得到每天系統(tǒng)總熱損系數(shù)的計算值，將兩者進(jìn)行比較，結(jié)果見表5。

表5 總熱損系數(shù)計算值與擬合值的對比結(jié)果Table 5 Contrasts of calculated values and fitted values of total heat loss coefficient

從表5中可看出除12月14日兩者偏差達(dá)到20.6%，其余天兩者偏差均在10%左右，這說明式（14）能夠較好的預(yù)測太陽能集熱器的集熱效率；12月11日－12月12日為連續(xù)雨雪天，集熱器陣列接受到的太陽輻射總量分別為34.65和113.1 MJ，因此集熱效率很低，這也反映出式（14）的計算結(jié)果是符合實(shí)際情況的。根據(jù)式（14）可以估算出某日太陽能集熱器陣列的集熱效率。

2.3 系統(tǒng)太陽能利用率的分析

圖7表示了2015年11月30日17:30－23:00太陽能供暖時間段內(nèi)循環(huán)水流量和集熱器陣列進(jìn)出口流體溫度隨時間的變化曲線，控制系統(tǒng)設(shè)置供暖水泵運(yùn)行8 min停止5 min，水泵流量為0.27~0.30 kg/s，因此圖中曲線呈現(xiàn)間歇式變化。

圖7 循環(huán)水泵流量和集熱器陣列進(jìn)出口流體溫度Fig.7 Flow rate and temperatures of collection array inlet and outlet

根據(jù)式（7）可以計算出某一日系統(tǒng)的太陽能利用率。2015年11月30日,日照時長約9.17 h,平均太陽輻射強(qiáng)度583.2 W/m2，太陽能集熱器陣列的集熱效率為0.68，計算得該日系統(tǒng)的太陽能利用率為37.1%，由此可以看出太陽能集熱器陣列所收集的熱量僅有54.6%被利用，剩余的45.4%的熱量則作為熱損重新散失到環(huán)境中。系統(tǒng)的熱損占集熱器陣列集熱量的比例很大，若能夠?qū)⑦@一部分熱量加以利用，可以很大程度的提高系統(tǒng)的太陽能利用率。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行策略的分析

2.4.1 建筑逐時耗熱量的計算

由式（11）知，建筑的逐時耗熱量和室內(nèi)計算溫度與該小時環(huán)境平均溫度的差值[ti?(te)j]成正比，通過計算，本文中試驗(yàn)建筑的(∑εKF+cpρNV )值為352.5 W/℃。表6為2015年11月30日這一天從00:00～24:00每小時的室外平均溫度與建筑的逐時耗熱量的計算結(jié)果，從表中可以看出：建筑的逐時耗熱量在00:00～10:00這段時間非常大，占建筑全天耗熱量的65.4%。

2.4.2 系統(tǒng)運(yùn)行策略分析

由式（12）可得2015年11月30日的系統(tǒng)的太陽能保證率為48.3%。圖8表示了2015年11月30日17:30～23:00太陽能供暖時間段內(nèi)建筑耗熱功率、供暖系統(tǒng)供給建筑的熱功率及儲熱水箱溫度隨時間的變化曲線，從中可以看出：供暖期間，由于水泵采用運(yùn)行8 min停止5 min的運(yùn)行策略，供暖功率也呈現(xiàn)間歇式變化，由于水泵剛開始運(yùn)行時，供暖管路里面的水已經(jīng)冷卻了5 min，溫度較低，因此集熱器陣列進(jìn)出口溫差較大，隨著不斷的循環(huán)，進(jìn)出口溫差逐漸減小，因此每一個水泵運(yùn)行時間段的供暖功率都是由大到小變化；儲熱水箱溫度的變化趨勢與供暖系統(tǒng)地?zé)岜P管熱功率的整體變化趨勢相似，在供暖初期下降速率較快，后期逐漸平緩；熱流量曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積表示供暖系統(tǒng)提供給建筑的總熱量，建筑逐時耗熱量曲線與橫坐標(biāo)軸之間的面積表示建筑總的耗熱量，可以看出系統(tǒng)的供熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑的耗熱量。

圖8 建筑耗熱功率、供暖系統(tǒng)供給建筑的熱功率及儲熱水箱溫度Fig.8 Building heat consumption power, system heating power and heat storage tank temperature

圖9 為2015年11月30日全天系統(tǒng)逐時供熱量與建筑逐時耗熱量的對比，從圖9中可以看出：雖然系統(tǒng)全天的太陽能采暖保證率只有48.3%，但在供暖期間，系統(tǒng)所提供的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該段時間的建筑耗熱量，特別是在采暖初期17:30～18:00期間，供熱量達(dá)到了建筑耗熱量的10倍以上；系統(tǒng)逐時供熱量的最大值出現(xiàn)在06:00～08:00，建筑逐時耗熱量的最大值出現(xiàn)在17:30～19:00，兩者時間不一致。因此整個供暖階段，設(shè)定水泵運(yùn)行8 min停止5 min、水泵流量為0.27～0.30 kg/s這種運(yùn)行模式并不是最優(yōu)的，以此種模式運(yùn)行會出現(xiàn)在供暖初期供熱量過大、系統(tǒng)供熱能力下降過快、供暖期間室內(nèi)溫度過高、熱量浪費(fèi)嚴(yán)重的不良效果。

圖9 全天系統(tǒng)逐時供熱量與建筑逐時耗熱量的對比Fig.9 Comparison of hourly system heat supply and building heat consumption during period of solar heating whole day

本文的研究對象是全玻璃真空管太陽能集熱器陣列與地板輻射采暖所構(gòu)成的供暖系統(tǒng)，研究這個系統(tǒng)自身的供暖特性時且僅考慮環(huán)境因素（環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度）對其的影響，并沒有考慮室內(nèi)溫度的影響，而2.4.1節(jié)中建筑逐時熱負(fù)荷的計算所用到的室內(nèi)溫度則采用的是“室內(nèi)計算溫度”，取14 ℃，而在供暖初期室內(nèi)溫度尚未達(dá)到14 ℃時，建筑耗熱量較大，對系統(tǒng)的供暖特性是有一定的影響，并且室內(nèi)溫度能夠反映供暖的效果，這是不容忽視的，這部分內(nèi)容本團(tuán)隊(duì)會在后續(xù)工作中進(jìn)行深入的研究。

表6 2015年11月30日每時的室外平均溫度與建筑逐時耗熱量的計算結(jié)果Table 6 Hourly average outdoor temperatures and calculations of hourly heating load of building on 30thNov., 2015

根據(jù)以上結(jié)論，對單戶太陽能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略進(jìn)行改進(jìn)，給出以下建議：

1）應(yīng)在供暖初期適當(dāng)增加水泵的運(yùn)行間隔時間或者減小水泵流量，以減小系統(tǒng)供熱量、減緩儲熱水箱溫度的下降速度，從而將供暖時間延長至深夜、使供暖曲線更加平緩、室內(nèi)熱舒適度更高。

2）若當(dāng)日的太陽輻射較好，儲熱水箱溫度較高時，可適當(dāng)將供暖的開始時間提前，在集熱的同時進(jìn)行供暖，以減緩儲熱水箱溫度上升的速度，這樣可以降低水箱熱損、提高系統(tǒng)的太陽能利用率，同時可以使供暖曲線更加平緩、室內(nèi)溫度隨時間變化更加均勻。

3 結(jié) 論

本文對全玻璃真空管太陽能陣列供暖系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，得到了以下結(jié)論：

1）儲熱水箱的總熱損系數(shù)與環(huán)境溫度平均值、環(huán)境溫度變化幅度、風(fēng)速平均值有很大的關(guān)系；平均環(huán)境溫度每降低1 ℃，儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.08 W/℃；環(huán)境溫度的變化范圍每增加1 ℃，儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.97 W/℃；風(fēng)速平均值每增加1 m/s儲熱水箱總熱損系數(shù)增加0.92 W/℃。

2）太陽能集熱器陣列的集熱效率與集熱期間平均環(huán)境溫度、平均太陽輻射強(qiáng)度、儲熱水箱總熱損系數(shù)有很大關(guān)系；平均環(huán)境溫度每升高1 ℃，集熱效率增加1.56%；平均太陽輻射強(qiáng)度每增加100 W/m2，集熱效率增加5.56%；總熱損系數(shù)每增加1 W/℃，集熱效率增加1.4%。

3）太陽能集熱器陣列所收集的熱量僅有54.6%被利用，剩余的45.4%的熱量則作為熱損重新散失到環(huán)境中，系統(tǒng)的熱損占集熱器陣列集熱量的比例很大，若能夠?qū)⑦@一部分熱量加以利用，可以很大程度的提高系統(tǒng)實(shí)際的太陽能利用率。

該單戶太陽能采暖系統(tǒng)的運(yùn)行策略應(yīng)當(dāng)從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：在供暖初期適當(dāng)減小供暖水流量，即增加水泵的運(yùn)行間隔時間或者減小水泵流量；若太陽輻射較好，儲熱水箱溫度較高時，可適當(dāng)將供暖開始的時間提前。

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Experiment on performance of all-glass vacuum tube solar array heating system

Li Jinping, Kong Ying, Xu Zhe, Si Zetian
(1. Western China Energy＆Environment Research Center ,Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China; 2. China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China; 3. Key Laboratory of Energy Supply System Drived by Biomass Energy and Solar Energy of Gansu Province, Lanzhou 730050, China)

As a kind of conversion device of solar energy, the solar collector is the most important part of the solar heating system. Among various solar collectors, all-glass vacuum tube solar collector is regarded as more favourable than other collectors in both technical and economic perspectives, so domestic and foreign experts have studied several aspects of it. But the current studies usually focus on the heating performance of the solar system during the whole heating season and the influence factors of the collecting efficiency of the all-glass vacuum tube solar collector, and there is barely research on the hourly and dynamic heating performance of solar heating system in a monomer building under different operating ways. With the purpose of studying the above problems, an all-glass tube solar heating system is fabricated on a monomer building, combined with a low-temperature floor radiation heating. The system is composed of 6 groups of standpipe all-glass vacuum tube solar collectors which have uniform structure parameters, a low-temperature floor radiation heating device, a circulating pump, a valve, a conductor and other accessories. Every group of solar collector comprises 40 all-glass vacuum tubes with the external diameter of 58 mm and the length of 1 800 mm, and a storage tank with the volume of 400 L, which is installed on a rack with an angle of 45° facing south. The contour aperture area of solar collector is about 3.85 m2, so the total contour aperture area of the array is about 23.1 m2. The monomer building locates in Minqin County, Gansu Province, China. Its building area is 117 m2and actual heating area is 87 m2. The operation mode of system is as follows: Daily 17:30-23:00 is set to be heating time; during this period, the controller controls the water pump to circulate hot water at a constant flow rate, stop for 5 min every operating for 8 min. In the experiment, the values of various parameters, such as the solar irradiance, the inlet and outlet temperatures of collector array, the tank water temperature, the ambient temperature, the circulating water flow rate and the wind speed, are measured by different sensors. All measured variables are collected and recorded automatically by Agilent 34970A data acquisition instrument every 10 s. The testing period was from November 24thto December 5th, 2015. Then, many important parameters such as the total heat loss coefficient of storage tank, the collection efficiency of solar collector array, the solar energy utilization and the solar heating fraction of the system, and hourly variation of building heat load are theoretically and experimentally investigated. Furthermore, in the actual operation state, the heating effect of the solar heating system is analyzed, and the improvement proposals of operating strategy are provided. The results show that the total heat loss coefficient of storage tank in this system is 25.82-31.53 W/℃, the collection efficiency of solar collector array is 38%-72%, and the solar energy utilization and the solar heating fraction of the system are 37.1% and 48.3%, respectively; only 54.6% of heat collected by the solar collector is used, the remaining heat is emitted to the environment, and thus the heat loss of system accounts for a large proportion of the total collected heat; under the actual operating state, the heat supply is much more than the heat consumption of building, and especially in the initial period of heating, heat supply reaches more than 10 times that consumed by building, and heat supply and heating time are excessively concentrated. As a consequence, improvement proposals of operating strategy are provided for the solar heating system of the monomer building to reduce the water flux of heating system and advance the heating time.

solar energy; heat losses; buildings; all-glass vacuum tube solar heating system; low-temperature floor radiation heating

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031

TK511

A

1002-6819(2017)-11-0240-08

李金平，孔 瑩，許 哲，司澤田. 全玻璃真空管太陽能陣列供暖系統(tǒng)性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(11)：240－247.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031 http://www.tcsae.org

Li Jinping, Kong Ying, Xu Zhe, Si Zetian. Experiment on performance of all-glass vacuum tube solar array heating system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 240－247. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.031 http://www.tcsae.org

2016-11-01

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金（51676094）；甘肅省國際科技合作專項(xiàng)（1604WKCA009）

李金平，男，寧夏中寧人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究。蘭州 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，730050。Email：lijinping77@163.com