張明星，陳 超，馬彩雯，姜理星，鄒 平，張彩虹

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機化研究所，烏魯木齊830091)

新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器在烏魯木齊日光溫室的應(yīng)用研究

張明星1，陳 超1，馬彩雯2，姜理星1，鄒 平2，張彩虹2

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京100124;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機化研究所，烏魯木齊830091)

【目的】提高日光溫室主動蓄熱能力，使溫室內(nèi)熱環(huán)境得到保障。【方法】提出一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器，將此集熱器與日光溫室后墻結(jié)合構(gòu)成主－被動式墻體體系，將此墻體體系應(yīng)用于新疆日光溫室，研究該集熱器在日光溫室中應(yīng)用的可行性及應(yīng)用效果?！窘Y(jié)果】在集熱器長度為16 m、集熱器單支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為2.5 m/s的條件下，集熱器出口溫度可達75℃，集熱效率可達50%。該集熱系統(tǒng)通過日光溫室墻體主動蓄熱方式，在冬季實測期間累計可為日光溫室提供約為2 400 MJ的太陽能。【結(jié)論】該結(jié)果可為集熱器的推廣應(yīng)用提供參考。

日光溫室;雙集熱管;多曲面槽式空氣集熱器;主動蓄熱;集熱性能;供熱量

0 引言

【研究意義】日光溫室因其可在反季節(jié)為蔬菜生長提供良好的小氣候，受到了廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的親睞［1－3］。溫室小氣候主要受室外氣象條件［4］、圍護結(jié)構(gòu)熱工性能［5］和土壤熱濕特性［6］等因素的影響，其熱量主要來自被動式接收太陽能以及主動式加溫供暖措施，在溫室被動式接收太陽能一定的條件下，如何通過主動方式提高溫室的蓄熱能力，使溫室內(nèi)熱環(huán)境得到保障，對確保蔬菜生長起到至關(guān)重要的作用?！厩叭搜芯窟M展】國內(nèi)外不同學(xué)者對如何通過主動方式給溫室內(nèi)提供熱量，使溫室內(nèi)環(huán)境能夠維持作物生長需求進行了大量的研究。李德堅等［7］對全玻璃真空管太陽能集熱器給大型四連棟蔬菜溫室冬季供暖進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)在冬季溫室外日最低氣溫在－4℃以上時，太陽能主動和被動供暖能夠維持室溫，無需燃油爐供暖;劉圣勇等［8］利用了太陽能代替煤炭對溫室內(nèi)地溫進行增溫試驗并與傳統(tǒng)煤爐加熱方式進行了比較;M.N.Bargach等［9］使用平板太陽能集熱器加熱溫室的方式，對在溫室中設(shè)置太陽能集熱系統(tǒng)進行效果分析，此項研究在提升太陽能的利用率方面取得了明顯效果?？梢钥闯觯眉療崞魇菧厥抑鲃邮浇邮仗柲艿闹饕绞街?，因此集熱器的集熱性能也是影響溫室內(nèi)環(huán)境的因素之一。R.Tchinda等［10，11］和H.Kessentini等［12］分別對聚光型集熱器進行了傳熱機理分析，建立了拋物面、槽面聚光型集熱器的傳熱模型，為集熱器優(yōu)化設(shè)計提供了指導(dǎo);鄭宏飛等［13－15］對多曲面槽式空氣集熱器的三種不同接收器對集熱器性能的影響進行了試驗研究，結(jié)果表明圓形玻璃管式接收器的出口溫度最高，能達到140℃;當集熱溫度約60℃時，集熱效率能到45%以上?！颈狙芯壳腥朦c】基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及前期研發(fā)的單集熱管多曲面槽式空氣集熱器［16］，為了更好的提高日光溫室主動蓄熱能力，研究提出一種新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器，將此集熱器與日光溫室后墻結(jié)合構(gòu)成主－被動式墻體體系，通過空氣集熱器－豎向空氣通道以主動蓄熱的方式提高墻體內(nèi)部層的溫度及蓄熱能力，為日光溫室提供熱量，并將此墻體體系應(yīng)用于新疆烏魯木齊日光溫室中。研究新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器在日光溫室中應(yīng)用的可行性和應(yīng)用效果?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究和評價集熱器在試驗系統(tǒng)中的集熱性能，以及在不同情況下為日光溫室提供的熱量。為該集熱器的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 集熱器結(jié)構(gòu)及工作原理

新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器(以后簡稱雙管集熱器)，主要由多曲面反射板、多曲面保溫板、多曲面外保護板、玻璃管接收器、玻璃蓋板等構(gòu)成。其工作原理為:太陽光線透過玻璃蓋板射入到槽內(nèi)，一部分光線直接匯聚在玻璃管接收器上半部;另一部分光線平行入射到組合曲面上，再經(jīng)過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，被加熱的空氣通過玻璃管接收器出口流出，并輸送至供暖末端。圖1

圖1 集熱器結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意Fig.1 The structure of the collector

經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，單管集熱器在實際應(yīng)用時存在處理空氣量小、集熱器效率低的問題，為了增大集熱器處理的空氣量并提高集熱器的集熱效率，提出了雙管集熱器的設(shè)計理念，其核心特點為，在單管集熱器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一根玻璃管接收器，考慮玻璃管接收器以及集熱器槽體的大小尺寸，同時考慮該類聚光型集熱器內(nèi)的玻璃管接收器應(yīng)盡量處于光線聚焦區(qū)，玻璃管接收器宜增加至2根。

同時雙管集熱器中的兩支玻璃管接收器的結(jié)構(gòu)位置也影響集熱器的聚光效果，進而影響集熱器集熱性能，因此兩支玻璃管接收器的位置應(yīng)盡量靠近集熱器光線聚焦區(qū)并使其隨著太陽高度角的變化不相互遮擋。在考慮了集熱器幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用光學(xué)模擬軟件TracePro進行了不同位置的兩支玻璃管接收器對光線匯聚效果分析，最終得到兩支玻璃管接收器的相對位置。

在晴好天氣條件下單、雙管單位面積集熱量和集熱效率隨時間的變化實測結(jié)果為，在單支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速相同的條件下，單、雙管集熱器單位面積集熱量都是隨著時間的變化先增加后減小，但是雙管集熱器單位面積集熱量始終大于單管集熱器，平均提高了約19%;單、雙管集熱器集熱效率隨時間的變化波動并不大，但是雙管集熱器集熱效率同樣始終高于單管集熱器，平均提高了約9%。由此結(jié)果可以看出雙管集熱器優(yōu)于單管集熱器。圖2，圖3

1.1.2 太陽能主－被動式墻體體系結(jié)構(gòu)及工作原理

該體系主要由雙管集熱器和帶豎向空氣通道的三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體［17］構(gòu)成。其中，帶豎向通道的三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻體的內(nèi)側(cè)表面采用項目組研制的GH－20型復(fù)合相變蓄熱墻體板，將照射在該墻體層的太陽能以被動潛熱蓄熱的方式蓄積，提高潛熱蓄熱能力;背陽的墻體外表面?zhèn)炔捎脽嶙璐蟮谋夭牧?中間墻體層采用蓄熱性能和傳熱性能較好的空心砌塊磚，并利用空心氣孔自然形成豎向空氣通道;安裝在后墻體上方的雙管集熱器與小型管道風(fēng)機、PVC風(fēng)管道以及中間墻體層內(nèi)的豎向空氣通道構(gòu)成太陽能－墻體主－被動蓄熱體系，達到提高日光溫室墻體內(nèi)部層蓄熱能力的目的。

該墻體體系的主要工作原理是，流出集熱器的熱空氣通過風(fēng)管送入墻體通風(fēng)空氣通道，通過強迫對流換熱方式加熱墻體，被加熱的墻體通過輻射以及對流換熱的方式對溫室內(nèi)環(huán)境提供熱量;被冷卻后的空氣流出墻體空氣通道，經(jīng)由風(fēng)機，通過通風(fēng)管道流入空氣集熱系統(tǒng);周而復(fù)始，不斷循環(huán)。圖4

圖2 單、雙管集熱器單位面積集熱量隨時間變化Fig.2 Heat collection in single and dual collector tube concentrator

圖3 單、雙管集熱器集熱效率隨時間變化Fig.3 Collection efficiency in single and dual collector tube concentrator

圖4 帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系Fig.4 Phase change material wall with vertical air channels integrating solar concentrators

1.1.3 新疆日光溫室應(yīng)用概況

將研制的雙管集熱器在烏魯木齊日光溫室進行應(yīng)用研究。其中，雙管集熱器由8組集熱器單元組件串聯(lián)而成(總長度為16 m)，烏魯木齊地理位置為北緯43.45°，東經(jīng)87.36°，由集熱器固定放置朝向原則:保證在集熱器放置角度上冬季集熱面接收的有效太陽輻照量總和最大，可計算得到集熱器接收面傾角為67°。為獲得集熱器進出口溫度變化規(guī)律，在雙管集熱器的進出口處用銅康銅熱電偶(精度:± 0.1℃)，分別布置溫度測點;環(huán)境溫度測點也采用銅康銅熱電偶，測量范圍為－40～350℃，精度為±0.1℃;空氣流量采用Testo－435型熱線風(fēng)速儀(測量范圍:0～20 m/s;精度:±0.01 m/s);太陽輻射強度采用錦州陽光能源有限公司的TBQ－2型總輻射儀(測量范圍為0～2 000 W/m2，測量精度為±1 W/m2)，通過配套的TR M－ZS1檢測儀進行數(shù)據(jù)采集，試驗數(shù)據(jù)采集時間為1次/min。數(shù)據(jù)采集時間2016年11月1～2017年1月20日，系統(tǒng)每天運行時間為09:30～15:30，雨雪天氣不運行。圖6為實測期間太陽日累計總輻射量和環(huán)境溫度隨時間的變化規(guī)律。實測期間，每支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為2.5 m/s。圖5，圖6

圖5 應(yīng)用案例現(xiàn)場Fig.5 The picture of application case

圖6 冬季太陽總輻射及環(huán)境溫度變化規(guī)律Fig.6 Solar radiation and ambient temperature in winter

1.2 方法

結(jié)合雙管集熱器熱工性能影響因素，參照中國國家標準《GB/T 4271－2007太陽能集熱器熱性能試驗方法》，可將空氣出口溫度、集熱量與累計集熱量、集熱效率、基于進口溫度的歸一化溫差－效率等作為雙管集熱器集熱性能的評價指標。

1.2.1 空氣出口溫度

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)。

1.2.2 集熱量與累計集熱量

集熱量是指集熱器某時刻收集到的熱量，是衡量集熱器的重要指標，可根據(jù)式(1)計算。

式中，Qτ為集熱器集熱量，W;G為集熱器內(nèi)的空氣質(zhì)量流量(可根據(jù)式(2)計算)，kg/s; CP為空氣定壓比熱，J/(kg瘙簚K);To為集熱器空氣出口溫度，℃;Ti為集熱器空氣進口溫度，℃。

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

累計集熱量是指集熱器在一天工作時間內(nèi)累計收集的總熱量，是衡量集熱器供熱能力的重要指標，可根據(jù)式(3)計算。

1.2.3 集熱效率

集熱效率是指某一時刻集熱器所能夠提供的有用能量與當時投射到集熱器采光面上的太陽輻射總量之比值，它反映了集熱器在一天中

某一時刻的瞬時運行特性，是評價集熱器性能的重要指標之一，可根據(jù)式(4)計算。

式中，η為集熱器集熱效率;QE為投射到集熱器采光面上的瞬時太陽輻射總量，W;E為某一時刻傾斜面的太陽輻射強度，W/m2;Ag為集熱器采光面積(Ag=BL，B為集熱器開口面寬度，m;L為集熱器長度，m)，m2。

1.2.4 基于進口溫度的歸一化溫差－效率曲線根據(jù)ASHREA93－2003，集熱器集熱效率與歸一化溫差存在線性關(guān)系(式(5))。根據(jù)歸一化溫差－效率曲線可評價集熱器在各種工況下的集熱效率［18］。

式中，η0為太陽能空氣集熱器的瞬時效率最大值;α為太陽能空氣集熱器熱損失系數(shù)，T*為基于集熱器空氣進口溫度的歸一化溫差(T*=)，Tα為環(huán)境溫度，℃。

2 結(jié)果與分析

2.1 集熱器空氣出口溫度

日累積太陽輻射強度為13 MJ/m2條件下，玻璃管接收器進出口溫度測點空氣溫度隨時間變化規(guī)律為，被加熱空氣進出口溫差隨著時間的變化先增加后減小，這是因為集熱器的出口溫度與太陽輻射強度變化密切相關(guān)，太陽輻射強度大則出口溫度高，反之，則出口溫度低;在中午12:30時的進出口空氣溫差最大可達52℃，此時空氣出口溫度達到最高、約為75℃。圖7

圖7 集熱器進出口空氣溫度隨著時間變化規(guī)律Fig.7 Air temperature along the length of collector

2.2 集熱器瞬時集熱量及瞬時集熱效率

太陽輻射強度為13 MJ/m2條件下，集熱器集熱量及集熱效率隨著時間的變化規(guī)律為，集熱器瞬時集熱量在太陽輻射強度最大時(12:30)達到最大、約為3 930 W，太陽輻射強度的強弱直接影響空氣集熱器集熱量的大小;集熱器的瞬時集熱效率則隨著時間的變化逐漸增大，在15:30達到最大、為50%，平均集熱效率約為43%。

經(jīng)過計算可以得到集熱器日累積集熱量可達51.3 MJ，即單位面積累積集熱量5.8 MJ/m2，集熱器在太陽能主－被動式墻體體系中起到了保證輸入墻體的空氣溫度和熱量的作用。圖8

圖8 瞬時集熱量及瞬時集熱效率隨著時間變化Fig.8 Instantaneous heat collection and instantaneous heat collection efficiency

2.3 歸一化溫差－效率曲線

選擇符合準穩(wěn)態(tài)條件下的試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)式(5)并結(jié)合應(yīng)用最小二乘法，擬合得到集熱器歸一化溫差－效率曲線。圖9

圖9 基于不同進口溫度的歸一化溫差－效率曲線Fig.9 The relationship between the efficiency and the normalized temperature

流量141 m3/h、太陽輻射強度700 W/m2工況下基于不同進口溫度的歸一化溫差－效率曲線顯示，集熱器集熱效率隨著歸一化溫差的增大而降低，此時集熱器熱損失系數(shù)為2.62 Wm2/ K，當歸一化溫差為0時集熱效率為57.6%，由此曲線對不同進口溫度工況下的集熱器集熱效率進行判斷。當集熱器運行條件為進口溫度20～25℃，環(huán)境溫度－10～6℃，太陽輻射強度700 W/m2時，此時歸一化溫差為0.02～0.04，可以判斷集熱器運行效率為44%～52%。圖9

2.4 集熱器累計提供太陽能

根據(jù)烏魯木齊當?shù)囟咎柨傒椛浼碍h(huán)境溫度實測數(shù)據(jù)，冬季實測期間，集熱器累計集熱量隨時間的變化為，在晴好天氣條件下，集熱器累計集熱量最高可達65 MJ;在陰天條件下，集熱器集熱效果較弱，集熱器累計集熱量約為22 MJ;實測期間集熱系統(tǒng)通過日光溫室墻體主動蓄熱方式，累計為日光溫室提供了2 400 MJ的太陽熱能。圖10

圖10 集熱器累計集熱量隨時間變化Fig.10 Instantaneous heat collection varied with time

表1 壓力損失測試Table1 Test chart of pressure loss

2.5 阻力特性分析

實際應(yīng)用中，要考慮系統(tǒng)的管路配置及風(fēng)機的選擇問題，因此，在利用該新型雙管集熱器進行集熱的系統(tǒng)中，集熱器進出口之間的壓降特性也是集熱器性能的一個重要參數(shù)。利用壓差計在集熱器單支玻璃管接收器內(nèi)不同空氣流速條件下對長度為4m的雙管集熱器進出口之間的壓損進行了測試。測試結(jié)果見表1，根據(jù)式(6)和式(7)得到的摩擦阻力系數(shù)計算得到16m長雙管集熱器進出口的壓損。

根據(jù)測試結(jié)果繪制的集熱器阻力特性曲線，可以看出，隨著集熱器

內(nèi)流量的增大，集熱器總阻力損失也增加，在單支玻璃管接收器流速為2.5 m/s時，此時集熱器流量為141 m3/h，16 m長集熱器總阻力損失約為248 Pa。圖11

圖11 集熱器阻力特性曲線Fig.11 Collectors resistance characteristics curve

3 討論

根據(jù)第2節(jié)的結(jié)果，在已知日光溫室內(nèi)作物生長環(huán)境需求(主要是室內(nèi)溫度)的前提下，可對集熱器的出口溫度進行調(diào)節(jié)，由集熱器玻璃管接收器內(nèi)的設(shè)計流量選擇合適的風(fēng)機型號，設(shè)計出針對不同作物的溫室太陽能集熱系統(tǒng)，并可給出不同天氣條件下(晴好天氣或陰天)太陽能集熱系統(tǒng)為日光溫室提供的太陽熱能。

4 結(jié)論

4.1 新型雙集熱管多曲面槽式空氣集熱器應(yīng)用于日光溫室是可行的，在集熱器長度為16 m、集熱器單支玻璃管接收器內(nèi)空氣流速為2.5 m/s的條件下，集熱器出口溫度可達75℃，集熱效率可達50%。

4.2 在晴好天氣條件下，集熱器累計集熱量最高可達65 MJ;在陰天條件下，集熱器集熱效果較弱，集熱器累計集熱量約為22 MJ;實測期間集熱系統(tǒng)通過日光溫室墻體主動蓄熱方式，累計為日光溫室提供了2 400 MJ的太陽熱能。

4.3 在集熱器流量為141 m3/h的條件下，16 m長集熱器總阻力損失約為248 Pa。

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Application Study of New Type Multiple Clamber Trough Solar Air Collector with Dual Collector Tubes in Urumqi Solar Greenhouse

ZHANG Ming－xing1，CHEN Chao1，MA Cai－wen2，JIANG Li－xing1，ZHOU Ping2，ZHANG Cai－h(huán)ong2
(1.College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 10024，China; 2.Institute of Agricultural Mechanization，Xinjiang Academy of Agricultural Science，Urumqi 830091，China)

【Objective】In order to improve the heat storage capacity of solar greenhouse，which guaranteed the thermal environment within the greenhouse.【Method】This study proposed a new type multiple clamber trough solar air collector with dual collector tubes，combined with a solar greenhouse back wall to form active－passive wall system，which was applied in Urumqi Solar Greenhouse.The experiment was carried out to investigate the feasibility and application effects of the collector.【Result】The results showed that:when the collector length is 16m and the air velocity inside the single concentrator is 2.5 m/s，the outlet temperature of the collector could reach 75℃and the collector efficiency could reach 50%;The heat collecting system could provide solar thermal energy about 2，400 MJ for solar greenhouse by active heat storage of the wall during the winter test period.【Conclusion】This study can provide a reference for the popularization and application of the collector.

Solar greenhouse;double heat collection tube;multiple clamber trough solar air collector collector;active heat storage;collector performance;heat supply

Chen Chao(1958－)，female，Hunan，professor，doctor tutor，research direction:phase change heat storage technology and renewable energy technology，(E－mail)chenchao@bjut.edu.cn

S624.4+9

A

1001－4330(2017)05－0945－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.020

2017－03－16

國家自然科學(xué)基金項目"新疆戈壁日光溫室太陽能主－被動式蓄熱墻體及保溫被熱性能評價方法研究"(51368060);國家自然科學(xué)基金項目"面向多熱特性一體化控制的日光溫室建筑構(gòu)造建模理論研究"(51578012)

張明星(1992－)，男，江西人，碩士，研究方向為太陽能熱利用技術(shù)，(E－mail)15650750124@163.com

陳超(1958－)，女，湖南人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為相變蓄熱技術(shù)與可再生能源技術(shù)，(E－mail)chenchao@bjut.edu.cn

馬彩雯(1965－)，女，天津人，研究員，研究方向為設(shè)施農(nóng)業(yè)工程，(E－mail)xjmcw2010@sina.com

Supported by:Supported by NSFC"Theoretical study on modeling of solar greenhouse structure integrated multiple thermal characteristics"( 51578012);NSFC"Study on thermal performance evaluation method active passive thermal storage wall and heat preservation quilt in Gobi greenhouse of Xinjiang"(51368060);Beijing Key Laboratory of green built environment and energy efficient technology

Ma Caiwen(1965－)，female，Tianjin，researcher，research direction:facility agriculture project，(E－mail)xjmcw2010@sina.com