(1.北京市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100026;2.中廣熱(廣州)能源技術(shù)有限公司，廣州 510030)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的熱舒適度要求也越來(lái)越高，從而導(dǎo)致能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題日漸突顯，節(jié)能減排及對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用日益成為我國(guó)政府關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。太陽(yáng)能作為一種可再生清潔能源具有其它能源無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能供暖是太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要方面，為我國(guó)冬季建筑供暖提供了新的節(jié)能途徑[2]。在太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)中，集熱器是最重要的組成部分，其性能和成本對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的成敗起著決定性作用[3]，選擇集三大主流集熱器(平板型集熱器、真空管集熱器、聚光型集熱器)優(yōu)點(diǎn)于一身的非成像聚光太陽(yáng)能集熱器對(duì)太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行具有重要意義。

無(wú)論是城市還是農(nóng)村，太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用于住宅采暖中，非成像聚光太陽(yáng)能集熱器供暖系統(tǒng)作為新型的建筑節(jié)能供暖技術(shù)，以其安全、靈活、管路短、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)在建筑采暖領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景[4]。文中對(duì)非成像聚光太陽(yáng)能集熱器進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)其在供暖領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了分析討論。

1 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器

1.1 常見(jiàn)太陽(yáng)能集熱器

由于太陽(yáng)能比較分散，為了使其得到更好地利用，必須將其集中收集起來(lái)，而集熱器可達(dá)到此目的。太陽(yáng)能集熱器是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的設(shè)備，作為關(guān)鍵組分廣泛的應(yīng)用于各種太陽(yáng)能系統(tǒng)中。依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能集熱器可分為不同的類(lèi)型，按進(jìn)入采光口的太陽(yáng)輻射是否改變方向分類(lèi)可劃分為聚光型和非聚光型兩大類(lèi)[5]。非聚光型集熱器能夠利用太陽(yáng)輻射中的直射輻射和散射輻射，集熱溫度較低，主要有平板集熱器和真空管集熱器。而聚光型集熱器能將太陽(yáng)光會(huì)聚在面積較小的吸熱面上獲得較高的溫度，但只能利用直射輻射，且需跟蹤太陽(yáng)[6]。

1.1.1 平板型集熱器

在太陽(yáng)能低溫利用領(lǐng)域中，平板型集熱器具有較突出的優(yōu)勢(shì)，且技術(shù)發(fā)展成熟。其優(yōu)點(diǎn)為：可承壓運(yùn)行，安全可靠；由于自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與建筑結(jié)合性強(qiáng)[7-8]；單位集熱面積大；不易結(jié)垢。但平板型集熱器也是具有不可彌補(bǔ)的缺點(diǎn)：吸熱板和玻璃蓋板之間無(wú)法抽真空，熱損失較大；環(huán)境低溫或工質(zhì)高溫時(shí)集熱器效率低下；不跟蹤太陽(yáng)，需固定安裝；從而使平板型集熱器應(yīng)用受到了限制。

1.1.2 真空管集熱器

為了減少平板集熱器的熱損以及進(jìn)一步提高集熱器運(yùn)行溫度，拓寬太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域，真空管集熱器發(fā)展了起來(lái)。按吸熱體材料的不同，真空管集熱器主要?jiǎng)澐譃槿Ａд婵展芗療崞骱筒Ａ?金屬真空管集熱器兩大類(lèi)[9]。其主要特點(diǎn)有[10]：具有真空夾層，保溫性能好；熱損失小，環(huán)境溫度低下時(shí)集熱效率仍較高；抗沖擊抗凍能力強(qiáng)。同時(shí)還有材質(zhì)遇撞擊易碎；承壓能力弱；安裝復(fù)雜等不足，這樣一些因素導(dǎo)致其使用范圍比較小。

1.1.3 聚光型集熱器

以上兩種集熱器均為非聚光型集熱器，由于是直接采集自然太陽(yáng)光，使非聚光型集熱器運(yùn)行溫度不是很高[9]。聚光集熱器則可在中、高溫度下工作，其通過(guò)利用反射器或折射器提高能量吸收表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，使表面更高的能流聚焦在較小的集熱面上，同時(shí)對(duì)應(yīng)的熱損失減少，進(jìn)而提高了集熱溫度和太陽(yáng)能利用率。但不足的是聚光型集熱器會(huì)產(chǎn)生額外的損失，大多數(shù)聚光型集熱器只能收集直射輻射，造成了散射輻射的損失，同時(shí)還有光學(xué)損失[11]，因此，聚光型集熱器適用于太陽(yáng)直射輻射資源較豐富的地區(qū)。

圖1平板型集熱器 圖2真空管集熱器 圖3聚光型集熱器

1.2 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器

非成像聚光太陽(yáng)能集熱器是聚光器的光線(xiàn)不會(huì)聚到一點(diǎn)或一條線(xiàn)上，而是聚到一塊接收器的面上，從而獲得高強(qiáng)度的太陽(yáng)能。其擁有平板無(wú)縫采光、真空管保溫集熱、聚光集熱三大主流集熱器的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了平板的高熱損、真空管的漏光和聚光集熱器的跟蹤控制復(fù)雜這些不足。非成像聚光太陽(yáng)能集熱器形式較多，主要有球形面聚光集熱器、復(fù)合拋物面聚光集熱器、條形面聚光集熱器、塔式集熱器等。

1.2.1 光學(xué)原理

非成像與成像相比，最大的區(qū)別在于可在保證總體傳遞率的前提下實(shí)現(xiàn)較大的入射角和出射角[12]。運(yùn)用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析、光學(xué)仿真等對(duì)非成像聚光曲面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，得到較完善的免追蹤聚光曲面。下圖4為由左向右35度角起斜射，每增加5度做的聚光仿真示意圖：可見(jiàn)97%以上光線(xiàn)都進(jìn)入中高溫真空集熱管。此性能也體現(xiàn)了非成像聚光集熱器另一突出的性能，即可將70度入射角范圍內(nèi)的天空、云層等散熱光都匯聚進(jìn)入中高溫真空管。

圖4非成像聚光仿真示意圖

從而可總結(jié)出非成像聚光集熱器具有以下特點(diǎn)：

(1)集熱器無(wú)需調(diào)整角度跟蹤太陽(yáng)方向即可達(dá)到約5倍的聚光；

(2)簡(jiǎn)單、方便、快捷裝配與安裝維護(hù)；

(3)采光區(qū)是整個(gè)迎光板面可無(wú)縫聚光，太陽(yáng)(高度角)方向約70度夾角的入射光都可進(jìn)入真空集熱管；

(4)聚光進(jìn)入真空管內(nèi)，產(chǎn)生中高溫?zé)崮?，并靠真空層達(dá)到高效保溫性能。

1.2.2 非成像聚光集熱器性能測(cè)試

對(duì)于非成像聚光集熱器性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)是研究太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)，集熱器性能的好壞直接決定了整套供暖系統(tǒng)的效率[13]。目前，集熱器性能測(cè)試主要分為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種測(cè)試方法，其中穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法最為常用。文中參照GB/T 4271-2007《太陽(yáng)能集熱器熱性能試驗(yàn)方法》[14]和ISO 9806∶2013《太陽(yáng)能.太陽(yáng)能集熱器.試驗(yàn)方法》[15]對(duì)非成像聚光集熱器進(jìn)行了時(shí)間常數(shù)試驗(yàn)和瞬時(shí)效率試驗(yàn)。

(1)時(shí)間常數(shù)測(cè)試

集熱器時(shí)間常數(shù)是確定集熱器熱性能瞬變能力的參數(shù)，用于表征集熱器對(duì)瞬變的驅(qū)動(dòng)力反應(yīng)的迅速程度，時(shí)間常數(shù)測(cè)試是集熱器熱性能測(cè)試的重要內(nèi)容之一。其定義為在太陽(yáng)輻射度從一開(kāi)始有躍階式增加后，集熱器出口溫度與環(huán)境溫度之差逐步上升至總增量的63.2%時(shí)所用的時(shí)間τe[16]。

τe=τ2-τ1

式中,τe為時(shí)間常數(shù)，s；ta為環(huán)境溫度，即集熱器進(jìn)口溫度，℃；te為集熱器出口溫度，℃；τ1為測(cè)試開(kāi)始的時(shí)間，s；τ2為測(cè)試結(jié)束的時(shí)間，s。

選取非成像聚光集熱器樣品對(duì)其進(jìn)行時(shí)間常數(shù)測(cè)試，非成像聚光集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta之差(te-ta)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5非成像聚光集熱器出口溫度te與環(huán)境溫度ta 之差(te-ta)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

由上述曲線(xiàn)查出出口溫度與環(huán)境溫度之差值(te-ta)達(dá)到兩次穩(wěn)態(tài)所對(duì)應(yīng)的出口溫度與環(huán)境溫度之差的63.2%所用的時(shí)間，從而可求得的非成像聚光集熱器時(shí)間常數(shù)為450 s。

(2)瞬時(shí)效率測(cè)試

集熱器瞬時(shí)效率是指在穩(wěn)態(tài)條件下，特定時(shí)間間隔內(nèi)由傳熱工質(zhì)從一特定的集熱器面積上帶走的能量與同一時(shí)間間隔內(nèi)入射在該集熱器面積上的太陽(yáng)能之比，亦即集熱器實(shí)際獲得的有用功率與集熱器接收的太陽(yáng)輻射功率之比[17]。基于采光面積Aa和集熱器進(jìn)口溫度Ti*，用最小二乘法進(jìn)行擬合，可得到集熱器的瞬時(shí)效率方程為：

式中,Ti*為歸一化溫差，Ti*=(ti-ta)/G；ti為工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃；ta為環(huán)境溫度，℃；G為集熱器采光面上總?cè)丈漭椪斩?；U為以Ti*為參考的太陽(yáng)能集熱器總熱損系數(shù)，W/(m2·℃)ηa為瞬時(shí)效率；η0，a為T(mén)i*=0時(shí)的瞬時(shí)效率。

瞬時(shí)效率截距η0，a為0.5931，即該非成像聚光太陽(yáng)能集熱器的最大瞬時(shí)效率為59.31%；斜率即集熱器總熱損系數(shù)U為1.5216，則該樣品的瞬時(shí)效率曲線(xiàn)方程為：

2 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器供暖應(yīng)用

2.1 太陽(yáng)能供暖概述(太陽(yáng)能+)

傳統(tǒng)的集中供暖系統(tǒng)為北方的主要供暖方式，利用熱源通過(guò)地下熱管網(wǎng)向用戶(hù)供暖，但在供暖過(guò)程中其缺陷也逐漸突顯，使得新型供暖系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，這其中以太陽(yáng)能為熱源的供暖方式應(yīng)用日益廣泛，且最為經(jīng)濟(jì)。太陽(yáng)能取之不盡用之不竭，既是急需的能源補(bǔ)充，又是未來(lái)可利用能源的基礎(chǔ)，利用太陽(yáng)能為住宅進(jìn)行供暖可獲得良好的環(huán)境小利益及經(jīng)濟(jì)效益[18]。

太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)一般由集熱器、貯水箱、循環(huán)管路、輔助熱源、控制系統(tǒng)、末端設(shè)備及附件組成。由于太陽(yáng)能存在分散性、間斷性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)[19]，采用單一的太陽(yáng)能進(jìn)行供暖，難以解決需求側(cè)遇到的諸多問(wèn)題，若采用多能互補(bǔ)的形式，使各種能源取長(zhǎng)補(bǔ)短，便可以彌補(bǔ)單一能源供暖方式的不足。下面將結(jié)合實(shí)例分別介紹兩種基于太陽(yáng)能的多能互補(bǔ)供暖技術(shù)：太陽(yáng)能+電輔熱和太陽(yáng)能+空氣源熱泵。

2.2 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器+電輔熱

利用非成像聚光集熱器的太陽(yáng)能+電輔熱供暖系統(tǒng)：晴天，白天的采暖熱量需求主要由太陽(yáng)能提供，晚上低谷電時(shí)段開(kāi)啟蓄熱水箱內(nèi)電加熱器為系統(tǒng)供暖和水箱蓄熱；連續(xù)陰天時(shí)，由電加熱器提供熱量需求[20]。

某服務(wù)中心采用太陽(yáng)能+電輔熱供暖系統(tǒng)，太陽(yáng)能保證率70%，30%為電輔助加熱，供暖面積為240 m2。該項(xiàng)目在服務(wù)中心樓頂上安裝30塊非成像聚光太陽(yáng)能集熱器，運(yùn)行傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，室內(nèi)設(shè)置容積6 m3水箱加軟水處理裝置，確保循環(huán)水不結(jié)垢，水箱與導(dǎo)熱油采用高效螺旋換熱器換熱，室內(nèi)換熱器與水箱采用低功率水泵強(qiáng)制換熱，系統(tǒng)在微電腦控制下實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)能溫度控制。對(duì)該太陽(yáng)能-電輔熱供暖系統(tǒng)在某晴天運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出其集熱效率曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6某服務(wù)中心太陽(yáng)能-電輔熱供暖系統(tǒng)集熱效率曲線(xiàn)

從上述曲線(xiàn)可知，太陽(yáng)能加熱溫度最高可達(dá)到91.9 ℃，水箱及室內(nèi)換熱器溫度平穩(wěn)運(yùn)行在56～60 ℃，加熱效果良好，可完全滿(mǎn)足用戶(hù)采暖需求。

2.3 非成像聚光太陽(yáng)能集熱器+空氣源熱泵

非成像聚光太陽(yáng)能集熱器+空氣源熱泵多能互補(bǔ)供暖系統(tǒng)利用了太陽(yáng)能和空氣源熱泵各自的優(yōu)點(diǎn)，在光照充足的時(shí)候，太陽(yáng)能足以供應(yīng)足夠的熱量，加熱換熱水箱中的水到設(shè)定溫度，此時(shí)溫控系統(tǒng)控制空氣源熱泵不運(yùn)行。光照不足時(shí)，太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)不足以將換熱水箱的水加熱到設(shè)定溫度，自動(dòng)溫控系統(tǒng)開(kāi)啟空氣源熱泵，二者同時(shí)加熱熱水。在夜晚或沒(méi)有光照的條件下，只通過(guò)空氣源熱泵提供熱量[21]。兩種能源聯(lián)合運(yùn)行、智能控制，真正做到了最大程度的環(huán)保、節(jié)能，全天候、全自動(dòng)、低能耗。

某老年幸福院采用太陽(yáng)能+空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行供暖，太陽(yáng)能保證率50%，空氣源熱泵確保COP達(dá)到2以上節(jié)能運(yùn)行。在該幸福院南北兩棟樓頂各安裝24塊非成像聚光太陽(yáng)能集熱器和一臺(tái)7 kW電功率空氣源熱泵，太陽(yáng)能集熱器采用導(dǎo)熱油為工質(zhì)，熱泵采用低溫防凍液為工質(zhì)。室外設(shè)置兩套6 m3水箱，儲(chǔ)熱溫度85 ℃，加軟水處理裝置，確保循環(huán)水不結(jié)垢。水箱與導(dǎo)熱油采用高效螺旋換熱器換熱，室內(nèi)換熱器與水箱采用低功率水泵強(qiáng)制換熱，系統(tǒng)在微電腦控制下實(shí)現(xiàn)精確的節(jié)能溫度控制，系統(tǒng)配備小型儲(chǔ)能系統(tǒng)和電輔熱系統(tǒng)，為夜間取暖提供充足穩(wěn)定的熱源。

對(duì)該太陽(yáng)能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)在某晴天運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出其集熱效率曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7某幸福院太陽(yáng)能-空氣源熱泵供暖系統(tǒng)集熱效率曲線(xiàn)

由上述曲線(xiàn)可知，太陽(yáng)能的加熱溫度最高可達(dá)到85.5 ℃，通過(guò)計(jì)算可知太陽(yáng)能集熱器的集熱量為3.2 kW/m2/d，光熱轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到60%以上(考慮到傳熱損失的情況下)，該非成像聚光太陽(yáng)能集熱器的集熱效率是傳統(tǒng)集熱器的兩倍以上。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行后，供水溫度可穩(wěn)定在50～60 ℃，可完全滿(mǎn)足用戶(hù)采暖需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

近幾年來(lái)，隨著我國(guó)新的發(fā)展理念的貫徹落實(shí)，清潔采暖全行業(yè)呈現(xiàn)出太陽(yáng)能+供暖案例迅速增多、技術(shù)逐步進(jìn)步、百姓和政府都認(rèn)可的良好態(tài)勢(shì)，太陽(yáng)能行業(yè)正向著高質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)。非成像聚光太陽(yáng)能集熱器相較于傳統(tǒng)的集熱器優(yōu)勢(shì)突出，從應(yīng)用案例分析來(lái)看，非成像聚光太陽(yáng)能集熱器應(yīng)用于供暖系統(tǒng)中集熱效率高、節(jié)能環(huán)保、投資運(yùn)行成本低，綜合效益良好，且隨著能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重及不可再生能源價(jià)格的不斷上漲，非成像聚光太陽(yáng)能集熱器供暖系統(tǒng)將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。