分析冬季太阳能直供毛细管系统测试

0引言 　　对于热水采暖而言，水温越低，品位就越低。但由于低品位太阳能利用技术的局限性，对太阳能直接供暖系统可行性及试用性研究较少。为使太阳能直接用于建筑供暖时，满足人们对生活环境舒适性要求，可将毛细管用于建筑供暖末端，通过毛细管末端低温热水采暖装置就来利用低品位能源以节约高品位能源。为充分了解冬季太阳能直供毛细管系统运行特性，本文对冬季太阳能直供毛细管系统进行实验测试和理论分析。 　　1实验系统 　　1.1实验系统原理 　　实验系统主要包括太阳能集热子系统和毛细管辐射采暖子系统，如图1所示。太阳能集热子系统：太阳能集热器在白天吸收太阳辐射能量，使来自集热水箱的循环水升温，将热量储存到集热水箱中。毛细管辐射采暖子系统：集热水箱中热水流经房间墙壁内毛细管网，经过充分换热后流回集热水箱。在毛细管网运行时，埋设在墙壁内毛细管通过加热墙体表面，放射出波长8～13滋m远红外线，将热量传递到室内。 　　1.2实验测试系统 　　实验测试系统主要分太阳能集热性能测试和毛细管辐射供暖系统性能测试试验台，测试太阳能集热和毛细管辐射供暖系统性能，并在真实气象条件下进行运行和模拟实验。 　　实验所用太阳能集热系统采用9台HP-16型热管式真空管太阳能集热器，集热器由16根长度800m、外径58mm管子组成，总集热面积21.06m2，放置于实验楼前，朝向正南，倾角50°（天津地区冬季最佳倾角）。蓄热水箱高1.8m，直径1.2m，采用玻璃衬里钢板制成，保温层厚度100mm左右，实验期间贮存水量0.756m3。实验测试房间尺寸5.57m×5.51m×3.3m。房间类型被假定为卧室，在北面内墙壁和吊顶铺设有外径3.4mm，壁厚0.55mm，间距10mm毛细管网。受实验室条件限制，测试房间吊顶只布置15m2毛细管网格栅。 　　实验期间采用PyranometerMS-802太阳辐射测试仪测试实时太阳辐射值；通过SD-H型热量表测量流量及水流经热交换系统吸收或释放热能。在房间布有swema3000多功能测试仪用于测试室内温度、湿度、风速和热舒适度。在距离地面中心0.1m、1.1m、1.7m、3.0m处布置温湿度自记仪用于测量温、湿度，其中0.1m人体脚踝处高度，1.1m人体坐下时头顶高度，1.7m人体站立时头顶高度，3.0m测量靠近吊顶辐射面高度。为了测得侧壁和吊顶毛细管表面平均、最低和最高温度，墙壁和屋顶测点布置采用对角线法，将毛细管侧壁和吊顶壁面测点布置为9个。如图2所示。 　　2实验结果与讨论 　　太阳能集热系统性能分析：本实验系统采用具有较高集热温度，冬夏两季均可使用热管式真空集热。为分析实验系统性能，在天津气象条件下，对实验进行测试。期间，集热水箱中水始终未采用辅助电加热器加热。系统从3月11～16日。对具有代表性3月11日天气情况数据进行分析。 　　室外温度和太阳辐照强度采用温湿度自记仪和太阳辐射仪自动记录数据。图3为一天中室外温度和太阳辐照量随时间变化曲线。可看出太阳辐射强度最大值在13:00左右，此时辐射值848.2W/m2，全天平均太阳辐射值538.4W/m2，计算总辐射量18.8MJ/m2。全天室外温度在13:00左右最高达8.9℃，凌晨5:00最低降至-0.3℃，全天室外气温波动较大。 　　太阳能集热循环泵定流量运行，流量2.2m3/h。太阳能集热器吸收太阳辐射能量使集热循环水不断升温，将其储存到蓄热水箱中，再流入集热器。根据记录集热器进出口水温，由公式（1）计算出集热器有用功率。 　　式中： 　　Q——集热器实际获得有用功率，W； 　　m——传热介质流量，kg/s； 　　Cp——传热介质比热容，J（/kg•℃）； 　　ti——集热器进口温度，℃； 　　to——集热器出口温度，℃。 　　全天集热器进出口水温以及有用功率随时间变化曲线如图4所示。可看出，2.2m3/h定流量运行下，集热器进出口水温在15:00左右达到最大值，分别39.2℃、37.9℃。集热器进出口水温相差不大，在11:00左右集热器进出口温差最大达到2℃，此时集热器有用功率最大达5.2kW，通过计算得到全天集热器平均集热功率3.5kW。由SD-H32超声波计量得到单位面积全天总辐射量18.8MJ/m2，故集热器吸热板全天吸收247.3MJ，实际运行中，根据集热器的非稳态能量平衡方程得出，全天集热器自身储存能量和热损失共137.7MJ。 　　（天津城建大学能源与安全工程学院段彩侠张志刚王跃）