刘杰， 陈安娟， 张俊

(青岛理工大学环境与市政工程学院， 青岛 266000)

能源是人类生存和发展的物质基础，随着社会经济的快速发展，能源消耗量不断增加，传统化石能源供应日趋紧张，引发的环境问题日益突出，寻找清洁可再生的替代能源成为社会可持续发展的关键[1-2]。太阳能作为清洁、无污染、可再生能源引起社会的广泛关注[3-4]，作为可再生能源的重要利用方式之一，太阳能热利用在全球广泛应用于热水制备、太阳能空调、太阳能供暖和工农业加热等领域，而太阳能在供暖领域的有效利用对建筑节能起着重要的作用，因此太阳能供暖成为目前太阳能热利用领域的研究重点[5-6]。在中国北方农村地区冬季主要采用燃柴、燃煤、燃气的方式取暖，供暖季利用太阳能进行取暖，既能够解决燃煤、燃柴带来的环境污染和能源浪费问题，真正实现清洁供热，还能够缓解用气压力[7]，具有明显的经济、环境及社会效益[8]。目前常用的太阳能采暖系统多以水为传热介质，在使用过程中存在泄露、冻裂及结垢等问题，因此换热好，运行安全稳定的空气集热器成为研究的重点[9-11]。随着集热器技术的发展，一些新型结构的真空管太阳能空气集热器研究及应用取得较好成果[12]。董吉斌等[13]搭建了真空管式太阳能空气集热器供暖系统进行采暖测试，结果表明，该采暖方式在环境温度不低于-15 ℃的地区，当太阳辐照强度大于400 W/m2，能满足白天大部分时间采暖的要求。李彩霞等[14]基于太阳能空气集热器组成新型的太阳能干燥/采暖联合系统进行研究，结果表明该联合系统能够满足农户对农副产品干燥和家庭采暖的两种需求。

空气式真空管集热器以空气为传热介质，具有抗冻性好、不结垢、无腐蚀、运行安全可靠等优点，广泛应用于太阳能干燥、太阳能采暖等领域[15]。但普通的空气集热器在使用过程中因采用双流道，风量小、流道长导致真空管中的热量利用不充，真空管内保持较高的温度，不利于真空管再次吸收热量，降低了真空管换热效率。为有效解决上述问题，现研究一种新型双通空气式太阳能真空集热器，并搭建试验台对集热器热性能进行测试，同时对该集热器应用于农村户用采暖时的供暖效果进行测试分析，旨在证明空气式太阳能集热器在供暖领域的应用中具有较强的可行性。

1 双通空气式真空管太阳能集热器基本结构和工作原理

1.1 基本结构

为获得更高的换热效率和减少真空管受热应力而产生的破损，设计并研究了新型双通空气式真空管太阳能集热器，具体结构如图1所示。

图1 新型双通真空管太阳能空气集热器结构图Fig.1 Structural diagram of new double pass vacuum tube solar air collector

由图1可知，双通空气式真空管太阳能集热器主要由进出风联集箱，真空集热管及框架组成。集热器进风联集箱与出风联集箱通过密封圈与双通空气式太阳能真空集热管相连，空气由风机送入进风联集箱后分配到不同的真空管内进行吸热，吸收热量后的空气进入出风联集箱进行送风。双通直流式全玻璃太阳能真空集热管头部和尾部互通，双通直流，能够快速将热量导出，使集热管处于最佳工作状态；进风口径大，风量大，真空管吸收的热量被充分利用，换热效率高；真空管内管出风口端设有8个膨胀节，起缓冲作用，避免工作过程中因冷热冲击产生的热应力导致真空管破损。空气型太阳能集热器具体参数如表1所示。

表1 新型太阳能空气集热器参数

1.2 工作原理

空气由风机送入进风联集箱后流入不同的直通式真空集热管，太阳辐射透过外玻璃管照射到涂有选择性吸收涂层的内玻璃管上，吸收涂层充分吸收入射太阳辐射能后将其转化为热能，并通过辐射和对流形式将热量传递给进入管内的空气，空气在被加热升温的过程中将有用热能带走，与此同时，被加热的吸热管透过玻璃管向周围环境散失部分热量。

2 集热器热性能试验

2.1 试验系统

试验采用空气作为循环工质，通过风机实现强制循环，试验测试系统如图2所示。

图2 试验系统图Fig.2 Test system diagram

整个试验系统包括太阳能系统和测试系统。太阳能系统包括集热器、风机，支架。测试系统包括气象参数测试和集热器系统参数测试两部分。气象参数测试包括环境温度、环境风速、太阳辐照强度。集热器测试包括风量、集热器进出口风温度。试验主要测试仪器及集热器安装环境如表2和表3所示。

表2 试验主要测试仪器

表3 集热器安装环境

2.2 集热器集热效率计算

集热器瞬时效率(ηi)定义为在某一时间内吸收的有用能(Q)与入射的太阳辐射能之比[16]。

(1)

Q=mCf(Te-Ti)

(2)

式中：Q为集热器吸收的有效热量，W；Aa为集热器采光面积，m2；Is为太阳辐射强度，W/m2；m为工质质量流量，kg/s；Cf为传热工质比热容，J/(kg· ℃)；Te为工质出集热器的温度， ℃；Ti为工质进集热器的温度， ℃。

(3)

式(3)中：Ta为环境温度， ℃。

将试验测得的工质进出口温度、流量、太阳辐射强度代入式(1)～式(3)中计算出各离散点的值，通过最小二乘法进行曲线拟合，即可获得以归一化温差为参考的瞬时效率曲线方程[17]，其形式为

(4)

式(4)中：η为基于归一化温差的瞬时效率；ηo为集热器可获得的最大集热效率；UL为集热器总热损失系数。

2.3 试验结果及分析

在德州地区搭建了上述试验台对新型太阳能集热器热性能进行测试，测试时间为2020年8月14日8:30—16:00,当日天气晴朗，间或少云，微风。测试过程中空气质量流量恒定在0.018 kg/s，测试期间环境温度为16～19 ℃。

由图3可知，集热器出风温度随太阳辐照强度的变化而变化，集热器进风温度变化不大。随着太阳辐照度的增加，集热器出风温度及进出口温差增加，太阳辐照强度在12:40达到最大值728 W/m2，集热器最高出风温度可达92.3 ℃，出现在12:45，相比最大辐照强度出现的时间略晚，这是由于集热器将吸收的太阳能转化成热能并将其传递给工作介质的过程中需要一定的时间。

由图4可知，集热器瞬时效率随着太阳辐照强度的变化而变化。在12:45瞬时效率达到最大值为0.758,此时集热器进出口温差最大，工质带走的有用能最多，使得集热器瞬时效率最高；集热器瞬时平均集热效率为0.667，相比较普通空气集热器效率较高。

图3 集热器出口温度随太阳辐照度变化Fig.3 Variation of collector outlet temperature withsolar irradiance

图4 集热器瞬时效率Fig.4 Instantaneous efficiency of collector

图5是基于归一化温差的瞬时效率拟合曲线。根据集热器进出口温度和太阳辐照强度得到该集热器瞬时效率曲线方程为

(5)

当集热器与外界基本无热交换时，集热器效率极限为0.758；当集热器工作介质温度高于环境温度时，真空管向外散热，效率曲线斜率为-2.092，即集热器热损系数为2.092 W/(m2· ℃)。进风温度越高，太阳辐照强度越小，瞬时效率越低，即高温运行时集热器的热性能较差。

图5 瞬时效率拟合曲线Fig.5 Instantaneous efficiency fitting curve

3 农村独立民居冬季供暖应用初步研究

本文研究的供暖系统位于山东省德州市平原县某农村建筑上，供暖面积50 m2。建筑原采用家用空调器取暖，现增加太阳能系统和电加热联合供暖。室内采暖设计温度16～24 ℃。

太阳能系统包括2台新型空气集热器、2台100 W风机及若干风管，风管外部设有保温层，在出风口处设置电加热，辅助供暖，两台集热器采用串联方式连接，系统图如图6所示。

图6 太阳能+电加热供暖系统图Fig.6 Solar+electric heating system diagram

图7 太阳能+家用空调器供暖系统实物图Fig.7 Physical drawing of solar energy+household air conditioner heating system

系统控制原理：太阳能空气集热器出口及室内装有温度传感器，当集热器出口温度高于35 ℃时，开启两台风机，在回风机牵引下室内空气进入集热器内进行加热，加热后的空气通过主风机经送风管直接送至室內进行供暖，循环送风，使室内温度不断升高，直至达到室内设计温度；当集热器出口温度处于15～35 ℃时，开启风机的同时利用电加热辅助供暖；当出口温度低于15 ℃时关闭风机及电加热，开启家用空调器取暖，供暖系统实物图如图7所示。为了更好地研究该新型太阳能集热器在实际供暖中的供暖效果，因此在测试过程中仅开启太阳能供暖系统。

本文只研究该联合系统在太阳能单独供暖情况下的供暖效果，测试时间为2021年1月1号、2号的9:00—17:00，测试结果如图8和图9所示。

图8 晴天条件下集热器出口温度及室内外温度变化曲线Fig.8 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under sunny conditions

图8为晴天条件下集热器出口温度及室内外温度变化曲线。由图8(a)可知集热器出口温度随太阳辐射度的变化呈现出先升高后降低的变化趋势。在12:40左右太阳辐照强度达到最大值为512 W/m2，随后集热器出口温度达到最大值为53 ℃，这是因为集热器将太阳能转化成热能需要一定的时间，因此集热器最高出口温度略晚于最大辐照强度出现的时间；由图8(b)可知供暖房间温度呈现先升高后降低的变化趋势，而非供暖房间温度及环境温度变化不大，9:30左右太阳能集热器出口温度高于35 ℃，此时室内温度开始高于16 ℃，室内温度在12:50左右达到最大值，为26.1 ℃，在12:00—14:00期间，太阳辐射强，环境温度较高，集热器出口温度及室内温度较高。14:00之后随着太阳辐射强度的减弱集热器吸收的热量减少，送风温度降低，室内温度逐渐下降，在16:10时送风温度降低至31 ℃，室内温度开始低于16 ℃，不能满足室内供暖需求。在晴天条件下，白天平均环境温度2.98 ℃时，非采暖房间温度较低，平均温度为4.6 ℃，而完全依靠太阳能进行采暖的房间可满足室内温度要求(16 ℃以上)的供暖时长可达7 h，因此该太阳能空气集热器供暖效果十分理想。

图9 多云条件下集热器出口温度及室内外温度变化曲线Fig.9 Variation curves of collector outlet temperature and indoor and outdoor temperature under cloudy conditions

图9为多云天气条件下集热器出口温度及室内外温度变化曲线。由图9(a)可知集热器出口温度随太阳辐照度的变化波动较大，太阳辐照强度最大值为426 W/m2，集热器最高出口温度为46 ℃，由图9可知在9:20左右集热器出口温度开始高于35 ℃，室内温度开始持续高于16 ℃，随着太阳辐照强度的变化集热器出口温度及供暖房间温度不断变化，但室内温度基本满足白天大部分时间段的供暖需求，在15:30时送风温度低于30 ℃，室内温度开始持续低于16 ℃，仅依靠太阳能不能满足室内供暖需求。在多云天气下，白天平均环境温度为2.6 ℃时，非采暖房间的平均温度为4.5 ℃，热舒适性极差，而完全依靠太阳能进行采暖的房间室内温度高于16 ℃的时长虽少于晴天天气，但满足供暖条件的时长仍然超过6 h，基本满足白天大部分时间的室内供暖需求。

在实际运行过程中，当集热器出口温度不能满足要求时，开启电加热辅助供暖或者关闭风机利用家用空调器取暖，能够满足室内24 h取暖。因本文主要研究该新型太阳能空气集热器单独供暖时的供暖效果，因此不再对联合供暖系统进行深入研究。

4 系统经济性分析及运行维护

4.1 改进前后系统经济性分析

该农户冬季原采用两台家用空调器进行供暖，改进后的供暖系统在原有家用空调器的基础上新增了空气型太阳能集热器作为冬季白天室内采暖的主要设备。设定设备使用年限为15 a，每天供暖时间为15 h，采暖时长为90 d，白天太阳能供暖时长为6.5 h。则改进前后供暖系统的初投资及运行费用比较如表4所示。

通过表4可以得出采用太阳能集热器+家用空调器虽然初投资较高，但其运行费用及总投资更低，即改进后的系统经济性较优，且更加节能环保。

表4 改进前后供暖设备初投资及运行费用Table 4 Initial investment and operation cost of heating equipment before and after improvement

4.2 系统运行维护

本文所提到的热泵即家用空调器，在改进后的供暖系统中独立存在，与太阳能供暖系统不存在直接耦合关系，因此对于改进后的太阳能+热泵供暖系统而言，系统较为简单，当太阳能集热器出风温度达到设定温度时通过送风管道向室内直接送热风，当太阳能集热系统提供的热量无法满足室内需求时关闭集热系统，开启空调，运行维护简单，太阳能供暖系统中工作介质为空气，集热器不存在漏水或者冬天冻裂等问题，只需对送回风管道做好保温减少热量散失即可，系统运行稳定可靠。

5 结论

通过搭建新型双通真空管太阳能空气集热器测试平台，对新型集热器的基本热性能进行了试验研究。同时将该新型太阳能集热器在山东德州某农村进行供暖应用，搭建了太阳能-热泵联合供暖系统，并对单独采用太阳能系统供暖时房间供暖效果进行初步研究，最终获得如下结论。

(1)新型双通空气式太阳能真空集热管，管径大，风量大，换热充分；真空管内管出风口端设有8个膨胀节，起缓冲作用，避免工作过程中因冷热冲击产生的热应力导致真空管破损，与普通空气集热器相比，运行更加安全、可靠，集热效率更高。

(3)通过对单独采用太阳能供暖系统的室内进行取暖效果分析，发现在晴朗天气条件下，太阳辐照强度持续大于250 W/m2，集热器出风温度高于30 ℃，室内温度高于16 ℃，该系统可满足室内供暖的时长超过7小时，在多云天气下，可满足室内供暖需求的时超过6 h，基本满足白天大部分时间的供暖需求。

(4)采用新型空气式太阳能集热器进行供暖，系统简单，热风直接送入房间，减少中间换热环节，系统换热效率高，且集热器出风量大，房间得热快，室内升温快，房间预热时间短,且经济环保。