李金平, 刘 润, 崔维栋, 黄娟娟, 王春龙，2，3

(1. 兰州理工大学 西部能源与环境研究中心, 甘肃 兰州 730050; 2. 兰州理工大学 西北低碳城镇支撑技术协同创新中心, 甘肃 兰州 730050; 3. 兰州理工大学 甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

随着科学技术的日新月异,能源短缺已不容忽视,节约能源已受到世界性的普遍关注,目前全世界能源大约有30%消耗在建筑上[1].西北地区经济发展比较落后,西北新农村建筑多以“土暖气”分散采暖,需要消耗大量的煤炭资源,造成严重的环境污染.西北地区拥有丰富的太阳能资源,太阳能是一种取之不竭的可再生资源[2-4]，太阳能热水与低温地板辐射采暖结合是最佳的选择,具有良好的经济、节能、环保效益及良好的市场推广应用价值[5-8].国内外有很多学者对全玻璃真空管太阳能性能进行研究[9-13],但是对储热水箱热损失研究特别少.Lundh等[14]研究了50户建筑供暖的太阳能供热系统,发现由于储热水箱太小,储热水箱的热损达到了储热量的40%.廖承菌等[15]对新型贮热水箱的热性能进行研究,结果表明：采用新型贮热水箱的太阳能热水系统平均热损系数下降1.35～3.42 W/(m2·K).由于西北地区环境温度较低,储热水箱中热水与外界空气传热过程中的热量不可忽略,有必要分析储热水箱总热损系数和总热损失各影响因素,如何造成储热水箱热量损失的原因,如何提高储热水箱的储热能力,国内外很少有人研究.

鉴于以上分析,通过试验数据对储热水箱总热损系数和总热损失各影响因素进行拟合,针对储热水箱热损失分析及室内热环境现状,提出将储热水箱置于室内的建议,以增强储热水箱储热能力和改善建筑室内舒适度,对以后的全真空玻璃管太阳能主动采暖系统在实际生活中的设计和安装起到一定的指导作用.

1 西北单体建筑太阳能供暖系统

1.1 西北单体建筑介绍

西北单体建筑地点位于民勤县张麻村,年平均气温8.3 ℃,海拔1 385 m,太阳能资源丰富,建筑南北朝向,外墙材料依次是15 mm水泥砂浆+370 mm烧结黏土多孔砖+15 mm水泥砂浆,砖混结构,外部长、宽、高为12.02 m×9.74 m×3.30 m；建筑内部分为三间卧室、一间客厅、一间厨房、一间卫生间；东北角卧室尺寸为3.00 m×3.36 m,面积为10.08 m2；西北角卧室尺寸为3.00 m×3.30 m,面积为9.90 m2；西南角卧室尺寸为3.00 m×3.60 m,面积为10.80 m2；东南角厨房尺寸为3.00 m×3.60 m,面积为10.80 m2；客厅尺寸为4.80 m×3.60 m,面积为17.28 m2；卫生间尺寸为1.56 m×2.11 m,面积为3.29 m2；三间卧室和厨房的门为木门,卫生间的门为玻璃门,客厅的门为铝合金门,该建筑面积为117.07 m2,建筑物平面布置及尺寸如图1所示.

1.2 太阳能供暖系统

太阳能供暖系统主要包括太阳能集热系统、储热系统、供热系统和辅助热源.本系统选用的单组太阳能集热器是全真空玻璃管40支φ58 mm×1 800 mm,布置在正南朝向,与水平面倾角45°安装.储热箱容积为400 L,太阳能供暖系统如图2所示.

当白天全真空玻璃真空管阵列将太阳辐射转换为热能加热储热水箱中的热水,晚上当储热水箱中热水温度满足供暖需求时,启动循环水泵驱动储热水箱中热水至室内地暖供暖；其中储热水箱置于室外,水箱保温层将其与室外温度环境隔离.当太阳能充足时和储热水箱达到一定温度时,太阳能热水单独供暖系统运行,启动循环水泵驱动储热水箱中热水至室内地暖供暖,系统全部来自太阳辐射；当遭受阴雨(雪)天气,太阳辐射有限,小型燃煤锅炉充当辅助热源保证供暖系统稳定运行.供暖时间是下午16:00启动供暖循环水泵向室内供暖,至晚上24:00结束.在本文中选取的试验数据都是采用太阳能热水单独供暖,无燃煤锅炉辅助.

1.3 实验仪器及技术参数

1) 环境温度、供暖水箱中部温度、供暖水箱进出口温度均采用PT100温度传感器,四线制,量程为-50～100 ℃,精度为A级,±0.15 ℃.

2) 太阳辐射强度采用锦州阳光生产TBQ-2太阳能总辐射表,量程为0～2 000 W/m2,仪器灵敏度为8.963 μV/(W/m2),工作环境为5～45 ℃,相对湿度小于90%.太阳能总辐射表固定在屋顶倾角是45°的支架上,支架底部与水平一致,用指南针调整到正南方向,周围没有遮挡物.

3) 供暖水箱流量采用上海华脉LWGY-20涡轮流量计,量程为0.7～7.0 m3/h,精度为±0.44%.

4) 供暖循环水泵均为浙江省台州沪发机电有限公司生产的LRS/15-9 屏蔽循环泵,功率120 W,扬程9 m,最大流量50 L/min.

以上参数采用Agilent 34970A数据采集仪自动采集和记录,设置扫描间隔为10 s.

2 计算公式

储热水箱的总热损系数：

(1)

式中：Us为储热水箱的总热损系数,W/℃；m为储热水箱水的质量,kg；Cp为水的比热容,4 200 J/(kg·℃)；Δτ为时间间隔,s；ti为试验中储热水箱内的初始水温,℃；tf为试验中储热水箱内的最终水温,℃；tav为环境平均温度,℃.

采暖系统的热量方程[16]：

Qu=Qloss+Qg

(2)

式中：Qu为太阳能采暖系统供热量,MJ；Qloss为储热水箱热损失,MJ；Qg为太阳能采暖向室内供热量,MJ.Qloss和Qg分别为

式中：ts为用温度传感器测试得到的,每隔10 s测试储热水箱内热水的温度,℃；ta为环境温度,℃；t为时间,h;qm为供暖循环水流量,kg/s；tin为供暖供水温度,℃；tout为供暖回水温度,℃.

3 实验结果分析

3.1 太阳能集热器集热效率分析

图3为2015年12月15日上午09:01至下午17:03太阳辐射量、水箱温度和环境温度随时间变化的曲线.日照时间为8.2 h,太阳辐射强度从09:01开始缓慢出现,此时太阳辐射量比较低.主要原因是在太阳辐射初期,环境温度很低,在下午14:02达到全天最大辐射量971 W/m2.储热水箱温度是先上升后缓慢下降的变化趋势,水箱温度在16:00时温度达到最大,而后逐渐减少.主要原因是此阶段储热水箱开始向室内供暖,随着储热水箱热量的减少,温度也随之下降.环境温度为-7.73～0.88 ℃.

表1 集热效率实验结果

(5)

多元判定系数R2为0.685,标准误差为0.712,分析变量对太阳能集热器集热效率的影响.在储热水箱和环境日平均温差不变的情况下,单位面积太阳辐射量每增加1 MJ,集热效率增加2.135 MJ,在集热面积日累计太阳辐射量不变的情况下,储热水箱平均温度与环境温度温差每增加1 ℃,集热效率降低0.318 MJ.

3.2 储热水箱热损失分析

图4为储热水箱热损失、水箱温度和环境温度随时间变化的曲线,在00:00～08:00储热水箱温度处于一直下降的趋势,09:01～11:00储热水箱温度处于缓慢上升的趋势.主要原因是在集热初期,太阳辐射量较弱且环境温度较低,太阳能集热器吸收的热量只有一部分被有效利用,另一部分散失于环境,无法提供更多的热量用于提高储热水箱温度.在12:00之后储热水箱温度快速上升,其后16:00时储热水箱温度达到最大值而后逐渐下降.在运行期间,环境温度在-8.04～0.88 ℃内波动,储热水箱热损失总共为12.72 MJ,向室内供暖为21.18 MJ.该控制系统设置供暖循环水泵运行15 min后停止5 min,便于系统排汽,之后继续运行,如此往复循环.供暖时间是下午16:00启动供暖循环水泵向室内供暖,至晚上24:00结束,供暖阶段储热水箱热损失总共为3.23 MJ,供暖阶段储热水箱热损失占储热水箱总热损失的25.40%,自然冷却阶段储热水箱热损失为9.49 MJ,自然冷却阶段储热水箱热损失占储热水箱总热损失的74.60%.表明储热水箱置于室外,储热水箱热损失主要发生在自然冷却阶段,造成储热水箱热损失的主要原因是储热水箱所处的环境温度比较低,储热水箱温差比较大,同时难免受到风速的影响.

储热水箱的热水温度通常高于环境温度,当供暖结束时,储热水箱中的热水在00:00～08:00时间段处于自然冷却阶段,由于热水在供暖时不断循环,可认为供暖结束之后水箱水温分布均匀.由于西北地区冬季室外环境温度特别低,储热水箱中的热水与外界传热过程中存在热损失.太阳能集热器吸收的热量只有一部分被有效利用,另一部通过储热水箱和室外管道散失到了环境中.由于管道的保温措施良好且管道的外表面积与储热水箱的外表面积相比很小,因此本文研究时忽略了管道热损失,只考虑外界因素环境温度、室外风速等对储热水箱的影响.分析储热水箱热损失,首先要确定储热水箱热损失系数[17].

选取2015年12月15日夜间00:00～08:00这个时间段试验数据进行分析,这个时间段处于自然冷却阶段.图5为储热水箱温度和环境温度随时间变化的曲线,储热水箱温度和环境温度一直处于缓慢下降趋势,储热水箱内的初始温度为49.02 ℃,储热水箱内的最终温度为43.89 ℃,供暖时间是下午16:00启动供暖循环水泵向室内供暖,至晚上24:00结束.供暖结束后,在夜间随着环境温度的降低,储热水箱温度也在逐渐下降.环境温度在-7.8～-4.8 ℃内变化,环境平均温度为-6.23 ℃.

根据式(1～4)分析计算可得当日储热水箱的总热损系数为5.68 W/℃,当日总热量损失为9.49 MJ.如果将储热水箱置于室内,储热水箱热损失会转变为有用的能量向室内供暖,同时可以相对延长太阳能热水供暖时间,室内温度会进一步提高.

3.3 储热水箱总热损系数各影响因素拟合

表2 储热水箱总热损失与总热损失系数实验结果

为分析00:00～08:00平均环境温度、室外风速、储热水箱温度变化幅度对储热水箱总热损系数的影响,采用多元线性变量回归方程对试验数据进行处理,以获得储热水箱总热损系数与平均环境温度、室外风速、储热水箱温度变化幅度的关系.多元变量线性回归方程为

y=β0+β1X1+β2X2+β3X3

(6)

式中：β0为截距；βi为偏回归系数；X1为平均环境温度,℃；X2为室外风速,m/s；X3为储热水箱温度变化幅度,℃.

如果其他自变量保持不变,Xi中的单位变化引起因变量y的变化,数据分析结果见表3.

表3 储热水箱总热损系数拟合关系式(6)系数

由表3得到储热水箱总热系数与平均环境温度、室外风速、储热水箱温度变化幅度的关系如下：

y=2.385-0.008X1+0.007X2+0.679X3

(7)

R2为0.914,说明在储热水箱总热损失的总变差中,有91.4%可由平均环境温度、室外风速和储热水箱温度变化幅度来解释,回归方程的拟合优度优.F小于显著性水平0.05,认为能用线性模型描述自变量与因变量间的相关关系.标准误差为0.895,说明用平均环境温度、室外风速和储热水箱温度变化幅度来预测储热水箱总热损系数时,平均的预测误差为0.895 MJ.结果显示,在其他条件不变的情况下,分析单一因素对储热水箱总热损失的影响.平均环境温度每降低1 ℃,储热水箱总热损失增加0.008 MJ;室外风速每增加1 m/s,储热水箱总热损失增加0.007 MJ;储热水箱温度变化幅度每增加1 ℃,储热水箱总热损系数增加0.679 MJ.储热水箱总热损系数受到环境温度、室外风速和水箱内部水温变化的影响,在白天有太阳光时,热损系数还会受到太阳辐射的影响,但考虑到水箱外壳的保温措施良好且水箱接受太阳辐射的外表面积较小,在计算过程中并不考虑太阳辐射的影响,因此忽略太阳辐射对热损系数的影响.

3.4 储热水箱总热损失各影响因素拟合

储热水箱总热损失与各方面因素有关,为分析00:00～08:00平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度对储热水箱总热损失的影响,采用多元线性变量回归方程对实验数据进行处理,以获得储热水箱总热损失与平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度的关系.多元变量线性回归方程为

y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+β4X4

(8)

式中：X4为储热水箱温度变化幅度,℃.

如果其他自变量保持不变,Xi中的单位变化引起因变量y的变化；数据分析结果见表4.

由表4得到储热水箱总热损失与平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度的关系如下：

y=3.564-0.067X1+0.042X2-0.068X3+

1.641X4

(9)

表4 储热水箱总热损系数拟合关系式(8)系数

R2为0.975,说明在储热水箱总热损失的总变差中,有97.5%可由平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度来解释,回归方程的拟合优度优.F小于显著性水平0.05,认为能用线性模型描述自变量与因变间的相关关系.标准误差为1.222 MJ,说明用平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度来预测储热水箱总热损失时,平均的预测误差为1.222 MJ.结果显示,在其他条件不变的情况下,分析单一因素对储热水箱总热损失的影响.平均环境温度每降低1 ℃,储热水箱总热损失增加0.067 MJ;室外风速每增加1 m/s,储热水箱总热损失增加0.042 MJ;储热水箱平均温度每降低1 ℃,储热水箱总热损失增加0.068 MJ;储热水箱温度变化幅度每增加1 ℃,储热水箱总热损失增加1.641 MJ.储热水箱热损失主要是受平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度的影响,储热水箱所处的环境温度低,导致储热水箱内水温波动范围比较大.

基于对储热水箱热损失的分析,发现储热水箱热损失与平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度有关.为了提高储热水箱储热能力及改善室内热环境现状,也可以考虑把储热水箱置于室内.储热水箱周围环境温度提高的同时,储热水箱的热损失即变为有用的能量加热房间,室内温度可进一步提高,并改善建筑室内舒适度.

4 结论

1) 储热水箱热损失受平均环境温度、室外风速、储热水箱平均温度和储热水箱温度变化幅度对储热水箱总热损失的影响,拟合得出在其他条件不变的情况下,分析单一因素对储热水箱总热损失的影响.平均环境温度每降低1 ℃,储热水箱总热损失增加0.067 MJ;室外风速每增加1 m/s,储热水箱总热损失增加0.042 MJ;储热水箱平均温度每降低1 ℃,储热水箱总热损失增加0.068 MJ;储热水箱温度变化幅度每增加1 ℃,储热水箱总热损失增加1.641 MJ.

2) 针对储热水箱热损失分析及室内热环境现状,提出可考虑将储热水箱置于室内的建议.储热水箱热损失会转变为有用的能量向室内供暖,同时可以相对延长太阳能热水供暖时间,室内温度会进一步提高，极大地增强了储热水箱的储热能力，改善了建筑室内的舒适度.