太陽能-低溫熱管地板輻射供熱系統(tǒng)實驗研究

1、第29卷第6期2008年6月太陽能學(xué)報ACrAENERGIAESOLARISSINICAVl0129No6Jun，2008太陽能一低溫熱管地板輻射供熱系統(tǒng)實驗研究趙薇，張于峰，鄧娜，郭曉娟(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072)摘要：為將低品位太陽能直接應(yīng)用于建筑供暖，對一種太陽能一低溫熱管地板輻射供暖系統(tǒng)進行了實驗研究。在天津地區(qū)冬季條件下、供水溫度為35～45時，針對非節(jié)能建筑的房間負荷(3o～60W／m2)進行了該系統(tǒng)各部

2、件和系統(tǒng)整體性能的實驗。實驗結(jié)果表明：供水溫度35～45℃即可滿足采暖要求；太陽能保證率受供水溫度影響顯著，供水溫度升高10~C，太陽能瞬時保證率減小5％；晴朗白天，室外平均溫度一072~C，平均太陽輻照度4251W／，太陽能瞬時保證率近似為1；陰天室外平均溫度一155~C，平均太陽輻照度2205W／m2，太陽能瞬時保證率隨供水溫度和負荷的變化而變化，范圍是052～096。實驗證實：該系統(tǒng)能提高太陽能熱利用的經(jīng)濟性，熱管地板傳熱性能優(yōu)于

3、塑料埋管地板，供水溫度可以比常規(guī)塑料埋管地板的要求降低約5~C。關(guān)鍵詞：太陽能；重力式熱管；熱管輻射地板；供暖系統(tǒng)中圖分類號：TK5112；TU83217文獻標識碼：A0前言鑒于采暖供水溫度通常為50～60cI=，如果將能源密度低、集熱效率低的太陽能與之相匹配很難滿足建筑供暖空調(diào)的需求。因此，大量研究集中在提升太陽能品位和優(yōu)化系統(tǒng)性能上，如：Hawlader_】j、Esen_2和Kami|f33等對太陽能熱泵供暖系統(tǒng)進行了實驗研究，余延

4、順L4和Onder_5分別對我國寒冷地區(qū)和歐洲地區(qū)太陽能一土壤源熱泵系統(tǒng)的性能和運行方式進行了探討。由于低品位能利用技術(shù)的局限]，對太陽能直接供暖系統(tǒng)的可行性及適用性的研究較少。太陽能直接供暖系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、易與建筑一體化的特點，如果將輻射地板作為供暖系統(tǒng)末端，將獲得更好的節(jié)能效果和舒適性。Martinez等對太陽能地板輻射采暖系統(tǒng)進行了實驗研究，設(shè)計集熱器面積為l536m2用以滿足172m2的采暖負荷與熱水負荷，實驗結(jié)

5、果表明該系統(tǒng)的太陽能保證率為0486。作者擬將重力式熱管直接應(yīng)用于以太陽能為熱源的低溫地板采暖系統(tǒng)中，以期利用其優(yōu)良的傳熱性能，在降低集熱溫度和供水溫度的同時提高系統(tǒng)運行效率，驗證低品位太陽能直接供暖的技術(shù)可行性。本文在室外氣象條件、房間負荷、運行參數(shù)等變化的條件下，對太陽能一低溫熱管地板供暖系統(tǒng)特性進行了一系列的實驗研究。1實驗系統(tǒng)11熱管制備及低溫熱管地板鋪設(shè)方式熱管是綜合液體蒸發(fā)、冷凝和毛細管現(xiàn)象制作而成的，是最有效的傳熱元件之一

6、[8]。本文選用結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的重力式熱管作為傳熱單元，整個熱管長800ram，內(nèi)外徑分別為12ram和15mm，鋼管內(nèi)壁面經(jīng)過物理化學(xué)處理，管內(nèi)充一定量的無機工質(zhì)。將重力式熱管與地板輻射采暖相結(jié)合，就必須考慮實際的工作條件與連接方式，以達到合理、高效、經(jīng)濟的傳熱效果。我們前面的研究工作_l?！耙呀?jīng)證實：熱管串聯(lián)連接的傳熱性優(yōu)越，熱管的水平傾角為1?！?0即可滿足地板采暖對傳熱功率的要求。實際鋪設(shè)中熱管傾斜角度采用2。，蒸發(fā)段和冷

7、凝段高差為28mm，對地板構(gòu)造并無影響。實驗采用的低溫熱管輻射地板構(gòu)造如圖1所示。12實驗簡介為對太陽能一低溫熱管地板輻射供暖系統(tǒng)的整體性能進行測試，參照ISO31481975(用空氣冷卻閉收稿日期：20070809基金項目：南開大學(xué)天津大學(xué)聯(lián)合研究基金項目(TD2001001)；北京市重點實驗室開放課題(2003O1)通訊作者：趙薇(1981一)，女，博士研究生，主要從事建筑節(jié)能研究。2~aaowei528@gmailoom維普資訊6

8、期趙薇等：太陽能一低溫熱管地板輻射供熱系統(tǒng)實驗研究639如此反復(fù)循環(huán)將熱量傳向室內(nèi)。地板回水進入蓄熱水箱底部。當水箱供水溫度較高時，通過調(diào)節(jié)回水旁路閥門的開度，使供水溫度為某一設(shè)定值。夜間或陰天時，集熱器停止工作，蓄熱水箱直接向熱管地板供熱。當蓄熱量不足時，開啟供水管處的加熱器來補充?？紤]冬季防凍需要，可在蓄熱水箱內(nèi)設(shè)置換熱器，將室外集熱部分作為閉合回路并在載熱介質(zhì)內(nèi)添加防凍液。13實驗內(nèi)容及參數(shù)范圍熱管地板可以在低溫下達到較好的傳熱性

9、能，因此，本文在考慮天津地區(qū)冬季實際采暖狀況下，確定了實驗參數(shù)及其范圍，參見表1。表1太陽能—低溫熱管地板采暖實驗參數(shù)及其范圍Table1Experimentalparametersandoperatingconditions參數(shù)名稱參數(shù)范圍集熱器集熱溫度／℃供水溫度r／oc采暖熱負荷指標q／Wm室外氣象條件35，40，4535，40，4530，45，60天津冬季典型晴天、陰天本文實驗由集熱器低溫集熱性能測試和模擬真實氣象條件下太陽能一

10、低溫熱管地板輻射采暖系統(tǒng)整體性能實驗兩部分組成。在集熱器性能測試中，通過調(diào)節(jié)集熱器的溫差控制器及循環(huán)水流量來改變集熱溫度。在整體實驗中，調(diào)節(jié)蓄熱水箱電加熱器來模擬真實氣象條件，調(diào)節(jié)冷卻水的流量來改變小室采暖熱負荷。各種實驗工況下，每隔30min改變蓄熱水箱加熱量，數(shù)據(jù)采集儀采集各個熱電偶和鉑電阻的溫度，同時記錄各回路供水流量和各加熱器電功率。2實驗結(jié)果與討論21熱管真空管集熱器低溫集熱性能為滿足冷暖聯(lián)供的要求，本實驗采用了可以達到較高集

11、熱溫度、冬夏兩季均適用的熱管真空管集熱器。由于熱管真空管集熱器在低溫下的集熱性能對供暖系統(tǒng)的運行特性有極大影響，而文獻[12]中擬合集熱效率公式的適用范圍為305～131oC，不夠精確。因此，在天津冬季氣象條件下，針對低溫集熱性能進行了測試。實驗于2006年2月10日～20日進行，太陽輻照度98～487W／rn，室外溫度一102—96℃，室外風速25m／s。計算時間間隔內(nèi)的集熱器平均效率可由(1)式計算得到：=(I‘口(t)／A。，(t

12、)dt)／(t一t。)(1)Jl式中，口——集熱器瞬時集熱量，w；。——集熱面積，；卜一瞬時太陽輻照度，W／W；t、t2——積分初、終時間，s。對實驗數(shù)據(jù)進行整理，回歸出熱管真空管集熱器低溫下的集熱效率為：=0718—2165(ti一。)／7(2)式中，ti——集熱器進口溫度，oC；?！嬎銜r間間隔內(nèi)平均室外溫度，oC；，一計算時間間隔內(nèi)平均太陽輻照度，w，。在整個測試期內(nèi)，熱管真空管集熱器的效率平均可高達627％。式(2)與文獻[1

13、1]中效率公式相比，計算誤差減小43％。22系統(tǒng)整體性能為研究不同運行條件下太陽能一低溫熱管地板輻射供暖系統(tǒng)的性能及運行規(guī)律，驗證低品位太陽能直接應(yīng)用于熱管地板供暖的可行性，進行了系統(tǒng)模擬運行實驗。氣象條件，特別是太陽輻照度，在很大程度上決定了太陽能供暖系統(tǒng)的運行特性和經(jīng)濟可行性，而這方面的對比實驗研究數(shù)據(jù)稀少。在熱管真空管集熱器低溫集熱性能實驗的基礎(chǔ)上，本文選取天津地區(qū)冬季典型晴天和陰天日的氣象條件，在不同運行工況下，對太陽能一低溫熱

14、管地板輻射供暖系統(tǒng)進行了全天實驗。圖3分別顯示了氣候及房間負荷最有利工況(晴天，q=30w／W，=40％)和最不利工況(陰天，q=60W／m~，=40％)下，系統(tǒng)集熱量、輔助電加熱量、蓄熱水箱平均溫度、地板表面平均溫度、地板回水溫度及室內(nèi)溫度隨時間和室外氣象條件的變化。從圖中可以看出：①集熱量受天氣狀況影響很大，晴天日間8h集熱量為11145610，陰天日間8h集熱量為547210，前者約為后者的2倍。但集熱量全天變化趨勢一致，隨太陽輻