太阳能空气集热器应用于建筑供暖的研究.pdf

资源开发 西藏科技) 2 o o s年2期( 总第 1 7 9期) 太阳 能 空 气 集 热 器 应 用 于 建 筑 供 暖 的 研 究 洪亮 多吉 王海江 李金祥 王守彪 旦增罗布 ( 西藏 自治区能源研 究示范中心， 西藏 拉 萨8 5 0 0 0 0 ) 摘 要： 本文从 国内外太阳能空气集热器的研 究、 技 术水平和应用现状， 结合 自身对太阳能空气集热器 的研究所取得的阶段成果 ， 分析此种集热器应用于西藏地区建筑供暖的可行性 ， 并对所需要进一步开展 的研究以及方法、 未来市场前景进行 了技术描述。 关键词： 太阳能空气集热器 建筑供暖研究 中图分类号： t k 5 1 3 5 1 研究背景 1 1 国内外现有技术、 知识产权和技术标准现状及预 期分析 目前 ， 太阳能在建筑供暖 中应用最为普遍的技术 和产品主要有被动太 阳房技术和太阳能热水器。被动 太阳房构造简单 、 造价低廉 ， 但建筑 阴面 ( 北墙 ) 无法 实现采暖 ， 尤其对于大进深建筑如教室、 写字楼 、 会议 室和商场尤为如此。解决这一难题 的方法多采用太 阳 能集中供暖系统 ， 集热器以水为工质的真空管、 热管式 真空管和平板集热器为主 ， 普遍存在抗冻性能差 、 防水 垢 和管路防锈蚀难度大等特点 ， 且真空管一旦破裂将 导致大量热水损失， 系统操作要求高、 维护难度大， 可 靠性低 。 建于希腊雅典 的欧洲公共法律中心利用太 阳能和 地热为建筑供暖与制冷， 展现 了卓越的能源利用效率。 其特点为 ： 地热利用上 ， 供暖与制冷分为两个管路布置 于建筑 中， 其中一台热泵主要给教室、 会堂和地板供给 冷( 热 ) 源 ， 为空气系统 ； 另一台热泵主要供给图书馆 、 办公室和宾馆 ， 为水系统 。由于采用热泵， 导致采暖建 造成本大幅攀升 ， 达 8 0欧元 m ， 且仍然存在 防冻 、 防 水垢和管路防锈蚀难度大等难题。类似的太阳能空调 系统上海交通大学于 2 0 0 4年在该校也建设 了一座 ， 均 存在同样问题 。 美国洛杉矶道格拉斯太阳能公司于 1 9 9 7年开发 出了平板式太 阳能空气集热器， 并应用于房屋采暖 ， 系 统简单可靠 ， 但基于归一化温差的瞬时效率斜率较大， 应用在建筑采暖中表现出较大的 日采 暖温差 ， 满足人 体舒适性差 。加上空气流道保温不足， 截距效率仅能 达到 4 2 。1 9 8 3年 wi n d o w研究 了内插管式提热 系 统 ； 1 9 8 0年美 国俄亥俄州哥伦布市 ， 国际薄板金属 工 作者协会屋顶， 安装 了由 1 4 4支真空管组成 的太 阳空 3 6 气集热器系统 ， 为该楼提供采暖、 空调及生活热水 ； 澳 大利亚墨尔本市 r n m o r s e研制真空管太 阳蒸 汽系 统 ； 天津大学毛润治分别对拉网单层盖板 、 拉网双层盖 板和平板三种空气流冲刷盖板的太 阳能空气集热器的 热性能与空气流量率的关系进行了实验研究 ； 华侨大 学林金清分别对空气集热器 i、 型进行数学建模和 数值计算； 中科 院王志峰对全玻璃真空管太 阳能空气 集热器热性能实验方法进行研究 ， 并对集热器 的时间 常数、 热延迟常数 、 入射系数修正因子及瞬时热效率进 行初步实验研究 。 国际上太 阳能空气集热器只有研究标准， 最具权 威的是 a s h r a s e 9 31 9 8 6 ( 美国暖通空调工程师协会 关于太阳能集热器测试标准 ) 和 i s o 9 8 0 62 ( 欧洲质 量体系标准之太阳能热工测量标准) ， 本课题已获得 得前 期 研 究 成 果 和 今 后 开 展 的研 究 方 法 均 遵 循 a s hr a s e 9 31 9 8 6标准。 1 2 前期研究成果 西藏能源研究示范中心与中科院电工所 一皇明太 阳能联合实验室， 借助承担国家十一 五支撑计划项 目 新型节能建筑的研究 子课题 太阳能中高温空气 集热器测试台， 就全玻璃真 空管太 阳能 空气集热器 开展 了两年的研究 ， 取得的成果有 ： 1 2 1 获得太阳能空气集热器效率方程 qo 5 0 4 5 o 4 札 0 5 0 3 o 2 5 0 2 0 l 5 0 i o o 维普资讯 西藏科技 2 o o 8 年2 期( 总第1 7 9 期) 资源开发 其中 ： 1 1 ； q = c f ； t i ：( t i 一t ) g 1 2 2 建立空气集热器的阻力 一流量数学模型 ： 空气集热器阻力一 流基变化图 y=5 8 2 6 8 e 0 。 1 0 0 0 廊鞣 瓣 黼糍 端 赫勰黯 端 糍糍 黼 绱糍 麟 勰勰 端 瓣黛 舞 瓣糍 黪鞴 端 黼$ 臻 80 0 6 0 0 乌 4：0 0 2 o o o 0 5 0 1 0 0 l 5 0 2 0 0 流量( 立方米 j 寸 ) 1 2 3 建立集热器有效热容数学模型。 通过测试 g、 t 、 t i 、 m， 利用公式： ， | c =a -q o ， gmc f 一a ( t i n _t q ) 计算两个稳态 的瞬时特性 ， 并对两个稳态过程之 间的方程进行积分 ， 整理得集热器热容方程 ： c ： ： ： ： 量 ! ! ： ： ： ： 量 ! t 一 t m1 再根据实验结果利用 ( t i 一 t ) 、 t和 g作为时间 函数绘制成曲线。在两个稳态之间的曲面下面的面积 分别是 ： ( t in d 1 - 、 t d 下 、 g d r ， 在方程 中带人 实验数据 ， 从而获得有效热容数学模型 。 巷档 射 e l o 宙 e t i t t、科 舟竹 嘲 融 叠 5 0 9 9 4 8 i 9 2 46 2 9 s$4 q 3 孽3 4 4 2 4 9i 一 t 一 ti - t t 巷瓣 瓤 矸 棚 t s o s 其 中： a：a 1 1 0 ， i 2 g d r ；b： m c f t d -r ； d： 1 a u t 2。 ( t j 一 t ) d 下 + 寺 t 2。 a d r 1 2 4 稳态条件下集热器对应 日照的输出特性 变量说明 ： a 为集热器面积 ； 1 1 为集热器瞬时效率 ； m &为循 环工质质量流量； 下为时间； t 为环境温度； t 为集热 器入 口温度 ； g为太 阳总辐射 ； c 为集热器热容 ； t 为 集热器进出 口平均温度 ； u为集热 器热转移 因子 ； a、 b、 d为三个特征温度段 的有效热容 ， c为集 热器有效 热容； i l 盱 l i l 脚 l l 一 i 。 t 4 m 0： 鬟 i 0 l+ = 一 下标说明： a为环境 ； 0 、 1 、 2分别为初始 、 第一和第 二阶段。 1 2 5 完成了供暖系统的工作原理设计 太阳能空气集热器供 暧系统与建筑的结合方式 1 2 6 与清华大学建筑节能研究 中心共 同建立 了示 范装置 ， 并开展 了测试研究。 上述成果编写的论文 e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n t h e a l l g l a s s e v a c u a t e d t u b e s o l a r a ir c o l l e c t o r ) ( 太 阳能空气集热器 的测试研究 ) 在 2 0 0 7年世界太阳能大 会上经专家评审获公开发表 ， 其技术成果被公认为居 于国际先进行列 ， 充分展示 了项 目组 的研发实力。 2 进一步 的研 究 目标与任务 2 1 确定的研究 目标与任务需求分析 本项研究的总体 目标是在以上研究基础上， 以被 动方法强化真空管换热机理 ， 在不增加风机压头前提 下， 提高其集热效率， 并作为供暖热源， 开发出适合西 藏教学楼 、 写字楼 、 商场等公共 建筑 白天 ( 即 1 01 9 点) 的供暖系统。 3 7 维普资讯 资源开发 西藏科技) 2 0 0 8年2期( 总第 1 7 9期) 需求分析 ： 西藏现有商场 、 教学楼 、 办公楼等公共 建筑大部分没有实现冬季供 暖， 少数 已有的供暖设施 以电锅炉 、 燃油锅炉供暖为主， 系统 c o p值一般在 3 4 5 ， 系统能耗较高 ， 将使常规能源本 已不足的西藏更 将不堪重负 ， 加上一 个采暖季运行 费用高达 6 08 0 元m ， 大部分用户将难于承担。本项 目成果产业化 后， 供暖建造成本可望达到 3 5 0元 m ， 而一个采暖季 运行成本有望控制在 3 0 m 左右 ， 各项经济指标和 热性能指标明显优于常规供暖系统 ， 市场潜力巨大。 2 2 研究 目标与任 务解 决的主要技 术难 点和 问题 分 析 全玻璃真空管太 阳能空气集热器由于其工质具有 热容小和可压缩的特性 ， 集热器 出口工质温度不仅是 太阳辐射 、 集热器进 口工质温度 、 环境风速的函数 ， 还 与工质密度 、 定压 比热容 、 工质穿过集热器的质量流量 和局部阻力具有依变关 系， 因此 以一个或多个封闭的 函数确定集热器热力学性能 ， 必须以理论 和实验相结 合的研究方法获得。 在供暖系统的研究中， 针对不同的供暖负荷 ， 必然 涉及到多台集热器的串、 并联 ， 其热力学性能显然与单 台集热器不 同， 必须通过实验研究确定两 台集热器串 并联 的热损 、 基于管 内工质流动雷诺数的阻力与对流 换热 系数的变化关系 ， 再以数理方法推导出集热器不 同组合方式 的热力学性能。 根据供暖负荷 ， 以被动方法抑制供 暖系统工质出 口温度的过度波动 ， 必须根据当地的中长期气象数据 ， 以典型采暖 日为基准， 推算 出 日平均太 阳辐射量和热 负荷变化与时间的函数 ， 结合关于供暖系统的流量 、 压 力参数 ， 以及对局部助力元件 的努歇尔数优化研究结 果 ， 在强化换热而又不过多增加风机压头前提下 ， 设计 蓄热器的容量 、 特征尺寸和复合换热方式。 估算供暖系统各部分的局部阻力和沿程阻力， 结 合供暖热负荷 ， 确定风机全压 、 流量等选型参数。 根据热空气流动特性和人体对风的感受特点 ， 优 化室内送风气流组织方式， 以提高人体舒适性、 减小供 暖系统运行阻力。 3 研究任务与拟达到的技术指标 3 1 研究内容、 技术路线和创新点 研究 内容主要有 ： 3 1 1 全玻璃真空管空气集 热器与现有 建筑 的结合 方式。 38 3 1 2 采用被动方法提高全玻璃真空管太 阳能空气 集热器的瞬时效率方程性能 ， 即提高截距效率与减小 效率方程斜率。 3 1 3 根据试验得 出的集热器热力学性能和供暖热 负荷， 以减小 1 0 1 9时因日照阴晴变化导致供暖系统 输出温度的波动为 目标 ， 研制串联式小容量蓄热装置 。 3 1 4 建立 4套共 5 0 m 太阳能空气集热器供暖测试 系统 ， 测试其热力学性能 ， 通过强化换热、 低阻力管路 设计、 供暖气流合理组织分配等方法， 实现供暖系统 优化 。 3 1 5 通过一个采暖季的对 比测试 ， 衡量此种供暖方 式较普通被动太 阳房采暖的性能优劣。 具体技术路线如下 ： 对于全玻璃真空管太 阳能空气集热器 ， 在不加大 空气质量流量的前提下 ， 拟采用强化对流换热的被动 方法提高集热器热力学性能 ， 通过试验建立集热器稳 态条 件 下 的 热 力 学 数 学 模 型，测 试 方 法 遵 循 a s h r a s e 9 31 9 8 6标准。 真空管集热器在管 内换 热过程 中， 由于速度场的 畸变 ， 将导致出现 明显的温度场梯度 ； 管内换热温差沿 工质流动方 向， 与管长呈递减的函数 ， 换热效果将急剧 下降。拟通过实验研究 ， 以数理方法推导 出提高集热 器效率的管内换热方式与工艺。 对于集热器强化换热 ， 拟根据空 气射流原理指导 样品设计 ， 经试验并结合数字模拟结果 ， 优化管内换热 数学模型 ， 实现增强换热效果 。 集热器测试系统示意图如下 ： 基于 a s h r a s e 9 31 9 8 6标准对集热器的测试示意图 建立采暖示范系统示意图如下 ： 维普资讯 西藏科技) 2 o o 8 年2 期( 总第 1 7 9 期) 资源开发 采暖 系统示 意图 本项研究中， 在送风管路中串联蓄热容器达到抑 制系统工质输出温度波动。研究理论方法如下 ： r 物性- r e - n u - h 1 ：= j 其中 t ” 为假定工质入 口温度 ； at 为蓄热换热器 进 出口平均温度 ； t 为真实入 口温 度 ； r 。为蓄热换热 器工质运行雷诺数 ； n 为循环工质在蓄热换热器流过 的努歇 尔数 ； h 、 h ： 为蓄热换热器假定 的两个对流换 热系数 ； c 为蓄热换热 器的热容 ； 为蓄热换热器 的 换热功率； a为蓄热换热器的换热表面积 ； t 为蓄热换 热器 的外界温度 。 通过多次迭代计算 ， 当 h 一h ：时 ， 所选定 出 口温 度即为定性温度， 以此为标准作为确定蓄热容器的换 热系数 、 热容 、 流量和阻力损失 的特征参数 ， 设计 、 试制 出串联蓄热容器。 根据供暖热负荷 、 集热器热力学性能 ， 设计供暖系 统稳定温度蓄热装置( 热容 、 换热方式 、 装置局部 阻力 分布) ， 以及确定系统出 口温度 、 风机压头和供暖气流 分布 ， 参照 a s hr a s e 9 37 7标准对采 暖房 问热性 能 进行测试 、 评价。 创新点 ： 被动方法强化真空管对流换热 、 串联式蓄 热容器抑制温度波动 ， 经查阅国内外有关文献 ， 未见有 相同技术报道 ， 这既是本项 目的研究难点 ， 也将是 主要 的创新点。 3 2拟达到的技术指标 供暖系统瞬时截距效率大于 3 0 ； 集热器瞬时截 距效率大于 4 8 ； 在正常 日照条件下 ， 供暖室 内温度 波动小于 6 c； 采暖季供暖系统平均性能系数 c o p ( 产 出热能 能耗) 6 ； 采暖季 白天供暖依赖率 8 0 ； 在 拉萨一个采暖季供暖系统运行 电费不超过 3 0元m 。 本项研究完成后 ， 将对被 动方法强化真空管换热 技术 申请发明专利并试制 出样品 ； 对研制 的串联热容 器 申请实用新型专利 ； 对在拉 萨建立 的一套供暖示范 系统 ， 经过一个采暖季与常规被动太阳房的对比测试 ， 分析 、 研究 系统性能 ， 并提交研 究报告 。基于研究成 果 ， 提交论文一篇 。 3 3 主要经济、 社会、 环境效益经济效益 ： 本项 目成果产业化后 ， 采用 空气集热器建造的供 暖系统在拉萨一个采 暖季 ( 白天 ) 运行 电费有望控 制 在 3 0元m 以内， 明显优于 以电锅炉 、 燃 油锅炉作为 热源 的供暖系统 5 0 7 0 m 的运行能耗成本 ， 且 系统制造简单、 易于维护 、 可靠性高 ， 可广泛应用于写 字楼 、 教学楼和商