毕业论文（设计）与建筑立面结合的直通式真空管太阳能热风供暖研究1

1、摘 要在我国冬季供暖能耗在建筑总能耗总占有相当的比例。本文研究一种新型直通式真空管与建筑立面相结合的方法给室内供暖，其在结构上与建筑立面相结合，吸收太阳能给室内直接供暖，减少常规能源的使用消耗。为此，本文进行了如下研究：1通过分解真空管接收的太阳辐射量各组成部分，建立并验证了单根真空管和多管并排下每根真空管接收的太阳辐射量的计算模型。模型计算结果与实验测试结果偏差较小，验证了真空管接收太阳辐射模型的合理性；2通过所建立的真空管接收的太阳辐射量模型模拟研究集热器最佳管间距，分别分析了不同管间距时多管并排下每根真空管以及固定面积下接收太阳辐射量。得出广州地区管间距B/D在1.75时整个冬季吸收的的

2、太阳辐射最大，上海地区管间距B/D在1.5时整个冬季吸收的的太阳辐射最大，北京、哈尔滨地区管间距B/D在1.25时整个冬季吸收的的太阳辐射最大；3分别对建立并实验验证了单根、多根直通式真空管空气集热器热分析模型。经对比发现单根直通式真空管空气集热器热分析模型模拟与实验测试得到的出口空气温度偏差在2以内，模型模拟与实验测试出来的出口空气质量流量偏差在8%左右，模型模拟与实验测试得出的有效得热量偏差小于10%。多根直通式真空管空气集热器热分析模型模拟与实验测试得到的出口空气温度偏差基本稳定在24，模型模拟与实验测试出来的出口空气质量流量偏差在7%以内，模型模拟与实验测试得出的有效得热量偏差小于10

3、%。通过实验数据的吻合程度验证了单根、多根直通式真空管空气集热器热分析模型的合理性。关键词：太阳辐射模型 管间距 直通式真空管 供暖研究ABSTRACTIn China, the north of China heating energy consumption accounts for the main part of the building heating and cooling energy consumption. This paper studies a new type equipment of through-vacuum tubes combined with buildin

4、g facade for indoor heating, Its on the structure combined with the building facade, absorbing solar energy to heat the indoor air directly, reduce the conventional energy consumption. This article has carried on the following research:1. The decomposition of the process of vacuum tube to receive so

5、lar radiation, we set up the received solar radiation calculation model of the single vacuum tube and each vacuum tubes of multi-tubes side by side, and simulation and experiments are performed to verify the rationality of the calculation model. radiation model calculation results and the experiment

6、al test results deviation is small, the rationality of the vacuum tube to receive solar radiation model was verified; 2.Through simulation study collector optimum tube spacing, respectively analyzed: the spacing between the different pipe manifold side by side under each vacuum tubes to receive sola

7、r radiation, the spacing between the different pipe fixed area of incoming solar radiation. the best tube spacing B/D measured in Guangzhou is 1.75, in Shanghai is 1.5, in Beijin and Harbin is 1.25;3. Respectively we set up the received solar radiation calculation model of the single and multiple th

8、rough-vacuum tubes, and the experiment validates the validity of the model. For the the single through-vacuum tubes, the simulation and experimental within 2 in outlet air temperature difference, the difference within 8% of the air mass flow rate, the deviation within 10% of the effective heat, thro

9、ugh the experimental data and model agreement to verify the validity of the model. For the the multiple through-vacuum tubes, the deviation of outlet air temperature is between 2 and 3, the deviation within 7% of the air mass flow rate, the deviation within 10% of the effective heat. Verified by exp

10、erimental data degree of single, multiple root straight through the rationality of the vacuum tube air collector thermal analysis model.Key words: Solar radiation model, pipe spacing, solar air collector, Heating research目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc450757374 摘 要 HYPERLINK l _Toc450757375 ABS

11、TRACT HYPERLINK l _Toc450757376 第一章 绪 论 PAGEREF _Toc450757376 h 1 HYPERLINK l _Toc450757377 1.1 太阳能供热采暖的意义 PAGEREF _Toc450757377 h 1 HYPERLINK l _Toc450757378 1.2 太阳能采暖 PAGEREF _Toc450757378 h 1 HYPERLINK l _Toc450757379 1.2.1 太阳能被动式采暖 PAGEREF _Toc450757379 h 1 HYPERLINK l _Toc450757380 1.2.2 太阳能主动式

12、采暖 PAGEREF _Toc450757380 h 2 HYPERLINK l _Toc450757381 1.3 太阳能采暖的国内外研究现状 PAGEREF _Toc450757381 h 3 HYPERLINK l _Toc450757382 1.3.1 平板空气集热器 PAGEREF _Toc450757382 h 3 HYPERLINK l _Toc450757383 1.3.2 真空管集热器 PAGEREF _Toc450757383 h 4 HYPERLINK l _Toc450757384 1.4 本课题研究对象及任务 PAGEREF _Toc450757384 h 5 HYP

13、ERLINK l _Toc450757385 第二章 真空管接收太阳辐射量模型与实验验证 PAGEREF _Toc450757385 h 7 HYPERLINK l _Toc450757386 2.1 单根真空管接收太阳辐射的计算模型与验证 PAGEREF _Toc450757386 h 7 HYPERLINK l _Toc450757387 2.1.1 接收太阳辐射量的计算模型 PAGEREF _Toc450757387 h 7 HYPERLINK l _Toc450757388 2.2 单根真空管接收太阳能辐射能实验 PAGEREF _Toc450757388 h 10 HYPERLINK

14、 l _Toc450757389 2.2.1 实验概况 PAGEREF _Toc450757389 h 10 HYPERLINK l _Toc450757390 2.2.2 单根真空管实验装置介绍 PAGEREF _Toc450757390 h 10 HYPERLINK l _Toc450757391 2.2.3 测量参数及仪表 PAGEREF _Toc450757391 h 11 HYPERLINK l _Toc450757392 2.2.4 实验测点布置 PAGEREF _Toc450757392 h 12 HYPERLINK l _Toc450757393 2.2.5 实验过程 PAGE

15、REF _Toc450757393 h 12 HYPERLINK l _Toc450757394 2.2.6 数据处理 PAGEREF _Toc450757394 h 13 HYPERLINK l _Toc450757395 2.3 多管并排下每根真空管接收太阳辐射模型 PAGEREF _Toc450757395 h 14 HYPERLINK l _Toc450757396 2.3.1 真空管集热器吸收的太阳辐射能量 PAGEREF _Toc450757396 h 14 HYPERLINK l _Toc450757397 2.3.2 形状系数计算方法 PAGEREF _Toc450757397

16、 h 17 HYPERLINK l _Toc450757398 2.4 多管并排下每根真空管接收太阳能辐射能实验 PAGEREF _Toc450757398 h 19 HYPERLINK l _Toc450757399 2.4.1 实验概况 PAGEREF _Toc450757399 h 19 HYPERLINK l _Toc450757400 2.4.2 实验台介绍 PAGEREF _Toc450757400 h 20 HYPERLINK l _Toc450757401 2.4.1 实验测点布置 PAGEREF _Toc450757401 h 20 HYPERLINK l _Toc45075

17、7402 2.4.2 实验过程及结果 PAGEREF _Toc450757402 h 21 HYPERLINK l _Toc450757403 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc450757403 h 23 HYPERLINK l _Toc450757404 第三章 真空管集热器最佳管间距分析 PAGEREF _Toc450757404 h 24 HYPERLINK l _Toc450757405 3.1 垂直放置时真空管接收的散射辐射所占总辐射比例研究 PAGEREF _Toc450757405 h 24 HYPERLINK l _Toc450757406 3.2 垂直放置时不同管间

18、距时每根真空管接收太阳辐射量 PAGEREF _Toc450757406 h 26 HYPERLINK l _Toc450757407 3.3 垂直放置时不同管间距时固定面积接收的太阳辐射量 PAGEREF _Toc450757407 h 29 HYPERLINK l _Toc450757408 3.4 倾角对集热器接收太阳辐射影响 PAGEREF _Toc450757408 h 32 HYPERLINK l _Toc450757409 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc450757409 h 35 HYPERLINK l _Toc450757410 第四章 单根直通式真空管空气集热器

19、热分析与实验验证 PAGEREF _Toc450757410 h 36 HYPERLINK l _Toc450757411 4.1 直通式真空管介绍 PAGEREF _Toc450757411 h 36 HYPERLINK l _Toc450757412 4.2 直通式真空管数学模型 PAGEREF _Toc450757412 h 38 HYPERLINK l _Toc450757413 4.2.1 真空玻璃管热分析简化模型 PAGEREF _Toc450757413 h 38 HYPERLINK l _Toc450757414 4.2.2 直通式真空管换热系数计算 PAGEREF _Toc4

20、50757414 h 39 HYPERLINK l _Toc450757415 4.2.3 直通式真空管热平衡方程 PAGEREF _Toc450757415 h 40 HYPERLINK l _Toc450757416 4.2.4 直通式真空管热迁移因子和流动因子 PAGEREF _Toc450757416 h 41 HYPERLINK l _Toc450757417 4.2.5 直通式真空玻璃管的管内空气质量流量 PAGEREF _Toc450757417 h 42 HYPERLINK l _Toc450757418 4.2.6 模拟计算流程 PAGEREF _Toc450757418 h

21、 43 HYPERLINK l _Toc450757419 4.3 直通式真空管实验分析 PAGEREF _Toc450757419 h 45 HYPERLINK l _Toc450757420 4.3.1 实验概况 PAGEREF _Toc450757420 h 45 HYPERLINK l _Toc450757421 4.3.2 单根直通式真空管实验台介绍 PAGEREF _Toc450757421 h 45 HYPERLINK l _Toc450757422 4.3.1 测量参数及仪表 PAGEREF _Toc450757422 h 46 HYPERLINK l _Toc45075742

22、3 4.3.2 实验测点布置 PAGEREF _Toc450757423 h 48 HYPERLINK l _Toc450757424 4.3.3 实验过程及结果 PAGEREF _Toc450757424 h 48 HYPERLINK l _Toc450757425 4.4 单根直通式真空管集热器热分析模型模拟与实验对比 PAGEREF _Toc450757425 h 50 HYPERLINK l _Toc450757426 4.4.1 出口空气温度对比分析 PAGEREF _Toc450757426 h 50 HYPERLINK l _Toc450757427 4.4.2 空气质量流量对比

23、分析 PAGEREF _Toc450757427 h 51 HYPERLINK l _Toc450757428 4.4.3 有效得热量对比分析 PAGEREF _Toc450757428 h 51 HYPERLINK l _Toc450757429 4.5 本章小结 PAGEREF _Toc450757429 h 52 HYPERLINK l _Toc450757430 第五章 多根直通式真空管空气集热器热分析与实验验证 PAGEREF _Toc450757430 h 53 HYPERLINK l _Toc450757431 5.1 直通式真空管空气集热器介绍 PAGEREF _Toc4507

24、57431 h 53 HYPERLINK l _Toc450757432 5.2 分集器热损失计算 PAGEREF _Toc450757432 h 54 HYPERLINK l _Toc450757433 5.3 直通式真空管集热器集热实验 PAGEREF _Toc450757433 h 57 HYPERLINK l _Toc450757434 5.3.1 实验测点布置 PAGEREF _Toc450757434 h 58 HYPERLINK l _Toc450757435 5.3.2 实验过程及结果 PAGEREF _Toc450757435 h 58 HYPERLINK l _Toc450

25、757436 5.4 多根直通式真空管集热器热分析模型模拟与实验对比 PAGEREF _Toc450757436 h 59 HYPERLINK l _Toc450757437 5.4.1 出口空气温度对比分析 PAGEREF _Toc450757437 h 59 HYPERLINK l _Toc450757438 5.4.1 空气质量流量对比分析 PAGEREF _Toc450757438 h 60 HYPERLINK l _Toc450757439 5.4.1 有效得热量对比分析 PAGEREF _Toc450757439 h 61 HYPERLINK l _Toc450757440 5.5

26、 本章小结 PAGEREF _Toc450757440 h 61 HYPERLINK l _Toc450757441 第六章 结论及展望 PAGEREF _Toc450757441 h 62 HYPERLINK l _Toc450757442 6.1 工作总结 PAGEREF _Toc450757442 h 62 HYPERLINK l _Toc450757443 6.2 对本课题的展望和建议 PAGEREF _Toc450757443 h 63 HYPERLINK l _Toc450757444 参考文献 PAGEREF _Toc450757444 h 64 HYPERLINK l _Toc

27、450757445 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 PAGEREF _Toc450757445 h 67 HYPERLINK l _Toc450757446 致谢 PAGEREF _Toc450757446 h 69绪 论太阳能供热采暖的意义地球上，除核能外，所有能源从广义上来说都是来自于太阳能。由海洋、大气、陆地、植物等吸收太阳能，并转化为各种能源。例如矿物燃料是由生物在地下长期沉积而形成的，它的能源是来自太阳能；生物质能是由光合或者光化作用转化太阳辐射能量而取得的；潮汐能也是由于太阳和月亮之间的引力影响海水而产生的。每年太阳辐射到地球表面的能量约为世界每年能耗总和的2104

28、倍，太阳能不需要运输，也不需要开采，不被任何国家垄断，是清洁且安全的自然能源。目前的估计，太阳仍然可以保持1000亿年，可以认为是取之不尽的。太阳能的缺点就是到达地球的能流密度低，太阳能使用受昼夜以及阴雨天因素影响。综上所述，如何高效使用太阳能资源是全世界各国能源应用研究的热点。太阳能采暖在我国北方寒冷地区，建筑采暖能耗占总能耗的40%以上。我国的采暖主要方式是直接或间接通过燃煤方式，这也是造成现在雾霾天气的主要颗粒物来源，环境污染在冬季采暖期更加严重。根据数据统计，在城市采暖季的空气污染物的浓度指标是非采暖季的1.52倍 ADDIN NE.Ref.74F5686D-EE24-4A13-9E6

29、5-3192C75A71302-4。我国幅员辽阔，太阳能资源非常丰富，开发利用太阳能前景非常广阔。利用太阳能在冬季采暖，不仅可以减少能源消耗，而且还能够从源头降低污染物的排放，具有明显的经济效益和环境效益。从建筑结合特点与运行形式上来说，太阳能采暖系统可分为被动式太阳能采暖系统和主动式太阳能采暖系统，其中主动加热系统能达到较好的室内热环境温度要求，但初始投资较大，成本回收周期较长。被动式采暖系统和建筑有机结合，不需要额外的太阳能构件设备，运行简单，节能效果明显。太阳能被动式采暖几种常见的太阳能被动式采暖技术 ADDIN NE.Ref.D2358A08-67ED-45F0-825B-E6AF92

30、F247755-10：直接收益式太阳能采暖系统是当前使用最广泛的被动太阳能采暖技术，工作原理是：在太阳辐射较好的白天，阳光透过玻璃窗，直接照射到室内的地板、墙壁和家具表面，室内温度随之升高，同时建筑墙体、地板等结构进行蓄热，为了减少热损失，可采用双层高透过率玻璃窗；在夜间没有太阳辐射，当室外温度和房间温度开始下降，建筑墙壁和地板储存加热器的热释放，并维持室内温度的稳定性。提高直接收益式被动采暖效果的关键要素，是直接收益窗的高透过率以及建筑良好的保温性能。集热蓄热墙式被动太阳房，夏季工作原理：充分利用蓄热墙与玻璃间的空气夹层“热烟囱”作用，让南墙玻璃盖层上的夏天通风口处于开启状态，使集热墙上部的

31、室内热空气出口处于封闭状态，因为压差会使得阴面的冷空气进入房间，这样就可以实现通风降温的效果。冬季工作机制是：夏天用通风口首先处于封闭状态，集热墙体吸收太阳辐射能并透过玻璃，分为两部分传递：第一部分热量由墙体外表面传向内表面，通过墙体热传导形式实现，再通过对流和辐射两种方式由内表面传递到室内；第二部分是加热墙体外表面与玻璃盖板之间的空气，在热压作用下室内空气从下边的风口进入，加热以后，从上边的风口进入室内，将热量向房间释放，实现供暖的效果。附属阳光间被动太阳房，其工作原理：在具有良好的太阳辐照白天，太阳辐射经过位于房屋南墙外侧的温室，该附属温室在功能上相当于空气集热器的效果，房屋南墙和温室地面

32、吸收进入的太阳辐射。房屋南墙吸收到的热量通过热传导方式传递给室内侧墙体，然后墙体内侧再以对流换热方式传递释放给室内空气。与此同时，玻璃房内的热空气也以自然对流的方式将热量传递给室内。在夜间，附属温室可以有效地减小太阳房的热量损失，作为缓冲区起到了保温的目的。被动式太阳房的优点是结构简单，初始投资少；缺点是单纯依靠太阳能进行采暖，昼夜温度波动较大，在夜晚和阴天热舒适性不能保证。因此在现代的被动式太阳房采暖系统的设计中，一般都会考虑备有辅助能源，防止夜间和阴雨天室内温度发生明显的波动。太阳能主动式采暖主动式太阳能供暖系统中使用的集热器主要有：平板式和真空管式。平板型太阳集热器结构简单、运行可靠、成

33、本适宜、承压能力强，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。以平板集热器作为集热装置时，其平板集热器在60以下有较好的效率特性，高于60时，集热效率明显降低；真空管型在60以上的工作温度下，仍具有较高的热效率，在寒冷的冬季，仍有较高的热效率 ADDIN NE.Ref.E007878D-49FD-4818-A6D7-35A67CF1A25111。主动式太阳能供暖系统按照热媒种类不同，可分为空气式和热水式。太阳能空气集热器与太阳能热水系统相比，由于使用空气作为载热介质，太阳能空气集热器具有以下优点：1）没有防冻问题的出现；2）运行过程中即使有少量空气的泄漏，对其正常运行的影响也较小；3）不需要

34、另加换热器，就可以实现采暖或干燥；4）便于在采暖的同时进行通风换气，提高房间的空气品质。太阳能空气集热器也有一些弊端：1)空气本身的导热系数小，导致空气和吸热体的换热强度远比水要小；2）能量传输距离短3)由于空气密度小，集热器内的空气流量足够大才能得到所需的热能，这就造成主动式太阳能空气集热系统必须选择较大功率的风机才能满足所需。为此，强化空气和吸热体之间的换热并保持较小的风机功率，一直是发展高性能太阳空气加热器的关键问题。太阳能采暖的国内外研究现状太阳能作为绿色能源有利用和广泛推广的价值，但是太阳能本身有一定的不足，其能量密度低，空间分布不均匀以及能量转换效率低等缺点。在国外大量应用普通的平

35、板太阳能空气集热器作为收集太阳能辐射装置，存在换热系数小、热损大和集热效率低的缺点。在国内由于技术和价格因素广泛应用太阳能真空管作为太阳能集热装置。为提高集热器性能，国内外学者对太阳能空气集热器进行了大量研究。平板空气集热器高文峰 ADDIN NE.Ref.EB97CF53-3EF3-4E16-8B36-A7165EADEC4612研究了交叉波形板太阳能空气集热器的减少自然对流损失方法，通过数值研究确定其特征高度比大于2，吸热器振幅高度大于1，最佳倾角小于40。林金清 ADDIN NE.Ref.19EE8908-BDE0-414C-A460-D9C9AF0A79A113, 14采用有限差分法方

36、法研究了太阳能空气集热器的集热传热性能，其结果是：型太阳能空气集热器（太阳能空气集热器由表面透过盖板和底面吸热板组成），其集热效率、空气流量和表面盖板透过率的增加而增大，随入口空气温度和入射太阳辐照度的增大而减小。型（太阳能空气集热器由表面吸热板和底板及其所构成的空气流道组成）集热效率随空气流量的增大而增大，随入口空气温度的升高而急剧下降，随入射强度的增加，集热效率从零迅速增大到最大值而后逐渐略有减小。H.D. Ammari ADDIN NE.Ref.60145415-7CBB-4EFD-8258-D5C361F51B3015建立单块平板太阳能空气集热器的热性能数学计算模型，通过迭代方法计算集

37、热器平均温度，另外分析了空气集热器内气体体积流率、集热器长度、管间距等因素对热性能的影响。最后与常用空气集热器热性能进行比较分析其正确性。Dursun Pehlvan ADDIN NE.Ref.BF3DC23A-533C-4D17-9A66-CA17AE8592A116设计出一种新型椎体集热器的可追踪太阳从日出到日落，其集热效率可达到50%左右，在同等条件下和普通平板集热器相比，当倾角为28.4时，该集热器热效率比平板集热器效率有很大提高。Yeh HoMing ADDIN NE.Ref.0BF8D99D-B62A-4BB0-AC00-69BE4F85BE5417的研究表明，增加扰流装置可以提高

38、集热器性能。Korpijarvi ADDIN NE.Ref.39D9DD2E-95B7-4372-8A97-7E182FC64E5518等人指出在集热器内外使空气回流能够有效增强传热而提高装置热性能。上海交通大学夏佰林 ADDIN NE.Ref.86DD1E13-2BEF-4E9D-9918-4FD6C4D6C39F19对一种扰流板型太阳能平板空气集热器的集热性能进行了研究，并对各种影响集热器热性能的因素进行了分析，揭示了总热损失系数、扰流板肋片效率、流道内空气流速和扰流板的间距对效率因子和热迁移因子的影响。南华大学刘一福 ADDIN NE.Ref.667BF6B9-95BE-4D0D-A82

39、A-DF4ABDA157FB20为提高太阳能平板空气集热器效率，设计了扰流板型太阳能平板空气集热器，通过FLUENT数值模拟，分析扰流板高度、间距对太阳能平板空气集热器性能的影响，得出最佳扰流板结构参数。真空管集热器太阳能真空玻璃管因为利用了真空管技术，有效的降低了真空管的热损失，而且还具有向外散热小、保温效果好以及抗冻性强等优点，在太阳能系统中得到了广泛应用。浙江大学的雷进波 ADDIN NE.Ref.E3D7C4BD-9221-4100-8CE9-1BF47D7C2DE521等人利用FLUENT软件对全玻璃太阳能真空集热管的流场与温度场进行了模拟研究，分析研究了几种因素对全玻璃太阳能真空集

40、热管的流场与温度场的影响，最后还通过实验与FLUENT模拟结果相互验证。王志峰 ADDIN NE.Ref.8336E0C3-34D1-424F-9E50-9F10A9CA17EE22针对全玻璃真空管太阳能空气集热器进行了实验研究，实验结果表明了热延迟常数对全玻璃真空管太阳能空气集热器的热性能的影响；实验研究结果还说明了使用空气与水作为集热器的工作介质，其计算出来的瞬时效率相差较小，这反映了全玻璃真空管太阳能空气集热器具有较高的实际应用价值。昆明理工大学的葛众 ADDIN NE.Ref.66389985-560C-4BA2-884F-52C6D18CEC5D23等人针对直通式太阳能真空管的热损失

41、过程分析，得到其热损失主要是有四部分组成：吸热管与内层玻璃管之间的辐射换热、内外层玻璃管之间的辐射换热、外层玻璃管与外界环境之间的对流换热以及玻璃管外壁与天空之间的辐射换热，然后对其进行数学建模，利用数学模型可以很好地预测该真空管的瞬时效率，并分析研究了瞬时效率的变化规律。上海理工大学的刘丽霞、蔡强 ADDIN NE.Ref.EEE1922B-83AD-48A9-B16A-38E3C12FA6E224, 25等人对与建筑一体化的太阳能真空集热管这种一体化构件热特性进行了研究，对一体化构件的传热性能进行了ANSYS模拟与实验对比研究，同时还在全玻璃真空集热管内插一根通空气的管子构成内插管空气集热

42、器，管内空气的流动是依靠风机强制驱动，探究了内插管空气集热器的集热效率最高时的真空管尺寸与空气流量的最佳组合比。Abdul Waheed Badar ADDIN NE.Ref.950D62BD-F5FE-4FC8-9217-4C0D2FCA8E2B26分别从理论模型与实验测试两个方面对太阳能真空玻璃管集热器的热损失进行了研究，分析结论说明建立的太阳能真空玻璃管集热器的数学模型可靠性较好。E.Zambolin ADDIN NE.Ref.9248DBC5-4596-4624-95E1-856918ADBEC627针对在准稳态工况与稳态工况两种条件下，依据标准EN12975-2，测试了全真空玻璃管太

43、阳能集热器和平板式太阳能集热器的热效率，分析比较了在倾角不一样的情况下这两种集热器收集到的有效得热量。YongKim ADDIN NE.Ref.6E7CC064-7AD1-490F-A75F-2FF8680B2D5528分析了真空管放置位置和集热器倾角对集热器收集的有效得热量的影响关系，采用数值模拟与实验测试两种方式进行了研究，研究结果说明真空管集热器收获的太阳辐射量不仅与太阳散射辐射、太阳直射辐射有关联，而且还和相邻真空管的距离以及真空管的倾斜角度紧密相关。本课题研究对象及任务目前太阳能空气集热器的研究大多是围绕着使用平板型太阳能集热器展开的，对真空管型太阳能集热器性能的研究十分丰富，但研究

44、对象主要集中在一端开口另一端封闭型的全玻璃真空管，采用水、U型管或者热管将热量输送出去。直接对空气进行加热的真空管的研究还比较少，一般采用内插管的方法将真空管的热量导出，真空管内的流体流动基本上依靠风机或水泵等动力设备，两端开口的直通式真空管主要应用在高温的槽式聚光型集热器上。图 STYLEREF 1 s 1 SEQ 图 * ARABIC s 1 1直通式真空管实物图本课题提出一种直通式真空管空气集热器，采用空气作为传热介质给室内直接供热，装置主要使用一种新型的直通式真空管，如 REF _Ref449103829 h 图 11所示。该装置介于主动式采暖和被动式采暖之间，在结构上与建筑立面相结合

45、，使用直通式真空管集热器收集热量；另外充分利用直通式真空管的结构特性，通过热压输送管内空气，直接对房间进行供暖，不需要额外的风机等耗能设备。本文将该装置接收太阳辐射量计算方法作重点研究。主要进行了以下四个方面的工作：通过理论分析，确定单根真空管接收太阳辐射量计算模型和多管并排下每根真空管接收太阳辐射量计算模型；考虑不同地区真空管最佳管间距、最佳倾角，通过理论计算方法以确定合理取值；建立单根直通式太阳能真空管空气集热器的热分析模型，搭建实验台通过实验与数学模拟结果进行对比验证；建立多根直通式太阳能真空管空气集热器的热分析模型，搭建实验台实测结果与模拟结果进行对比研究，分析验证数学模型。真空管接收

46、太阳辐射量模型与实验验证建立真空管接收太阳辐射的计算模型，对于估算在所使用地区太阳能集热装置接受的太阳辐射量和集热量具有重要作用。真空管的采光面为圆弧面，其采光量不易直接测量，真空管的实际采光量不但与安装倾角和方位有关，而且与当地的太阳辐射特征有关。本章通过理论和实验相结合的研究方法，对单根、多管并排下每根真空管接收太阳能辐射量的计算方法进行研究，为后期直通式真空管空气集热器热性能研究做铺垫。单根真空管接收太阳辐射的计算模型与验证接收太阳辐射量的计算模型为建立单根真空管接收太阳辐射模型，使用全玻璃真空太阳集热管，该真空管由太阳选择性吸收涂层的内圆柱玻璃管和同轴的外圆柱玻璃管构成。其结构及组成如

47、 REF _Ref449085857 h 图 21所示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 1全玻璃真空太阳集热管结构及组成部件1.内玻璃管2.太阳选择性吸收涂层3.真空夹层4.罩玻璃管5.支承件6.吸气剂7.吸气膜投射到单根真空管上的太阳辐射量包括以下三个部分：真空管正面的直射太阳辐射量 式中： 水平面上的太阳直射辐照量； 直射阳光对真空管的入射角，也就是阳光在真空管横断面上的投影与阳光射线之间的夹角；表示真空管的入射角在时，真空管的值。在计算真空管时，平面上的法向吸收系数，平面上的法向透射系数；入射角天顶角。 水平面上的太阳直射辐照量 其中： 太阳光学质

48、量，；，太阳时角，定义的时间区间若不为一个小时，公式仍然成立；太阳常数，1353。大气透明度，太阳光通过地球大气层时的衰减程度，我国各地大气透明系数如下 REF _Ref440963980 h 表 21所示 ADDIN NE.Ref.05B2689A-EF1A-49AE-B268-CAADD73AB60429； 表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表 * ARABIC s 1 1 典型地区大气透明系数地点哈尔滨北京上海纬度454139483110经度126371162812126海拔（米）171.731.54.5各月份大气透明系数10.7160.7650.72220.7210.7420.

49、69630.7040.7350.66940.6820.6700.61650.6640.6740.63460.6740.6810.66570.6980.6600.66180.7050.6940.59090.7190.7270.550100.7180.7420.718110.7520.7630.702120.7260.7650.713年平均大气透明系数0.7070.7180.680当真空管朝南北向放置时为 式中： 真空管与水平面的夹角；纬度；赤纬角；时角。当真空管朝东西向放置时为真空管正面的散射太阳辐射量式中： 真空管所在倾斜面平面上的单位面积太阳散射辐射量；真空管对天空的形状系数。 式中：地面反

50、射率。反射率的数值取决于地面的状态， REF _Ref440901971 h 表 22列出了不同的地面反射率的数值。在没有具体的数值时，一般可以取0.2 ADDIN NE.Ref.BA08BDE9-AE5F-48C4-8CD5-D98B9FFB586B30。反射板所反射的直射太阳辐射量式中： 漫反射板的反射系数（）；反射板对真空管的形状系数。单根真空管上接收的总太阳辐射量表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表 * ARABIC s 1 2不同表面的反射率表面类型反射率表面类型反射率表面类型反射率干燥黑土0.14森林0.040.10市区0.150.25湿黑土0.08干沙地0.18岩石00.

51、15干灰色地面0.250.30湿沙地0.09麦地0.100.25湿灰色地面0.100.12新雪0.81黄沙0.35干草地0.150.25残雪0.460.70高禾植物区0.180.20湿草地0.140.26水田0.23海水0.350.50单根真空管接收太阳能辐射能实验实验概况为进一步验证单根真空管收集太阳能辐射能计算模型的准确性，现就单根真空管进行太阳辐射实验。实验测试是在上海理工大学环境与建筑学院6楼屋顶进行，测试时间为2016年1月25日。该实验在白天9：0016：00时间段有太阳辐射条件下实施，布置在上海理工大学环境与建筑学院楼顶太阳房南外墙表面，选择校准后的实验仪器测量该实验热性能相关参

52、数。单根真空管实验装置介绍单根真空管结构如 REF _Ref449085857 h 图 21所示， REF _Ref448501099 h 图 22为实验装置图、 REF _Ref448501101 h 图 23为管内测点布置示意图，单根真空管集热装置使用一根真空管，在管内注满清水，通过真空管吸收的太阳辐射能加热管内液体，真空管两端使用橡塑保温材料包裹，减少热量从两端散失。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 2单根真空管集热实验装置图图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 3真空管内测点布置简图单根真空管集热实验装置的主要构造

53、材料：全玻璃真空管与橡塑保温材料，材料的规格尺寸和物性参数列于下 REF _Ref448564330 h 表 23所示。表 STYLEREF 1 s 2 SEQ 表 * ARABIC s 1 3材料规格尺寸与物性参数项目参数集热管数量1根集热管结构全玻璃同轴双层圆管集热管吸热面的吸收率0.93真空管玻璃材料硼硅玻璃3.3真空集热管长度1.5m集热管外管发射率0.88外管直径58mm内管直径47mm集热管壁厚1.6mm橡塑保温材料厚度2.0cm橡塑保温材料导热系数0.036W/(mK)注水量2.2kg测量参数及仪表单根真空管收集太阳能辐射，实验需要测试几个参数：太阳辐照度、管内液体温度、室外温度

54、，要达到这些参数的测定需要使用相关的实验仪表。（1）太阳辐照度实验进行过程中，太阳辐照度的测定是通过如 REF _Ref440996471 h 图 24所示的太阳辐射采集仪，如 REF _Ref440996477 h 图 25所示的PC-2A太阳辐射记录仪来完成。其中，太阳辐射记录仪经过连接电脑提取里面记录的实验当日太阳辐照度数据。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 4太阳辐射采集仪图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 5 PC-2A太阳辐射记录仪（2）温度本实验相应测点的温度是通过布置如 REF _Ref440996485

55、 h 图 26所示的热电偶再经如 REF _Ref440996494 h 图 27所示的34970A安捷伦自动采集。其中，T型热电偶是安装在如 REF _Ref440996530 h 图 28所示的插板各个通道，通过自动采集界面提取温度数据。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 6热电偶图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 7 34970A安捷伦图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 8安捷伦插板实验测点布置在实验过程中，将太阳辐照采集仪垂直放置，并且定时转动采集仪追踪太阳所在方位；测量环境温度

56、时将热电偶布置在不接受太阳暴晒的室外阴凉处；同时将4根热电偶测量真空管内不同高度处的液体温度，测点布置如 REF _Ref448501101 h 图 23所示。实验过程首先对真空管表面进行清理，观察其是否有破损情况。本实验依托环境与建筑学院楼顶太阳房，选择太阳辐照度良好的晴天进行实验，按照实验测点布置要求，实验当天的太阳辐照度是通过太阳辐射记录仪每分钟自动采集一次，同时安捷伦自动采集相应测点的温度，也是每分钟记录一次并实行同步。在实验实测时先将系统运行一段时间，观察是否有漏水情况，观察温度采集仪实时温度显示，查看温度数值是否在合理范围内，显示是否发生跳动，如有不正常情况，则检查测点是否正确连接

57、，必要时更换热电偶传感器。当温度大于90时对真空管表面进行遮挡，以防止管内水温度过高膨胀而破坏密封口。在实测过程中，实验从9:00开始，在13:00时管内温度接近90，对真空管进行遮挡以防止管内液体温度过高。分析9:00至13:00四个小时内真空管接受太阳辐射数据。数据处理如 REF _Ref448501101 h 图 23所示，在真空管内有四个测点，其分别测量管内不同标高段温升情况，而后求其平均值作为管内液体温度，其目的在于防止管内液体温度分层现象。如 REF _Ref441679533 h 图 29所示，在实验过程中,初始测量时，管内温度较为均匀，随着真空管吸热，被加热的热水向上运动，出现

58、较为严重的分层现象，测点1和测点4温度相差接近5，在整个实验过程中两者温差并没有进一步加大。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 9管内温度随时间的变化假定真空管吸收太阳辐射量除去通过外管壁损失外，全部加热管内液体，则管内液体加热所得热量为：真空管集热的能量方程为：式中：真空管吸收的辐射能，J;初始时刻水温，；终止时刻水温，；环境温度，；直通式真空玻璃管的集热面积，m2；直通式真空玻璃管的效率因子；直通式真空玻璃管以集热面积表示的总热损失系数，W/(m2K)；直通式真空玻璃管单位面积接收到的有效太阳辐照度，W/m2上式两能量方程相平衡，可计算。在计算时，以每一

59、分钟为一个计算时间段，通过带入初始温度，计算，在下一个时间段内为刚计算出的带入。循环迭代逐步计算每一个时间段内的。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 10 真空管内水温模拟计算与实测对比通过MATLAB编程利用fsolve命令求解包含未知数的非线性方程，其根据太阳辐射量，计算真空管吸收太阳辐射能，反算出管内水温上升趋势与实测对比，以此验证真空管太阳辐射吸收量计算过程正确性。真空管内水温模拟计算与实测值结果如 REF _Ref441688988 h 图 210所示，实测管内平均水温与通过吸收太阳能而计算出的水温数值上高度一致，其偏差在1左右。多管并排下每根真空

60、管接收太阳辐射模型真空管集热器吸收的太阳辐射能量为建立所在地区的多管并排下每根真空管接收太阳辐射模型，使用其结构及组成部件 REF _Ref449088557 h 图 211所示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 11多管并排真空管示意图真空管集热器吸收的太阳辐射能量共分为四部分 ADDIN NE.Ref.972F61E0-D129-430A-8F41-BB8E71197F2531：从集热器正面照射到真空管集热器上的直射辐射量 式中：直射阳光对真空管的入射角，也就是阳光在真空管横断面上的投影与阳光射线之间的夹角，计算如公式（2-14,2-15）所示；代表真