調光蓄熱式CPC裝置的性能研究

李志永，肖垚彬，孫鵬程，趙 飛，趙玉清，高建嶺

（1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.中國建筑股份有限公司技術中心，北京 100029）

0 引言

對于我國南方地區(qū)外圍護結構透明材料占比較大的建筑（通常窗墻比大于35%），進入室內的太陽光線往往過多，易導致室內舒適度較低及光熱環(huán)境較差，進而使得建筑的空調制冷系統(tǒng)裝機容量偏大，建筑投資偏高。調節(jié)建筑透明圍護結構（主要指窗戶）的遮光率是解決上述問題的有效方法。具體的調節(jié)步驟：在輻照度較高的時間段，增加透明圍護結構的遮光率，減少進入室內的太陽光線；在輻照度較低的時間段，減少透明圍護結構的遮光率，增加進入室內的太陽光線。

透明圍護結構遮光率的調節(jié)方式分為主動調節(jié)方式和被動調節(jié)方式。其中，主動調節(jié)方式所需要的設備包括電致變色玻璃[1]～[4]、氣致變色玻璃[5]～[6]、玻璃復合材料[7]～[9]、電像素玻璃[10]、彈性形變玻璃[11]，[12]等。主動調節(jié)方式主要利用新型的納米材料或智能材料作為透明覆蓋材料，通過可控的方法（通電、通入氣體，以及使透明材料產生形變等），使透明圍護結構的光照度透過率發(fā)生變化。最常見的被動調節(jié)方式為外遮陽。由于中國大部分地區(qū)建筑的朝向為坐北朝南，若在窗外設置一個遮陽板，由于夏季太陽高度角較大，冬季太陽高度角較小，會導致冬季進入室內的太陽光線較多，夏季進入室內的太陽光線較少，從而實現(xiàn)了對太陽光線的被動調節(jié)。

雖然主動調節(jié)方式能夠根據(jù)外部環(huán)境和內部環(huán)境的變化及時調整透明圍護結構的透過率，但該調節(jié)方式的應用成本較高。例如，單位面積電致變色玻璃的價格為1 625元，這極大地限制了電致變色玻璃在大面積玻璃幕墻建筑中的應用[13]。此外，相對于主動調節(jié)方式，大部分被動調節(jié)方式具有安裝方便、結構簡單，成本較低等特點[14]，[15]。因此，人們常利用被動調節(jié)方式調節(jié)窗戶的透光率。

被動調節(jié)方式的遮陽方式只能以年為周期進行粗糙地調節(jié)。因此，為了能夠更精確地調節(jié)透明圍護結構的透過率，馮朝卿[16]，[17]提出了一種利用實體聚光拋物面作為一層覆蓋材料，加裝在圍護結構外，并根據(jù)每日太陽入射角的變化情況進行調節(jié)。將該覆蓋材料與太陽能電池板、空氣集熱裝置結合起來，能夠解決正午時段太陽能過剩的問題。通常，正午時段建筑對熱能的需求量較少，因此，若能夠在減少進入室內太陽輻射能的同時，將過剩的太陽能儲存起來，則可以拓展調光裝置的應用場景。

本文基于CPC聚光原理提出了一種調光蓄熱式CPC裝置，該裝置除了具有調節(jié)太陽輻射的功能外，還可以將多余的太陽能儲存起來。本文主要對調光蓄熱式CPC裝置的調光特性和集熱能力進行研究。

1 裝置原理

本文所提出的調光蓄熱式CPC裝置的結構如圖1所示。

圖1 調光蓄熱式CPC裝置的結構圖Fig.1 The structure diagram of the dimming and regenerative CPC device

由圖1可知，調光蓄熱式CPC裝置主要由實體復合拋物面聚光器 （Compound Parabolic Concentrator，CPC）、熱管、水箱組成。在 CPC 的底部存在圓形凹槽，利用導熱硅膠將大部分熱管固定在凹槽內，小部分熱管插入水箱內。CPC由高透明度的有機玻璃制成，具有聚光功能。當太陽光線照射調光蓄熱式CPC裝置時，一部分光線投射到CPC底部，另一部分光線透過CPC進入室內，光線的兩種傳播路徑見圖1（a）。當不同入射角的太陽光線照射到CPC蓋板時，進入室內太陽光線的比例會發(fā)生變化。匯聚到CPC底部的太陽光線所帶有的熱量會被熱管吸收，而后將熱量輸送至水箱并存儲起來，以達到蓄熱的目的。

本文中調光蓄熱式CPC裝置下底面的寬度設置為4 mm，為了將該裝置應用于建筑領域，并且考慮加工工藝等因素，該裝置的厚度不能過大，因此，將該裝置的幾何聚光比設定為3.2。最終，通過計算得出該裝置上底面的寬度為13 mm，高度為14 mm。熱管直徑為4 mm。CPC左、右拋物線的方程式分別為

式中：x，y分別為直角坐標系中的橫、縱坐標，mm。

CPC的左、右拋物面是由焦距為2.5 mm的標準拋物線經過旋轉、平移、切割得出的。該焦距由底部寬度和最大接收半角（14.48°）確定。

2 光學仿真

為了研究不同入射角條件下，太陽光線在CPC內的傳播路徑，本文利用光學模擬軟件Light Tools進行模擬分析。

模擬過程的相關設定：CPC的材質為有機玻璃（PMMA）；太陽光線的波長為550 nm；入射光線的數(shù)量為50條。

不同入射角條件下，太陽光線在CPC內傳播路徑的模擬結果如圖2所示。

圖2 不同入射角條件下，太陽光線在CPC內傳播路徑的模擬結果Fig.2 Simulation results of the propagation path of solar rays in CPC under different incident angles

由圖2可知，入射光線可分為3部分：一部分透過CPC上表面直接投射到熱管上；另一部分先投射到CPC的曲面上，然后被曲面全反射后，投射到底部的熱管上；還有一部分光線從CPC表面透出。隨著入射角逐漸增大，透出實體CPC的光線逐漸增多，且入射角越大，透出的光線越多。當入射角為20°時，透出的光線只有4%；當入射角為40°時，透出的光線達到84%；當入射角為60°時，所有光線均透出了CPC。在分析中發(fā)現(xiàn)，還有部分光線沒有入射到熱管上，也沒有進入室內，而是在底部圓弧處發(fā)生全反射，并反射到室外。

在光學模擬軟件Light Tools中，光線的照度和輻射能量能夠平均分配到每條光線上。假設光照度和輻射能量的總量分別為Ф，I，光線總數(shù)為N，則每一條光線的照度和輻射能量分別為Ф/N和I/N。因此，可以根據(jù)接收光線數(shù)與光線總數(shù)的比值計算出CPC的接收率，同理可以計算出CPC的透過率和反射率。為了進一步分析CPC對光線的匯聚作用，本文通過計算得到CPC的透過率、接收率及反射率（由CPC底面反射出去的光線占入射光的比例）隨入射角的變化情況，如圖3所示。

圖3 CPC透過率、接收率及反射率隨入射角的變化情況Fig.3 The change of CPC transmittance，receiver rate and reflectivity with incident angle

由圖3可知，隨著入射角逐漸增大，CPC接收率逐漸減小，反射率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，透過率逐漸增大。當入射角為0～20°時，CPC接收率所占的比例最大，約為80%，透過率接近于0，反射率約為20%；當入射角為20～40°時，CPC透過率開始急速增大，接收率開始急速減少，當入射角為40°時，CPC透過率接近于90%，接收率約為5%；當入射角大于40°時，CPC透過率的增加速度變緩，接收率的減小速度也變緩，當入射角為50°時，CPC接收率趨近于0。由圖3還可看出，隨著入射角逐漸增大，CPC反射率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，當入射角為25°時，CPC反射率最大，約為40%，當入射角為50°時，CPC反射率最小，約為4%。

本文還利用Light Tools軟件模擬了北京地區(qū)一年內典型日（夏至、冬至、春分、秋分）的太陽光線分布情況，得到CPC透過率、接收率及反射率的分布比例隨時間的變化情況，如圖4所示。

圖4 不同季節(jié)，CPC透過率、接收率及反射率的分布比例隨時間的變化情況Fig.4 The distributions of transmittance，receiver rate and reflectivity of CPC varied with time in different seasons

由圖4可知，各典型日太陽光線透過率、接收率、反射率的變化曲線均是以12：00為中心對稱分布。通常認為高于40%的接收率為高接收率。春分、秋分，高接收率的時間段為 10：30-13：30；夏至，高接收率的時間段為 11：00-13：00；冬至，高接收率的時間段為10：00-14：00。此外，本文認為低于20%的透過率為低透過率。春分、秋分，低透過率的時間段為11：00-13：00；夏至，低透過率的時間段為11：00-13：00；冬至，低透過率的時間段為10：30-13：30。上述分析結果表明，各典型日，調光蓄熱式CPC裝置對進入室內的光線均有較好的調節(jié)效果。

3 實驗設置及結果分析

3.1 實驗設置

調光蓄熱式CPC裝置實驗臺的結構如圖5所示。實驗臺布置有溫度測點3，6，7，8；輻照度測點2，5和光照度測點1，4。其中：測點1～3位于CPC蓋板的下方；測點4，5位于模擬房間的外表面；測點6～8布置于水箱內。

圖5 調光蓄熱式CPC裝置實驗臺的結構圖Fig.5 The structure diagram of the experiment table of the dimming and regenerative CPC device

由圖5可知，調光蓄熱式CPC裝置由CPC透明蓋板、熱管、水箱組成，將 CPC蓋板覆蓋在模擬房間的頂部，該裝置的幾何尺寸為30 cm×39 cm×1.7 cm。模擬房間為箱體結構，幾何尺寸為60 cm×39.5 cm×40 cm。模擬房間內壁噴涂著白色涂層，可使通過CPC蓋板進入模擬房間的光線發(fā)生漫反射。調光蓄熱式CPC裝置中水箱的幾何尺寸為8.4 cm×39 cm×10.5 cm，水箱內有1.28 kg的蓄熱介質（水）。熱管深入水箱的長度為1 cm。

實驗地點位于北京（39.9 °N，116.2 °E），實驗日期為2018年12月28日，實驗時間為9：00-16：00，實驗過程中的天氣為晴天。測試時，將實驗裝置朝正南方向傾斜放置，傾角為26.7°（與測試當天的最大太陽高度角相等），保證當天正午時刻的太陽光線入射角為0°。實驗期間，調光蓄熱式CPC裝置不會對太陽進行跟蹤。

3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

在實際應用中，透明材料對光線的削減主要體現(xiàn)在能流（輻照度）及光照度兩個方面。因此本文從這兩個方面對CPC蓋板透過率進行評價。CPC蓋板光照度透過率的計算式為

式中：Ф1為測點1處的光照度，lx；Ф2為測點4處的光照度，lx。

CPC蓋板輻照度透過率的計算式為

式中：I1為測點 2處的輻照度，W/m2；I2為測點 5處的輻照度，W/m2。

3.3 結果分析

3.3.1 調光性能測試

本文根據(jù)實際天氣條件下，調光蓄熱式CPC裝置的光照度透過率的變化情況，分析該裝置的調光性能。

不同入射角下，調光蓄熱式CPC裝置光照度透過率的測量值和仿真值如圖6所示。

圖6 不同入射角下，調光蓄熱式CPC裝置的光照度透過率的測量值和仿真值Fig.6 The measured and simulated values of the illuminance transmittance of the dimming and regenerative CPC device at different incident angles

由圖6可知，調光蓄熱式CPC裝置的光照度透過率在正午時段最低，在清晨和傍晚時段最高，證明該裝置具有自動調節(jié)進入室內光線的功能。盡管調光蓄熱式CPC裝置的光照度透過率的實驗值和仿真值隨時間的變化趨勢基本一致，但數(shù)值上存在差別。這是由于實驗所用的CPC蓋板透過率的相關參數(shù)與模擬計算設定值不一致（CPC蓋板材料透過率實驗值為70%，模擬計算值為100%），并且模擬過程中沒有考慮散射光所致。

由圖6還可以得知，在散射光占比較小的正午時段，透過率實驗值與仿真值偏差較??；在散射光占比較大的上午、下午時段，透過率實驗值與仿真值偏差較大。

圖7為實際條件下，實驗箱體內部、外部的光照度以及輻照度隨時間的變化情況。

圖7 實驗箱體內部和外部的光照度以及輻照度隨時間的變化情況Fig.7 The changes of illuminance and irradiance inside and outside the experiment box over time

由圖7可知，12：00左右，室外光照度和輻照度出現(xiàn)最大值，室內光照度和輻照度在一天內的變化曲線較為平緩，光照度透過率和輻照度透過率均在正午時分較低，清晨和傍晚時段較高，這說明調光蓄熱式CPC裝置具有調節(jié)光照度和輻照度的功能。調光蓄熱式CPC裝置的光照度透過率為17%～47%，輻照度透過率為20%～42%。

3.3.2 集熱能力測試

為了測試調光蓄熱式CPC裝置的集熱能力，記錄實際天氣條件下，水箱溫度和室內、外空氣溫度的變化情況如圖8所示。

圖8 水箱溫度和室內、外空氣溫度的變化情況Fig.8 The temperature change of water tank,indoor and outdoor air

由圖8可知，水箱溫度受室外空氣溫度影響較大，這是由于測試日，室外空氣溫度很低（最低達到了-10℃），CPC蓋板直接與室外空氣相接觸，導致熱管散失到外界的熱量過多。在實驗開始時，水箱溫度在一段時間內存在下降趨勢；10：00-14：00，隨著太陽光入射角逐漸減小，調光蓄熱式CPC裝置的聚光能力逐漸增強，熱管收集到的熱量逐漸增多，水箱溫度逐漸升高，14：00左右，水箱溫度達到最大值；14：00-16：00，水箱溫度逐漸降低，16：00之前水箱溫度可以維持在12℃以上，表明調光蓄熱式CPC裝置具有較好的集熱功能。

4 結論

本文提出了一種調光蓄熱式CPC裝置，并基于數(shù)值模擬結果和實驗結果分析了該裝置的調光特性和集熱能力，得到如下結論。

①在正午時分，光照充足，調光蓄熱式CPC裝置的輻照度透過率和光照度透過率均較低，最小值分別為20%，17%；上午和下午，該裝置的透過率較高，最大值約為40%。調光蓄熱式CPC裝置可以大幅削減中午時段進入室內的太陽光，因此，該裝置可以在一天中改善室內光照度的均勻性，控制進入室內的光線和熱量。

②調光蓄熱式CPC裝置具有調節(jié)光照度和輻照度的功能。該裝置的光照度透過率為17%～47%，輻照度透過率為20%～42%。

③調光蓄熱式CPC裝置可以通過水箱儲存一部分熱量，進行能量的再利用。水箱水溫的變化趨勢是先降低，再升高，最后又降低，16：00之前水箱溫度可以維持在12℃以上，表明調光蓄熱式CPC裝置具有較好的集熱功能。

④在實驗過程中，考慮調光蓄熱式裝置的加工問題，使得箱內的輻照度與光照度較小，導致該裝置的透過率較低。后續(xù)研究中可以通過進一步改善該裝置的加工工藝，增強其保溫能力，來提高其調光和集熱性能。