新型太陽能熱管集熱墻性能研究

陳興飛 尤占平 王亞男 周書君

新型太陽能熱管集熱墻性能研究

陳興飛1尤占平1王亞男1周書君2

（1.石家莊鐵道大學機械工程學院 石家莊 050043；2.河北空調工程安裝有限公司 石家莊 050000）

建立了一種與建筑圍護結構相結合的新型太陽能熱管集熱墻，該集熱墻通過內置重力熱管將太陽能由室外傳給室內輻射板，并將輻射板作為室內采暖系統末端直接向室內散熱。通過實驗和數值研究表明，該系統集熱效率較高，優化以后瞬時效率可達79.4%；當熱管貼合面積與集熱板或輻射板接觸面積之比為18.4%時系統性能較高；通過旋轉熱管傳熱芯，夏季阻熱性能較好。

太陽能熱管墻；瞬時效率；數值模擬

0 引言

降低我國北方地區冬季采暖化石能源消耗十分緊迫，作為可再生綠色能源的太陽能是重要選項，提高其應用效率是研究的重點內容。熱管作為超高導熱性能的傳熱元件，具有均溫性、熱流密度可變性及熱二極管性等特性，使其在建筑與太陽能一體化技術中具有廣闊應用前景[1]。

國內外學者對熱管在太陽能熱利用技術方面進行了較多研究。Corliss[2]等較早的進行了熱管用于太陽房采暖的研究。Susheela[3]等設計了可安裝在墻體上的熱管系統，研究表明該系統在晴天時熱效率可達60%。Michael V Albanese[4]等通過實驗對熱管集熱器性能進行了研究，發現其太陽能保證率較高，且氣象條件惡劣時優勢更加明顯。丁祥等[5]介紹了我國目前已有熱管式太陽能集熱器的基本原理、構造及研究現狀，并提出與建筑相結合的太陽能集熱系統是太陽能熱水技術的發展方向。裴剛等[6]對一種平板熱管太陽能集熱裝置進行了性能研究與分析，表明對性能影響較大的因素是太陽輻射。在以上研究基礎上，本文建立了一種新型太陽能熱管集熱墻，其顯著特點是通過末端輻射板直接向室內輻射傳熱，減少了傳熱的二次損失。本文通過實驗和數值方法對該系統性能進行了研究，為太陽能熱管集熱墻的推廣提供依據。

1 實驗研究

1.1 工作原理

熱管墻系統如圖1所示。其中吸熱板為1000mm×350mm×1mm噴涂啞光黑漆的鍍鋅鋼板，輻射板尺寸與集熱板相同，保溫板導熱系數為0.024W/m·K。本文選取10根長度為500mm銅-甲醇壓扁熱管。其蒸發段和冷凝段長度均為130mm，分別與集熱板和輻射板緊密貼合；絕熱段長度為240mm，橫穿保溫材料。其工作原理為：太陽輻射經過玻璃透射到集熱板上，集熱板吸熱后溫度升高通過熱傳導將熱量傳遞給熱管蒸發段，使其工質迅速氣化并上升到熱管冷凝段凝結放熱，冷凝熱通過加熱輻射板向室內輻射散熱，工質依靠重力和毛細力回流到蒸發段，重復以上過程。

1.2 實驗過程及分析

實驗裝置放置在某實驗樓屋頂臨時小室的南墻內，其中太陽能輻射強度采用JZLC-HJX便攜式太陽輻射記錄儀測量，數據通過120通道Agilent34970A數據采集系統采集，溫度通過T型熱電偶測量。室內設置4個測溫點，集熱板、輻射板分別布置8個測溫點，溫度取各測點平均值。實驗分別在深秋與冬季進行，時間為2017年10月30日—12月22日。選取11月22日、11月23日的實驗數據進行對比，在太陽輻射強度大致相同情況下，11月22日采用遮擋裝置覆蓋玻璃蓋板，11月23日系統正常工作。圖2是典型日室內、外溫差對比曲線。從圖2可知，系統工作時的室內外溫差值要明顯高于集熱墻被遮擋的情況。尤其在10:00至16:00時間段，由于太陽輻射較強，溫差變化也較為明顯，其中12:00時達到最大值，室內外溫差分別為5.2℃、3.4℃。在16:00時以后，隨著輻射強度變弱，溫差趨于一致。以上實驗表明該系統熱力性能較好。

圖2 典型日室內外溫差對比曲線圖

1.3 瞬時效率的計算

瞬時效率計算如式（1）[7]：

式中，Q為有效散熱量，W；Q為太陽輻射強度，W；q為輻射板有效散熱量，W/m2；v為鉛垂面上太陽輻射強度，W/m2。其中輻射板有效散熱量q通過式（2）計算：

表1 太陽能熱管集熱墻系統的瞬時效率

1.4 夏季實驗及分析

夏季實驗的目的是為了研究夏季系統傳熱對室內溫度的影響。采用以下對比實驗：方案一：系統未安裝；方案二：將系統熱管傳熱芯旋轉90°，使熱管蒸發段及冷凝段與裝置上、下保溫壁面相貼；方案三：裝置正常工作。三種測試方案下的小室內、外溫差曲線圖如圖3所示。

圖3 三種測試方案下小室內外溫差

由圖3可知，方案一與方案二的溫差曲線接近，僅在10:30—17:00之間時方案二溫差略高于方案一，平均高0.3℃，最大相差0.5℃；方案三溫差與方案一、方案二相比較大，且10:00之后明顯增大。由以上分析可知，當熱管傳熱芯旋轉90°后，雖仍有少量熱量通過裝置進入小室，但數量很少，因此夏季通過旋轉傳熱芯方式阻止熱量進入室內是可行的。

2 數值模擬研究

本文在實驗基礎上，采用數值方法對裝置進行改進及優化。

2.1 模型建立

2.1.1 模型假設

為了便于分析，對模型作如下假設[8]：

（1）系統處于穩定傳熱狀態；

（2）忽略墻體垂直方向傳熱，僅考慮熱量沿著水平方向傳遞，簡化為二維導熱問題；

（3）熱管在墻體內均勻分布，相鄰熱管間傳熱量相同，將其視為絕熱處理。

2.1.2 幾何模型

鑒于裝置的對稱性，因此選取系統最小重復單元，其幾何模型如圖4所示。圖中編號依次為①集熱板、②熱管、③保溫塊、④輻射板。本文對模型進行網格劃分，其中保溫填充塊采用非結構網格，其它組塊采用結構網格，網格數量為1368594個。

圖4 單元體三維模型圖

2.1.3 邊界條件

集熱板和輻射板定義為Wall壁面，在此集熱板給定壁面熱流，輻射板表面包括對流和輻射兩種傳熱方式[9]。輻射板散熱采用降低室內溫度法，給定壁面與空氣的對流換熱系數及空氣溫度[10]。

2.2 模型驗證

為了對模型進行驗證，將數值計算結果與實驗結果進行了對比，其結果如表2所示。

從表2可知，對集熱板而言，實驗值和模擬值吻合較好，誤差一般小于5%，但在13:00時和14:00時，模擬值與實驗偏差較大。其原因可能是在模擬計算中未考慮集熱板的蓄熱，但實際上12:00時到13:00時之間由于太陽輻射強度高導致集熱板溫度較高，而輻射板散熱不充分，使得13:00時和14:00時集熱板溫度實驗值高于模擬值。對輻射板而言，不同時刻下誤差均小于5%，模擬值和實驗值吻合較好。

表2 模擬與實驗數據對比表

2.3 裝置結構優化

2.3.1 熱管貼合方式對性能的影響

實驗過程中，熱管蒸發段與冷凝段采用金屬膠貼合方式與集熱板和輻射板相接觸，由于集熱板和輻射板表面不十分平整，導致熱管與其表面存在縫隙，產生較大熱阻。將貼合方式改為焊接后效率得到了較大的提高。優化前后集熱板、輻射板平均溫度如圖5所示，瞬時效率如圖6所示。

圖5 優化前后集熱板、輻射板的平均溫度

圖6 優化前后瞬時效率曲線圖

由圖5、圖6可知，優化后集熱板在不同時刻平均溫度均有降低，輻射板平均溫度均有升高，二者平均溫差由30.6℃降低到11.1℃，瞬時傳熱效率最大提高了約28%，最高可達79.4%，系統性能得到了顯著提高，因此減小熱管與集熱板、輻射板的接觸熱阻是提高系統性能的重要途徑。

2.3.2 熱管貼合寬度對傳熱性能的影響

在其他條件不變情況下，通過改變熱管管徑，相應貼合寬度分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm時，可得集熱板及輻射板平均溫度變化，如圖7所示。

圖7 不同貼合面積時集熱板及輻射板平均溫度變化

從圖7可知，當熱管貼合寬度從10mm到30mm變化時，集熱板平均溫度降低，輻射板平均溫度升高，二者曲線變化明顯；當貼合寬度大于30mm時，兩者平均溫度波動平緩。因此本文中當熱管貼合寬度為30mm時，傳熱效果最好，此時熱管貼合面積與集熱板或輻射板面積之比為18.4%。

3 結論

（1）太陽能熱管集熱墻系統作為較為新型的建筑采暖方式，集熱效率較高，優化以后瞬時效率可達79.4%，是一種較好的采暖方式。

（2）通過夏季性能實驗，即通過將熱管傳熱芯部分旋轉90°使系統不工作，最大溫差升為0.5℃，因此在采取措施的情況下，夏季阻熱性能較好。

（3）當熱管貼合面積與集熱板或輻射板接觸面積之比為18.4%，系統穩定且經濟性較好，推薦工廠制作集熱墻時可將該數值作為參考。

[1] 周景民,孫世梅,孫慧晶.熱管技術在暖通空調領域中的應用與發展前景[J].長春工業大學學報,2007,28(S1): 1-7.

[2] Corliss J M. Evaluation of Heat Pipe Application for Passive Solar Systems[R]. Department of Energy, Washington, DC, 1979.

[3] Susheela N, Sharp M K. A heat pipe augmented passive solar system for heating of buildings[J]. Journal of Energy Engineering, 2001,127(1):18-36.

[4] Michael V Albanese, Brian S Robinson, Ellen G. Brehob.Simulated and experimental performance of a heat pipe assisted solar wall[J]. Solar Energy,2012,86(5): 1552-1562.

[5] 丁祥,林文賢,許玲,等.熱管式真空集熱管及其太陽集熱器的研究與應用[J].云南師范大學學報,2011,34(4): 41-49.

[6] 裴剛,楊金偉,張濤,等.一種熱管平板太陽能集熱裝置的性能研究[J].熱科學與技術,2011,10(1):138-141.

[7] 閆崇強.平板型太陽能集熱器熱性能比較實驗研究[J].中國太陽能產業資訊,2017,(3):36-37.

[8] 周亞平,龔延風.內置分離式熱管墻體傳熱特性的數值模擬[J].建筑熱能通風空調,2016,35(6):23-28.

[9] Shan K Wang. Handbook of Air Conditioning and Refrigeration[M]. The United States of America: McGraw-Hill Companies, 2000.

[10] 邱林.地板輻射采暖房間熱負荷計算方法的探討與分析[J].建筑熱能通風空調,2003,(1):11-13.

Studies on the Performance of a New Type Solar Wall with Heat Pipe

Chen Xingfei1You Zhanping1Wang Ya’nan1Zhou Shujun2

( 1.School of mechanical engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang, 050043;2.Hebei air conditioning engineering installation Co., Ltd, Shijiazhuang, 050000 )

A new type of solar heat pipe collector wall combined with the building envelope construction is established. Solar energy is transferred from outdoor to radiation plate through the built-in gravity heat pipe. As the end of indoor heating system, radiation plate radiates heat into indoor directly. Experimental and numerical studies show that the efficiency is relatively high and the instantaneous efficiency can reach 79.4% after optimization. The performance of the system is higher when the ratio of area between thecontact area of heat pipe with collector or radiator plate to thearea of collector or radiator plate is 18.4%.Through rotating heat transfer core of heat pipe, most heat is prevented from entering indoor.

solar heat pipe wall; instantaneous efficiency; numerical simulation

TU832

A

1671-6612（2020）03-335-05

河北省教育廳資助科研項目（ZD2016155）

陳興飛（1990.09-），女，在讀碩士研究生，E-mail：617540671@qq.com

尤占平（1973.04-），男，博士，副教授，碩士生導師，E-mail：youzhanping@163.com

2019-04-10