直通式真空玻璃管太阳能供暖装置热性能研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 3.74MB 82 页 15积分

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摘要

我国的供暖能耗在建筑总能耗中所占比例较大，应用太阳能技术降低建筑能

耗，已经成为建筑节能领域的一个重要研究方向。直通式太阳能真空集热管作为

一种两端开口的新型全玻璃集热管，具有结构简单、保温隔热性能良好以及便于

与建筑供暖通风系统结合等独特优势。本文对单根直通式太阳能真空集热管以及

由此构成的空气集热器的供暖性能进行了理论和实验研究。

（1）建立了直通式太阳能真空集热管的接收太阳辐射模型与真空管管间遮

阴模型，计算分析了哈尔滨、北京与上海三个地区的单根真空管日接收到的沿真

空管横截面上的太阳辐照量和被遮挡的直射辐照量占据总直射辐照量的比例。计

算分析发现：纬度越高，管间距的影响越小，而且冬至日管间距的影响都小于春

分、秋分、夏至日。对于哈尔滨、北京、上海三地，只要管间距分别大于 1.0、

1.2、1.5 倍的真空管外径，在冬至日，管间遮阴的影响就可以忽略。

（2）建立了单根直通式太阳能真空集热管的热分析模型。基于热分析模型

编程模拟和利用 FLUENT 模拟单根直通式太阳能真空集热管的传热。模型模拟与

FLUENT 模拟得到的出口空气温度、出口空气质量流量与有效得热量基本一致，

有效得热量的偏差在 5%以内，而且采用模型模拟可以很快且较准确地得到结果，

表明了模型的有效性。

（3）单根直通式太阳能真空集热管的集热效率为 50%～62%，具有自适应能

力，热阻主要是由内外玻璃管间的辐射热阻组成。利用模型模拟研究了太阳辐照

度、外界环境温度、吸热体发射率、管长与管径等因素对单根直通式太阳能真空

集热管的热性能影响。研究发现，外界环境温度的改变不会对真空玻璃管的总热

损系数有明显的影响；吸热体发射率的变化对总热损失系数影响较大；管长增加

到1.5m 或者管径达到 47mm 后，再增大管长或者管径已不能提升真空玻璃管的

集热效率。

（4）搭建了直通式真空管空气集热器的实验装置。基于单根直通式太阳能

真空集热管的热分析模型，空气集热器增加考虑了进出口端的分集管热损失和阻

力损失，建立了空气集热器的热分析模型。通过空气集热器的模型模拟和实验测

试得到的出口空气温度、出口空气质量流量、集热效率对比发现：模型模拟与实

验得到的结果基本吻合，这也进一步论证了直通式真空管空气集热器热分析模型

的有效性。

关键词：太阳能采暖建筑一体化直通式真空管热性能模型

ABSTRACT

The space heating energy consumption of our country accounts for a large

proportion of total energy consumption in buildings. Application of solar energy to

reduce energy consumption has become an important research sector in the field of

building energy efficiency. As a new all-glass evacuated tube which opens at both ends,

straight-through solar vacuum tube has unique advantages of simple structure, good

thermal insulation properties and easy to combine with the building space heating and

ventilation systems. This paper conducts theoretical and experimental researches on the

straight-through solar vacuum tubes and thermal performance of the air collector which

comprises multiple straight-through solar vacuum tubes.

Solar radiation receiving model of straight-through solar vacuum tubes and

shading model between vacuum tubes were built, and the solar radiation received by the

single vacuum tube along cross section and the proportion of direct irradiance shaded to

the total direct irradiance during some typical days in Harbin, Beijing and Shanghai

were calculated. The results indicate that the effect of shading between tubes become

less with the increase of latitude and the effect of shading of midwinter is less than that

in midsummer, vernal equinox. The effects of shading can be neglected when the

distance is larger than 1.0, 1.2, 1.5 times of outer tube diameter respectively in Harbin,

Beijing and Shanghai.

Thermal analysis model of single straight-through solar vacuum tube was

established. Simulation by the model and FLUENT simulation of single straight-

through solar vacuum tube heat transfer were done based on thermal analysis model.

The outlet air temperature, outlet air mass flow and effective heat gain of FLUENT

simulation were consistent with that of model simulation, the deviation of useful heat

gains calculated by the model and FLUENT is less than 5% and using of model

simulation can obtain results more quickly and accurately, which showed the

effectiveness of the model.

The collection efficiency of single straight-through solar vacuum tube is 50% to

62%, with adaptive ability, and thermal resistance is mainly composed of radiation

resistance between the inner and outer glass tube. The effect of solar irradiance, ambient

temperature, heat-absorbing body emissivity, pipe length and diameter this five factors

on single straight-through solar vacuum tube thermal performance were studied. The

heat loss coefficient is not significantly affected by ambient temperature while it is

heavily affected by emissivity of coatings.When the tube length is larger than 1.5m or

the tube diameter is over 47mm, the thermal efficiency does not increase with the

increase of tube length or diameter.

Experimental device of straight-through solar vacuum tube air collector was built.

The air collector thermal analysis model was established based on single straight-

through solar vacuum tube thermal analysis model and considering heat loss of

distributing and collecting headers. Comparing outlet air temperature, the outlet air

mass flow rate and collection efficiency of air collector model simulation with that

tested by experiment, it is shown that the simulated and measured results agreed well,

which further demonstrates the effectiveness of the straight-through vacuum tube air

collector thermal analysis model.

Key word: solar space heating, building integrated, straight through

evacuated tube, heat performance, modeling

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................... 1

1.1 太阳能供热采暖的意义 ....................................................................................1

1.2 太阳能采暖的国内外研究现状 ........................................................................2

1.2.1 主动式太阳能空气集热器与采暖 .............................................................2

1.2.2 被动式太阳能采暖 .....................................................................................5

1.2.3 真空玻璃管集热 .........................................................................................8

1.3 本课题的主要工作及意义 ................................................................................9

第二章直通式真空管接收太阳辐照量的计算模型 ................................................... 11

2.1 太阳辐射模型 .................................................................................................. 11

2.1.1 太阳角的计算 ........................................................................................... 11

2.1.2 直通式真空管接收的太阳辐照量模型 ...................................................12

2.2 管间遮阴分析模型 ..........................................................................................14

2.3 在不同管间距下真空管接收到的沿其横截面方向上的太阳辐照量 ..........18

2.5 本章小结 ..........................................................................................................22

第三章单根直通式真空玻璃管的热分析模型 ........................................................... 23

3.1 直通式真空玻璃管热分析 ..............................................................................23

3.1.1 内外玻璃管间的换热 ...............................................................................25

3.1.2 外玻璃管与外界环境的热损失 ...............................................................26

3.1.3 总热损失系数 ...........................................................................................27

3.1.4 内玻璃管与管内空气的换热 ...................................................................27

3.1.5 直通式真空玻璃管沿管断面方向的热平衡 ...........................................28

3.1.6 直通式真空玻璃管沿空气流动方向的热平衡 .......................................29

3.1.7 直通式真空玻璃管的管内空气质量流量 ...............................................30

3.2 模拟计算流程 ..................................................................................................31

3.3 FLUENT 模拟 ...................................................................................................33

3.3.1 FLUENT 模拟概述 ....................................................................................33

3.3.2 网格划分 ...................................................................................................34

3.3.3 模拟边界条件设置 ...................................................................................35

3.4 模拟初始条件 ..................................................................................................35

3.5 模拟结果对比分析 ..........................................................................................36

3.5.1 出口空气温度 ...........................................................................................36

3.5.2 出口空气质量流量 ...................................................................................37

3.5.3 有效得热量 ...............................................................................................37

3.6 本章小结 ..........................................................................................................41

第四章单根直通式真空管热性能模拟分析 ............................................................... 43

4.1 模拟结果分析 ..................................................................................................43

4.1.1 集热效率 ...................................................................................................44

4.1.2 管内空气流动与换热 ...............................................................................44

4.1.3 真空玻璃管的热损失 ...............................................................................45

4.2 真空管热性能影响因素分析 ..........................................................................45

4.2.1 太阳辐照度影响 .......................................................................................45

4.2.2 外界环境温度影响 ...................................................................................46

4.2.3 吸热体的发射率影响 ...............................................................................47

4.2.4 玻璃管的管长影响 ...................................................................................48

4.2.5 玻璃管的管径影响 ...................................................................................50

4.3 本章小结 ..........................................................................................................52

第五章直通式真空管空气集热器的热性能研究 ....................................................... 53

5.1 实验概况 ..........................................................................................................53

5.1.1 直通式真空管空气集热器介绍 ...............................................................53

5.1.2 测量参数及仪表 .......................................................................................56

5.1.3 实验测点布置 ...........................................................................................59

5.1.4 实验过程及结果 .......................................................................................60

5.2 直通式真空管空气集热器的热分析模型 ......................................................62

5.2.1 分集管热损失 ...........................................................................................62

5.2.2 阻力损失 ...................................................................................................65

5.3 实验与模拟对比分析 ......................................................................................67

5.3.1 出口空气温度 ...........................................................................................69

5.3.2 出口空气质量流量 ...................................................................................70

5.3.3 集热效率 ...................................................................................................71

5.4 本章小结 ..........................................................................................................71

第六章结论及展望 ....................................................................................................... 72

6.1 工作总结 ..........................................................................................................72

6.2 对本课题的展望和建议 ..................................................................................73

第一章绪论

1.1 太阳能供热采暖的意义

近年来，我国经济规模和能源消耗都快速增加，但能源利用效率还停留在较

低水平，这使得我国的能源紧张和环境污染形势日趋加重。改革开放以来的 30

多年间，煤炭的消耗在我国能源消费结构的比例一直在 68%以上，天然气、石油、

煤炭等几种传统化石能源占能源总消耗比例高于 90%，而太阳能、风能等清洁的

可再生能源所占比例则不足 10%[1]。建筑能耗在整个社会能源消耗比例约为 1/3，

建筑采暖、生活热水、制冷组成建筑能耗的重要部分，在建筑耗能中比例达

40%[2]甚至更高。如何实现可持续发展，如何实现人与环境和谐共存，资源、能

源和环境已成为新世纪人类所面临的共同问题。寻找可替代传统化石能源的可再

生能源已经成为我们人类走可持续发展道路的根本途径，以求解决人类面临的能

源危机和环境保护严峻形势。太阳能取之不尽，用之不竭，既无污染，又不需运

输，是洁净的可再生能源，它的利用和开发已经成为人类寻求新能源的热点。在

建筑中大力推广应用太阳能利用技术将是规模化发展可再生能源、降低建筑能耗

中常规能源比例的重要途径。

太阳能热水供应、采暖、空调的大规模推广，对于我国的节能减排和社会的

可持续发展具有重大的现实意义。2006 年2月国务院发布的《国家中长期科学和

技术发展规划纲要》明确指出将可再生能源的发展和利用列为重点领域以及优先

发展的主题，可再生能源低成本规模化开发利用（太阳能建筑一体化技术）和建

筑节能与绿色建筑（开发绿色建筑设计技术，可再生能源装置与建筑一体化应用

技术，节能建材与绿色建材）分别是能源领域和城镇化与城市发展领域的两大优

先发展主题[3]。

在我国，太阳能热利用是使用最普遍的太阳能技术，这包括太阳能热水利用、

太阳能采暖利用、太阳能制冷利用等各种形式。在工程设计中考虑将太阳能纳入

到建筑中，使得太阳能在建筑中得到有效的利用，并且使其与整个建筑融为一体，

这就是所谓的太阳能与建筑一体化技术。其中，太阳能与建筑一体化热利用技术

通常有太阳能建筑采暖与太阳能建筑热水这两方面的应用。

（1）太阳能热水与建筑一体化

生活用水的使用是衡量人们生活水平和社会文明程度的标志之一。从环保、

节能、使用绿色能源等因素考虑，在住宅中推广使用太阳能热水系统来为居民提

供生活热水己经获得广泛的认可。太阳能热水系统的普遍使用不仅有利于节能，

上海理工大学硕士学位论文

还有利于环保，符合国家提倡的走可持续发展道路理念。随着人们生活水平的不

断提高，对生活用水需求的激增促进了太阳热水器的迅速发展。

近年来，太阳能热水系统已经取得了快速的进展，包括集热器的研制开发、

大规模的商品化生产等方面，从平板型集热器到真空玻璃管型集热器。在我国，

太阳能热水器应用比较广泛，各种厂家生产的各种型号、各种规格的太阳能热水

器既有用于集中供热系统，也有为单一家庭提供生活所需的热水，其分布于各个

地区与农村城市。

目前，太阳能热水系统安装所碰到的问题主要是两种情况：一种老房子上安

装热水器通常是零散的，既不同时也不同步，规格各异大小不一，造成杂乱无章

的无序状态。另外一种情况是新建住宅建筑上的后续安装，由于没有与建筑做整

体设计，虽然在太阳热水器安装上力求排列整齐，但其对建筑而言仍然是后加上

去的构件，因而还是破坏了原有建筑的整体形象。正是这些原因促使了太阳能热

水与建筑一体化的出现。

国内许多的科研机构以及厂家进行了大量而深入的研究为的就是实现太阳能

与建筑一体化，建成了诸如上海建筑科学研究院的生态示范楼等一大批的示范工

程[4-6]。

（2）太阳能建筑采暖

寒冷地区在冬季的建筑采暖能耗占建筑总能耗比例通常大于 40%，这不仅是

因为室外温度很低，而且其采暖时间也比较长。由于我国地域辽阔，我国太阳能

资源丰富，开发利用前景广阔。太阳能采暖因为利用的是清洁的太阳能资源，与

当前主要的采暖方式需要燃烧煤炭或其他能源来供暖的方式不一样，正倍受人们

关注。在采暖季节利用太阳能采暖，不仅可节约大量的常规能源，还能减轻环境

污染，具有明显的经济、环境和社会效益。

1.2 太阳能采暖的国内外研究现状

国内外很多科研机构及生产厂家开展了大量的太阳能的研究和开发工作，建

成了很多实验系统和试点工程。

1.2.1 主动式太阳能空气集热器与采暖

太阳能采暖系统按照循环的工质不同分为热水集热系统与空气集热系统。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

第一章绪论

气的泄漏，对其正常运行的影响也较小；3）不需要另加换热器，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。

太阳能建筑采暖主要分为两类：主动式采暖系统与被动式采暖系统。主动式

太阳能空气采暖系统中，空气的流动依靠风机等动力设备来驱动，以带走热量。

主动式太阳能空气集热采暖系统典型结构如图 1-1所示。

图1-1 主动式空气集热釆暖系统示意图

另一种形式的太阳能空气集热系统如图 1-2所示，太阳能被多孔金属板吸收，

经过吸热金属板吸热后的外界环境空气温度可以得到 22℃温差的提高，这种集热

墙适用于比较大型的商业和工业建筑空调采暖系统的预热[7-8]。

图1-2 主动式太阳能空气集热墙工作原理示意图

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)因为空气密度小的缘故，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。

上海理工大学硕士学位论文

寻求进一步提高太阳能空气集热器的集热效率方法，国内外学者进行了大量

的探索。中国科学技术大学的叶宏与葛新石[9]等人在实验的基础上分析了两类带

透明蜂窝的太阳能空气加热器的热性能，这两种空气集热器结构分别为：图 1-3

所示是第 1种（I型)太阳能空气加热器，其中透明蜂窝布置在这种结构的上下空

气通道之间；图 1-4所示为第 2种（II 型)，结构盖板中采用了透明蜂窝，就像普

通的平板型太阳能空气加热器一样。实验结果表明 I型太阳能空气加热器的平均

集热效率能够达到 64%，因为该结构的空气加热器进出口温差为 30°C，质量流量

也较大，具有良好的热性能。

图1-3 I 型

图1-4 II 型

Pottler[10]等人研究对比了流道中添加横向、纵向及交叉翅片对空气集热性能

的影响，通过对比确定了纵向布置翅片的优势及其最佳结构布置。Yeh[11]等人研

究发现在吸热板的上下布置等深度的空气流道可得到更高的集热性能。Sun[12]等

人借助 CFD 数值模拟，研究了空气流道深度对空气集热器换热性能以及内部流

场分布的影响，模拟结果表明阻流结构虽然增大了空气在流道内流动阻力，但是

增强了空气与流道壁面的对流换热，这是因为阻流结构使得空气集热器的壁面附

近形成二次流，破除热边界层，造成空气与吸热板表面发生分离和再附。

Garg[13]等人将太阳能空气集热器分为渗透型和非渗透型两大类，主要是按照

空气工质在与吸热体接触过程中两者是否有对流换热现象产生。渗透型集热器是

指吸热板由多孔网状结构或者多孔板结构构成，空气可以穿过吸热板的孔隙与吸

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摘要：

摘要我国的供暖能耗在建筑总能耗中所占比例较大，应用太阳能技术降低建筑能耗，已经成为建筑节能领域的一个重要研究方向。直通式太阳能真空集热管作为一种两端开口的新型全玻璃集热管，具有结构简单、保温隔热性能良好以及便于与建筑供暖通风系统结合等独特优势。本文对单根直通式太阳能真空集热管以及由此构成的空气集热器的供暖性能进行了理论和实验研究。（1）建立了直通式太阳能真空集热管的接收太阳辐射模型与真空管管间遮阴模型，计算分析了哈尔滨、北京与上海三个地区的单根真空管日接收到的沿真空管横截面上的太阳辐照量和被遮挡的直射辐照量占据总直射辐照量的比例。计算分析发现：纬度越高，管间距的影响越小，而且冬至日管间距的影响...

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