张文业¹   张伟捷¹   吴金顺²   潘嵩³   吕闯²   魏鋆²
1河北工程大学能源与环境工程学院；2华北科技学院建筑工程学院；3北京工业大学建筑工程学院

       【摘  要】为加快推进节能工作，加大可再生能源利用率，建设“绿色北京”，本文提出了一种热管式太阳能毛细管辐射采暖系统，并对其运行过程进行监测。结合EnergyPlus对建筑负荷模拟结果，对其放热过程、蓄热过程及电辅助加热过程进行分析，结果表明太阳能储热水箱内水温和蓄热量随时刻先上升后下降，白天储存的热量足以承担白天室内负荷，室外温度对热管太阳能的集热能力有很大影响，夜晚可持续应用于毛细管辐射采暖。最终表明该系统供热更加安全稳定，室内温度变化较小，适宜人们居住，在北京地区有较好的适用性。

       【关键字】热管式太阳能、毛细管辐射采暖、EnergyPlus、运行控制

0 引言

       北京市作为一座特大型城市，能源消耗量在全国城市中列第二。同时，能源高度依靠外埠供给，自给能源仅占消费总量的2％，能源对外依存度高成为了制约北京快速发展的瓶颈。加快推进节能工作，加大可再生能源利用量，对于缓解能源约束，建设“绿色北京”具有重要意义^[1]。根据太阳能资源年总量的分布，把太阳辐射大于150kcal/cm²·a的地区定义为太阳能资源丰富带，把太阳辐射介于120～150kcal/cm²·a之间的地区定义为太阳能较富带^[2]。北京地区属于太阳能资源较富带。这一区域太阳的年辐射总量为586～670kJ/cm²，年照度时数为3000～3200h，太阳能资源利用价值较高。利用太阳能进行供热可以缓解日益紧张的能源危机。

       1985年德国人Donald Herbs^[3]发明毛细管网，辐射式的供冷、供热末端能够带来更好的节能与舒适性效果，众多学者开展了相关研究^[4-5]，应用到了不同的建筑工程，而对热管式真空管太阳能与毛细管耦合采暖系统的试验研究并不多见，因此，笔者搭建了热管式真空管太阳能毛细管辐射采暖系统性能测试平台，建立了北京地区建筑模型，研究了太阳能集热热水温度、供热性能等参数的变化规律，为太阳能供暖在北京地区的推广应用奠定了理论基础。

1 系统构成

       1.1 系统介绍

       本课题研究小组搭建了性能测试平台，该试验台位于北京某地区实验室，室内供暖面积20m²。该系统是一个双热源系统，包括太阳能集热系统和电辅助加热系统。系统实物如图1和图2所示。

图1 太阳能集热器图                图2 室内毛细管施工图

       本太阳能低温辐射采暖系统是搭建在一楼的实验室，来满足实验室冬季供暖要求。在本系统中应用了一种带电辅助加热的高效太阳能辐射采暖水箱^[6],该装置解决了普通太阳能水箱中,由于冷热水掺混造成蓄、放热效率低,电辅助加热时间过长,能耗高等问题，具体构造见图3。还使用了一种应用太阳能毛细管顶板辐射采暖系统的3L热隔断屋顶^[7]，包括辐射阻断层、对流阻断层、传导阻断层和太阳能毛细管，详细结构见图4、表1：

1—水箱；2--蓄热回水管；3--蓄热供水管；4--放热供水管；5--放热回水管；
6--挡板；7—水管保温层；8--电辅助加热器；9—压力传感器；10—补水阀门
图3 水箱构造图

图4   屋顶结构设计图                                       图5 建立模型（蓝色线框为实验室）
表1 屋顶材料

       1.2  基于EnergyPlus对建筑热负荷的模拟

       本文选取实际实验室作为理论模型来进行模拟认证，通过SketchUp进行实验室房间模型的建立（见图5）。屋顶详细构造见图4；外墙为370mm砖墙；窗户为6mm玻璃双层窗，门为保温门。

       采暖季从11月15日开始，到次年的3月15日结束，利用energyplus模拟[8]建筑的逐时动态热负荷见图6。在采暖季大部分时间建筑的热负荷都在2kW以下，最大热负荷为 2.796kW，最大热负荷产生在第368小时，为2.796kW。经计算得到了理论条件下集热器的面积为6.48m²。

图6 系统全年逐时动态热负荷

2 系统运行控制

       本系统有两个热源方式：太阳能和电加热，见图7。白天，只要集热器温度大于等于28℃时，蓄热循环水泵P1启动，水箱的水被水泵输送至热管太阳能，开始集热，在任何时候，T2或T3小于5℃，水泵P1运行十分钟。当室内T8或T9小于25℃，启动室内供热循环水泵P2；如果室内温度T8或T9大于30℃，停止水泵P2运行。夜晚或阴天时，若温度T1小于25℃，电加热进入运行模式（设备可靠：可间歇运行）。温度T1大于30℃，则停止运行，10分钟后继续判断；太阳能集热系统和辅助热源加热设备的相互工作切换宜采用定温控制。在太阳能集热器装置内的供热介质出口处设置温度传感器，当介质温度低于“设计供热温度”时，通过控制器启动辅助热源加热设备工作，介质温度高于“设计供热温度”后，控制辅助热源加热设备停止工作，以实现优先使用太阳能，提高系统的太阳能保证率。

T1—水箱温度；T2—太阳能热管回水温度；T3—太阳能热管供水温度；T4—室内供水温度；T5—室内回水温度；
T6—上排集热器温度；T7—下排集热器温度；T8—室内空气温度1；T9—室内空气温度2
图7 系统原理图

3 数据分析

       3.1 蓄热过程分析

       太阳能的蓄热主要从早上9:00开始持续到下午5:00，但是由于水箱的蓄热，循环可以持续到23:00。以2016年2月2日和2月8日为例分析一天蓄热逐时温度变化分析，见图8、图9。

图8  2/2日蓄热温度变化                                图9  2/8日蓄热温度变化

       从图8、图9中可以看出水箱与集热器温度变化趋势几乎一致。8：30以后集热管温度T2、T3开始急剧上升，开始对水箱加热。温度达到水箱温度，开始由水箱供热时，太阳辐射强度不能够承担热负荷，所以水箱温度有一小段下滑，随着太阳高度的变化，吸收的太阳能越来越多，大于室内负荷。此时水箱开始蓄热，水箱总能量上升，温度增加。集热管的温度变化变缓。16:00以后集热管集热能里下降不足以承担室内负荷，水箱温度降低。17:30之后几乎无集热（此时热管温度曲线与大水箱温度曲线分离），但是水箱有较高温度依然可以继续为室内供热。蓄热能效=放热量/蓄热量×100%，经计算蓄热能效为22.2%。

       3.2 放热过程分析

       水箱里面的水通过水泵进入室内，由毛细管向室内辐射散热承担负荷。室内温度T8、T9受室外温度T10和室内供水温度T4影响。室内外温差越大，负荷越大。因为辐射供暖，所以散热速度缓慢，存在热延迟。但是这也使得系统的循环水较低时不会使室内温度迅速降低，使人感到不适应。

图10 2/2日放热温度变化                                    图11 2/8日放热温度变化

       从图10和图11可看出，2月2日室内温度T9基本稳定在18℃左右；2月8日室内温度T9基本稳定在20℃左右。室内温度没有因室外温度变化而波动，适合人的居住活动。这也体现了本系统的供热的稳定性。

       3.3 电辅助加热过程分析

       当水箱温度低于25℃时，则不足以保证室内舒适的温度。系统自动启动辅助加热器提供热量，与太阳能加热不同，电加热更稳定。当系统启动辅助加热器，水箱水温稳定在25~39℃之间，室内温度相应稳定在19℃。循环供水温度为28℃，循环回水温度为24℃，供回水温差为4℃。太阳能集热器持续吸收热量加热大水箱，当大水箱温度大于30℃时，系统切换为大循环工况，电辅助加热停止工作。

图12  2/2电辅助加热过程                                   图13  2/8电辅助加热过程

       Q₁=cm△T

       η=Q₁/P×100%

       式中：Q₁表示被室内利用的热量kW；C表示热媒水的比热kj/kg；M表示热媒水的质量流量kg/s；△T表示热媒水的供回水温差℃；η表示热量利用效率；P表示辅助加热器的功率kW；

       2月2日：η=4.18×0.073×5.29/1×100% =161.4%

       2月8日：η=4.18×0.073×4.06/1×100% =123.9%

4 结论

       本研究课题组搭建了热管太阳能毛细管热性能测试平台，分析了太阳能集热热水温度、蓄热量、供热性能等参数的变化规律，得出以下结论：

       （1）电辅助热管太阳能毛细管辐射系统在北京地区有较好的适用性，供热更加安全稳定，室内温度变化较小，适宜人们居住，具有广泛的应用空间。

       （2）太阳能储热水箱内水温和蓄热量随时刻先上升后下降，白天储存的热量足以承担白天室内负荷，夜晚可持续应用于毛细管辐射采暖，热舒适性更高。

       （3）室外温度对热管太阳能的集热能力有很大影响，应使用灵敏度较高的温度传感器实时监测。

参考文献

       [1] 刘薇.北京绿色产业发展的科技创新政策研究[J].经济论坛,2012(01):36-38.
       [2] 郑崇斌 ,王树蓂.西昌太阳能资源优[J].太阳能,2004(02):45.
       [3] Xia Xiaoming，Wang Kunlin，Wu Bijun．Application of fuzzy control in small wind power system MPPT［J］．Renew able Energy，2009，27 ( 3 ) : 30 －31．
       [4] 晋浩,谭洪艳,崔晓月,et al.太阳能辅助空气源热泵系统采暖能效实验分析[J].华北科技学院学报,2016,13(05):82-88.
       [5] 崔晓月,张伟捷,晋浩,et al.太阳能辅助空气源热泵冬季运行性能研究[J].华北科技学院学报,2017,14(04):62-68+92.
       [6] 吴金顺;陈超;潘嵩;et al. 带电辅助加热的高效太阳能辐射采暖水箱 [P]. 中国专利:CN104676734A,2015-06-03.
       [7] 吴金顺;潘嵩;张维亚;et al. 一种应用太阳能毛细管顶板辐射采暖系统的3L热隔断屋顶 [P]. 中国专利:CN105625622A,2016-06-01.
       [8] 朱丹丹,燕达,王闯,et al.建筑能耗模拟软件对比:DeST、EnergyPlus and DOE-2[J].建筑科学,2012,28(S2):213-222.

       备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。