2017, Vol. 49
真空管集热器传热是一个包含导热、对流和辐射的复杂瞬态传热过程[1-3].由于其真空夹层的存在，真空管集热器热损失要小于平板集热器热损失[4-5].国家相关规范[6]中用平均热损系数UL来评价真空管集热器的真空保温性能.它是指在无太阳辐照条件下，全玻璃真空集热管内充满80 ℃热水时，通过真空集热管向周围环境传递热能，水温下降，管内平均水温与环境温度相差1 ℃时，吸热体单位表面积散失的热量.规范中给定的平均热损系数是在特定环境条件下测试得到的，该工况称为热损测试工况.目前，大多关于真空管集热器热损失的测试和实验研究基本都是在特定实验条件或热损测试状态下进行的[7-9].该测试结果只能反映真空管集热器的真空保温性能以及特定工况下的热损失大小.当环境条件改变时，该结果并不能用于实际工况条件下的热损失计算.为了得到不同环境条件下真空管集热器热损失，很多学者得到了真空管集热器的热损变化规律[10-12]以及热损失系数表达式[13].但是对于真空管集热器而言，热损失系数通常表示为吸热管温度的函数，而吸热管温度并不宜直接测量.因此，在某些关于真空管集热器热性能的研究中，通常忽略集热器的热损失[14]或对其取定值[15-16].这是因为一方面真空管集热器的集热量远远大于其热损失量，在集热工况下可以忽略其热损失；另一方面将热损失量取定值可以简化计算，忽略环境参数对其散热量的影响.但是目前为止，实际环境条件下的集热器热损失研究较少，非集热工况(主要为夜间工况)时的真空管散热热损失和保温性能研究则更少.而实际工况下的真空管集热器的散热量和热损系数更能直接反映集热器的保温性能和集热性能，以及气候环境条件对散热量的影响.
因此，对严寒地区真空管集热器夜间热损失和散热特性的研究对分析集热器内液体温度变化，确认集热环路的保温性能以及利用集热器内余热为集热环路提供防冻的可行性均具有重要意义.本文在防冻可行性试验的基础上[17]，分析冬季夜间室外环境条件下全玻璃真空管集热器的传热特性，以及非测试条件下的集热器热损失，研究全玻璃真空管集热器内液体温度的变化规律以及不同室外环境条件下管内液体能够达到的最低温度，并依据集热器内液体最低温度来确定相应的防冻策略以及合适的防冻液浓度.该研究对严寒地区太阳能集热系统的防冻具有重要意义，是改善太阳能集热系统经济性的措施之一.
1 集热器夜间传热分析全玻璃真空管集热器由全玻璃真空管和联集管组成，全玻璃真空管包括罩玻璃管、真空夹层和内玻璃管(其外表面附有选择性吸收涂层).全玻璃真空管的结构示意如图 1所示.夜间时由于无太阳辐射，集热器是一个纯散热体.联集管的散热主要与其本身的保温性能有关，在很多工况下其传热系数可取定值.由于罩玻璃管和内管之间真空夹层的存在，真空管具有较好的保温性能，可以很大程度上降低真空管的对流和导热热损失.全玻璃真空管的散热量与其本身的结构特性、涂层材料以及真空夹层的真空度等有关，另外管内液体的种类和物性以及集热器的放置位置、室外环境温度、相对湿度、风速、天空有效辐射温度以及云量、天空晴朗度等均影响其热损失的大小.
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图 1 全玻璃真空管集热器结构示意 Figure 1 Structural diagram of all-glass evacuated tube collector |
全玻璃真空管集热器的散热过程是一个包含导热、对流和辐射的复杂的瞬态传热过程.夜间时，其传热过程可以进行以下假设简化：
1)由于真空管管壁较薄，传热系数很大，不考虑玻璃管壁的导热热损失；
2)认为集热管上下表面对周围环境的散热一致，忽略环境条件对局部热损失的不一致性；
3)忽略真空管内液体沿管长方向的温度梯度；
4)忽略玻璃管及联箱的蓄热作用，即认为管内液体内能的变化等于其散热量的大小；
5)假定单位时间内真空管与室外环境之间的传热为稳态传热.
研究指出[18]，集热器处于散热状态时，真空管内液体沿管长方向存在一定的温度梯度，但是温度梯度的大小并非是线性的，而是在前9/10管长内具有约1 K的温差，而底部1/10管长处具有较大的温度梯度.因此，真空管内液体实际温度应该略低于前9/10管长段液体温度平均值.上述假设中3)忽略液体沿管长方向的温度梯度是合理的.
在上述简化和假设的基础上，根据能量平衡方程，集热器单位时间内散热方程可表示为
| $ \Delta {\mathit{\Phi }_i} =-\rho V{c_{{\rm{p, }}\mathit{i}}}\frac{{{\rm{d}}{T_{{\rm{f}}, i}}}}{{{\rm{d}}\tau }} = {U_{\rm{L}}}{A_{\rm{a}}}\left( {{T_{{\rm{f}}, i}}-{T_{{\rm{a}}, i}}} \right). $ | (1) |
式中:ΔΦi为集热器在任意i时刻、dτ时间内的散热量，W；V为集热器内液体总体积，m3；ρ为集热器内液体的密度，kg/m3；c为管内液体比热容，J/(kg·K)；dτ为时间间隔，s；Tf为集热器内液体温度，K；Ta为室外环境温度，K；Aa为集热器散热面积，m2；UL为集热器总的热损失系数，W/(m2·K).
则在任意时间段Δt内，集热器总的热损失系数可表示为
| $ {U_{\rm{L}}} = \frac{{\rho V{c_{{\rm{p, }}\mathit{i}}}\left( {{T_{{\rm{f}}, i}}-{T_{{\rm{f}}, i-1}}} \right)}}{{{A_{\rm{a}}}\left( {{T_{{\rm{f}}, i}}-{T_{{\rm{a}}, i}}} \right) \cdot \Delta t}}. $ | (2) |
根据方程(1)、(2)可求得集热器夜间任意时刻的散热量和热损失系数的变化.
2 试验系统搭建实验系统包括太阳能集热环路(夜间运行时也称为防冻环路)，连接板式换热器和水箱的换热环路，末端散热环路，控制系统以及温度、流量测试装置.白天有太阳辐射时，该系统按照集热模式运行；夜间无太阳辐射时进行防冻实验，实验系统流程如图 2所示.试验台位于哈尔滨工业大学市政环境工程学院暖通楼楼顶，包括两组相同的试验系统，以便于同时进行对比实验.
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图 2 实验系统流程 Figure 2 Schematic diagram of the experiment system |
通过切换板式换热器两侧的旁通环路，试验系统可以实现集热环路的夜间防冻运行，满足严寒地区太阳能集热系统防冻要求，详见文献[17, 19].本文主要通过分析夜间无太阳辐射时真空管集热器的热损失大小和集热器内液体温度的变化，得到夜间实际工况条件下集热器的散热特性，以便于更好地确定集热器本身的防冻效果，以及利用真空集热管内余热进行防冻的可行性.实测结果表明，集热器液体温度和室外环境温度最低值一般出现在6：00-8：00，日出时间约为7：00.白天工况时(8：00以后)，随着太阳辐射的出现和增加，集热器内液体温度也逐渐增加，而集热模式结束时间一般为17：00左右.因此，本实验测试时间为18：00-8：00，测试起始时间18：00时对应的流体温度记为Tf0，集热器内夜间温度的最低值记为Tfl.温度的测量采用T型热电偶，经标定后其测量精度为±0.2 ℃，测试时间间隔为1 min.所以，管内液体温度Tf、室外环境温度Ta的测试误差均为±0.2 ℃；根据误差传递公式，可计算得到集热器夜间散热量Φ和夜间热损系数UL的误差分别为3%和5%(液体体积测量误差为2%；忽略液体密度ρ和定压比热cp的计算误差).集热器进出口温度测点位于联集管两端，接近集热器进出口处.集热器内液体温度Tf用集热器进出口温度近似代替，即Tf=(Tin+Tout)/2.集热器为全玻璃真空管集热器，真空管尺寸为φ58 mm×1 800 mm，集热器内液体为乙二醇防冻液.
3 结果分析 3.1 集热器内液体温度变化冬季夜间时，集热器一般处于静止状态，随着集热器内高温液体不断向周围环境散热，集热器内液体温度逐渐降低.不同夜间18：00时集热器内液体温度初始值(Tf0)分别如图 3所示.
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图 3 不同夜间时集热器内液体初始温度(18:00)变化 Figure 3 Initial fluid temperature of solar collector (18:00) at different nights |
由于真空管集热器的水容量较大，且保温性能较好，当白天集热工况结束时，集热器内液体温度仍然处于较高水平.由图 3可知，不同夜间集热器初始温度值差别较大，但均高于15 ℃，且除夜间4以外其他夜间的集热器初始温度均高于20 ℃.集热器初始温度与白天集热工况以及系统运行有关，但是初始温度的大小是影响集热器夜间散热量和温度变化的因素之一.一方面，较高的初始温度有利于冬季夜间真空管集热器的保温，可以更好地实现集热器防冻要求；另一方面，也表明集热器内的剩余热量不能被转化为有用热能，并被有效利用.图 3给出的室外环境温度为夜间(18：00-8：00)室外环境温度平均值.
夜间时，集热器内液体能够达到的最低温度是太阳能防冻的依据温度.由图 4可知，夜间集热器散热之后，集热器内液体最低温度(Tfl)一般位于8~25 ℃，且其平均温度高于15 ℃.也就是说，如果不考虑室外管路系统的防冻，严寒地区真空管太阳能集热系统以水作为循环介质是完全可行的.
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图 4 不同夜间时集热器内液体温度最低值变化 Figure 4 The lowest fluid temperature of solar collector at different nights |
图 5给出了集热器夜间温降以及温降速率的变化.集热器内液体初始温度和最低温度之差称为集热器夜间温降(ΔTf)，即ΔTf=Tf0-Tfl.根据集热器内液体温降以及最低温度对应时间，可得集热器夜间的温降速率，即dT/dτ=ΔTf/Δt.由图 5可知，集热器夜间温降为8~20 ℃，系统1夜间温降略高于系统2.夜间温降速率变化范围为0.7~1.3 ℃/h，相同夜间系统1和系统2温降速率差值小于0.25 ℃/h.集热器夜间温降是由集热器内液体初始温度和室外环境条件共同决定的，当初始温度较高时，夜间温降较大，但是集热器最低温度不一定偏高.另外，当室外环境温度较低时，集热器夜间温降较大，温降速率较高，但是夜间温降和温降速率的大小与室外环境温度之间为非线性关系.
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图 5 集热器夜间温降及温降速率 Figure 5 Temperature drop and its drop rate of solar colector in the night |
集热器内液体温度最低值一般出现在日出前后.随着太阳辐射的增加，集热器内液体温度开始缓慢上升，集热器总得热量大于0，此时文中所给的集热器热损失方程将不再适用，因此，集热器热损失量的计算数据取18：00-7：00的测试结果.集热器夜间总散热量和单位时间散热量分别如图 6、7所示.集热器总散热量为1 800~4 700 kJ，瞬时散热量平均值为40~100 W.以夜间4和夜间7为例，对典型夜间系统1和系统2的瞬时散热量的变化进行对比，结果如图 8所示.
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图 6 不同夜间集热器总散热量变化 Figure 6 Total heat dissipation of solar collector at different nights |
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图 7 不同夜间集热器瞬时散热量平均值 Figure 7 Average heat losses of solar collector at different nights |
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图 8 不同夜间集热器瞬时散热量变化 Figure 8 Transient changing of heat losses of solar collector at different nights |
集热器的散热量随着集热器内液体温度和室外环境条件的变化而变化.夜间时，随着集热器内液体温度的不断降低，集热器内液体温度和室外环境温度的差值逐渐减少，集热器瞬时散热量呈下降趋势.由于夜间时集热器内液体的温降梯度是非线性的，计算得到的单位时间散热量存在一定的波动.由于集热器初始温度和室外环境条件的不同，不同夜间时集热器散热量差别较大.相同夜间时，系统1和系统2的夜间总散热量和单位时间瞬时散热量相近同时存在一定差别，这是由于系统1、2结构本身存在的系统误差造成的.
集热器夜间热损失系数的平均值见图 9.夜间集热器平均热损失系数变化范围为0.35~0.5 W/(m2·K).由于集热器初始温度和室外环境条件的不同，不同夜间的平均热损失系数有一定的差异.同时，由于不同系统之间的个体差异，除夜间1、2以外，系统1的热损失系数高于相同夜间系统2的热损失系数值，两者最大差值为0.1 W/(m2·K)左右.集热器夜间平均热损失系数变化如图 10所示.图中数据除前文提到的10个夜间共计20组数据外，还包含另外17个夜间的统计数据.集热器平均热损失系数大部分位于0.3~0.6 W/(m2·K)，平均值为0.427 W/(m2·K)，且位于0.35~0.4 W/(m2·K)区间内的比例为31.2%，位于0.35~0.55 W/(m2·K)区间内的比例为82.9%.整个夜间集热器热损失系数略呈下降趋势，但是相对较为稳定，变化较小.集热器平均热损失系数小于0.3 W/(m2·K)主要出现在7：00-8：00，大于0.6 W/(m2·K)的数据主要出现在18：00-18：30.
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图 9 不同夜间集热器平均热损失系数变化 Figure 9 Average heat loss coefficient of solar collector at differnet nights |
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图 10 集热器夜间平均热损失系数逐时变化 Figure 10 Changing of average heat loss coefficient of solar collector at differnet nights |
集热器的散热量和热损失是集热器内液体温度和室外环境参数(包括室外环境温度、相对湿度、风速、天空有效温度、天气晴朗度、云量等)共同作用的结果.通过上述对集热器夜间热损系数的分析，可以利用集热器的平均热损系数值和初始温度值，估算夜间集热器内液体温度的变化.根据集热器最低温度进行集热环路防冻是最经济有效的防冻方法.当集热器热损失系数取其平均值0.427 W/(m2·K)时，不同夜间集热器温度逐时变化如图 11所示，集热器最低温度计算值与实测值对比如图 12所示.
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图 11 夜间集热器逐时温度变化 Figure 11 Changing of the transient fluid temperature of solar collector in the nights |
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图 12 不同夜间集热器最低温度实测值与计算值对比 Figure 12 Comparison of the lowest fluid temperature by test and calculation |
集热器夜间实测与计算结果表明，在哈尔滨市室外气候条件下，集热器夜间热损失系数取定值0.427 W/(m2·K)时，能较准确地估算集热器内液体温度的变化.计算得到的集热器最低温度与实测值的最大温差为2 ℃.夜间时，集热器内液体温度是逐渐降低的，图 12中最低温度的计算值取8：00时的计算结果.而实测最低温度值一般出现在7：00-8：00，甚至早于7：00.也就是说实际工况下集热器实际最低温度与计算值的最大误差肯定小于2 ℃.
4 结论本文在严寒地区太阳能防冻实验台的基础上，对严寒地区冬季夜间集热器的散热特性和热损失变化规律进行了测试与分析，得到了实际环境条件下集热器内液体温度的变化规律，以及集热器散热量和热损失系数的大小，并验证了利用平均热损失系数预测集热器液体逐时温度和最低温度的可行性.通过上述研究得到以下结论：
1)集热器夜间温降为8~20 ℃，集热器能够达到的最低温度为8~25 ℃，表明集热器本身具有较好的保温性能，集热器内余热可以用于集热环路防冻.
2)集热器夜间总散热量为1 800~4 700 kJ，瞬时散热量平均值为40~100 W，平均热损系数为0.427 W/(m2·K)，不同夜间集热器散热量与集热器初始温度和室外环境条件有关.
3)集热器最低温度的实测与计算表明，根据集热器的平均热损失系数和初始温度值，估算夜间集热器内液体最低温度是可行的.
4)冬季夜间真空管集热器热损失特性分析，可用于估算不同室外环境条件下集热器内液体温度变化以及可能达到的最低温度.该研究对严寒地区太阳能集热系统的防冻具有重要意义，有助于改善太阳能集热系统的经济性.
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