热式太阳能集热器在寒冷地区供热采暖中的应用

热式太阳能集热器在寒冷地区供热采暖中的应用

吴鸿欣张金兰陈显扬

（北京华夏精英项目管理咨询有限公司）

摘要：当前国家环境治理、节约能源、绿色环保等方面，供热采暖所需总能量巨大，太阳能光热技术是清洁、可再生的绿色环保能源，集热效率高，产热能力大，对其起到积极作用。热管式太阳能集热器改变传统的传热方式，克服了太阳能集热过程的诸多弊端；又联合多种经济合理的主动能源方式，增加了系统的安全可靠性，是一种具有推广价值的供热采暖集成系统。

关键词：热管技术太阳能集热器供热采暖

1前言

随着国家对当前环境污染治理的重视，节约能源、提高能源效率，开发可再生能源，尤其是太阳能日渐受到重视[1]。

以太阳能光热技术为核心，结合其他主动能源技术，如电热技术、空气源热泵技术、地源热泵技术，形成针对北方供热采暖的绿色环保节能系统得到逐步发展。传统光热太阳能集热系统，由于真空玻璃管内的吸热介质不能完全被利用，存在着集热总能利用率低，在极寒天气下，出现冻管、炸管等影响系统运行的不稳定因素以及能耗大等问题。针对传统太阳能存在的弊端，本文对热管式真空玻璃管太阳能集热器及其系统进行分析和阐述，指出热管式太阳能光热集热，辅助其他主动能源系统是应对严寒地区供热采暖方案中比较切实可行、经济性好、运行安全可靠的方式。

2热管式太阳能集热器

热管技术利用相变传热原理，使得在热管内部传热的携热介质以极低的温差（业界成为“超导”）从高温端传递到低温端[2]。在能量传递过程中，热管系统内部工质发生了两次相变传热、一次工质回流过程，分别是：热管内的工质从受热面吸热热量，从液态转换成汽态，吸收了大量的热量；汽化了的工质，由于汽化潜热值很高，以极低的温差和压差，快速传递到冷端，发生冷凝，释放从受热面吸来的能量；冷凝后的工质在重力，毛细力等抽吸力的作用下，回流到受热面，继续进行内部能量循环传递工作。

2.1系统组成

热管式真空玻璃管太阳能集热器，是在吸热体和受热介质之间，通过热管传热器件进行衔接。真空玻璃管充当了吸热体，作为热管蒸发段（加热段）的热源；热管作为一个高均温性、高传热能力的热载体；受热介质吸热从热管加热段传递来的热量，温度升高。太阳能集热器还有受热介质的流体通道（联箱），支撑真空玻璃管、联箱的框架，以及其他附件。

2.2系统的优缺点

热管是一种能量传热能力很高的传热器件。将热管技术与太阳能集合，形成热管式太阳能民用集热系统，具有如下技术特点：

1）集热效率高

利用热管技术开发出的热管式集热器，利用相变传热技术，以零热阻的方式，将太阳能芯体板吸收的热量有效提供给水，集热内板芯温度有效降低，集热效率得到提高。一方面体现在水量上的增加，一方面体现在储水水温的提高。

2）流动阻力小

热管式集热器有效利用水介质在管内流动的沿程阻力小的效应，克服了传统平板集热器的汇流、分流等局部阻力，流动阻力小。有效减低了大系统运行过程中的功耗和噪音等。

3）启动快，升温迅速

热管式集热器系统的特殊结构，系统能够实现自动排空，而且系统内存水量微乎其微；吸热过程发生在有光照后很短的时间内，很快的将整个系统投入到运行当中，所以，新型热管式集热器启动快，升温迅速。

4）系统稳定性高

新型热管式集热系统全部采用金属材料组成，高透光率钢化玻璃也能抵抗冰雹和高强度外力的冲击。系统稳定性高，使用寿命长。即使由于外部环境对集热系统的损坏，室外集热系统也能安全运行，不会造成致命损伤，如：集热系统的水路系统崩溃；冬季低于零度时的水路系统，冻涨爆管损坏而造成巨大财产损失。

5）独有自动排空结构

热管式集热器系统能够实现全流道排空，管道保温中不必在使用伴热带，减少安全隐患，系统冬季运行时不再使用防冻循环功能大大降低了系统的热损；产品实现排空后，系统启动反应变得很快，这种优势在冬季、多云天气表现的尤为突出，该系统能将太阳能利用最大化；产品实现排空后，系统能够充分的把集热器内的热量尽最大可能的带回到储热水箱中，进一步提高了系统本身的效率。

实验证明，新型热管式太阳能集热器在极寒天气条件下也能运行自如；数据显示，采用新型热管式集热系统，在黑龙江极寒天气温度-29℃的情况下，集热器回水温度高到72℃。

6）构建大系统的可靠性高

热管式太阳能集热系统借鉴了传统平板集热器的优点，同时，摒弃了传统集热器支管传热中的高流动阻力，以及流量在运行过程中分配不均而导致吸热效果不好的缺点。热管式太阳能集热系统成为真正可以实现构建大系统的太阳能热利用系统，是真正绿色，环保的热利用方式。

7）冬季抗冻，夏季防晒

热管式太阳能集热系统实现了热气-水的有效分离，使得水不跟高温下的玻璃直接接触，从而可以实现冬季抗冻，夏季防晒。

2.3系统的改进

传统的热管式真空玻璃管太阳能的热管，通常是紫铜管，在干晒的情况下会出现炸管从而导致系统失效。可以采用不锈钢材质，热管在联箱两侧摆放，增大联箱的利用率，从而降低成本，提高经济性。

3热管式太阳能集热器复合系统

3.1太阳能辅助电系统

供热采暖的最直接方式，是利用电能，但是电能本身是通过化石能源间接转换得到的。因此，利用电能来直接供热采暖，是不经济的。任何供热采暖方式，都需要一个载体，而电加热方式的这个载体又是比较简单和直接的。考虑这两方面原因，采用一种以太阳能辅助电加热的供热采暖方案自然就应运而生了。

3.2太阳能辅助空气源系统

空气源热泵以电能驱动，是一种高效的清洁能源，可将低品位能源转换为高品位能源，具有高效节能、绿色环保、安全可靠等优点[3]。空气源热泵系统的运行效率受到气候环境的影响，作为一种供热采暖方案，在严寒地区，白天供热采暖的需求不大，而在夜晚，空气源的表现不佳，因此，将空气源与太阳能结合，可以实现：将太阳能吸热、空气源在白天的高能效比吸热，储存能量，便于晚间最需要供热采暖的时间段放热。

3.3太阳能辅助储能系统

将热管式太阳能光热技术与储热技术结合在一起，是解决可再生能源供需不匹配的重要手段[4]。太阳能光热系统在阳光充足的白天可以获得温度较高的热水储存在蓄热体里；以显热材料—高铝陶瓷球和潜热材料—熔融盐相变管为储热材料的高温显热-潜热复合储热系统，可以在夜晚谷电时间段储存大量的高温热能。在充放热过程中，利用熔盐相变储热材料稳定的相变温度特性，有效地提升固体堆积床储热系统的热稳定性，循环热效率达到75%左右。从能量守恒的角度来看，储热没有节约能源，但从经济性来看，由于使用了谷电较低电价，系统的经济性很好。

4结论

结合当前严寒地区供热采暖的现状，提出热管式真空玻璃管太阳能集热，辅助其他几种经济合理的能源利用方式，代替传统的燃煤采暖方法，具有技术可行行、经济性、安全可靠性。得到如下结论：

1）热管式真空玻璃管太阳能集热器是经济合理、运行安全可靠的能源获取方式；

2）太阳能集热与主动能源方式联合，才能有效解决严寒地区供热采暖问题；

3）系统的经济性、安全可靠性，易操作性能是市场推广的关键。

致谢：感谢内蒙古自治区科技计划项目“大数据在智慧能源领域中的应用”（立项编号：201702001）成果。

参考文献：

[1]吴建锋，宋谋胜，徐晓虹，等.太阳能中温相变储热材料的研究进展与展望[J].材料导报A：综述篇，2014，28（9）：1-9

[2]马同泽，候增祺，吴文銧.热管[M].北京：科学技术出版社，1983，8

基金项目：

课题立项编号201702001