梁若冰马良栋张吉礼
大连理工大学建设工程学部土木工程学院
摘要：为准确地评价玻璃真空管内的传热性能，减小其它未知参数的影响，本文提出了单根真空集热管的热性 能评价方法。
首先分析了集热管效率与集热器效率的差别；其次从传热效率和火用效率的角度对U 型管式真空管进行了热性能分析；最后通过试验研究了单根玻璃真空管与集热器的热性能。结果表明：采用单根玻璃真空管进行热性能评价能更好地反映真空管的传热性能，与采用相同集热管的集热器相比，其集热效率提高了8%。关键词：玻璃真空管热性能评价 Evaluation for Thermal Performance of Glass Evacuated Tube
LANG Ruo-bing,MA Liang-dong,ZHANG Ji-li
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
Abst r act :In order to evaluation for thermal performance of glass evacuated tube accurately,and decreased the influence of the other unknow parameters.The evaluation for thermal performance of glass evacuated tube has been established in this paper.The difference of the efficiency of evacuated tube and collector have been analyzed,the thermal performance of U-tubular evacuated tube has been researched by exergy efficiency and heat transfer efficiency,and proved by experiment.The results shows that the evaluation for thermal performance of evacuated tube can reflect the performance accurately,the heat transfer efficiency of one U-tubular evacuated tube is 0.75,which enhance 17%to U-tubular evacuated tube collector.
Keywor d:glass evacuated tube,thermal performance,evaluation
收稿日期：2010-10-15作者简介：梁若冰（1984~），女，博士研究生；大连理工大学土木试验4号楼425室（116023）；E-mail:rbliang1984@126 基金项目：国家自然基金项目（No.51078053）；博士后基金（No.20090461169）；沈阳建筑大学省级重点实验室开发基金（JN-200903）
0引言
太阳能集热器的瞬时效率是评价集热性能的主
要依据。1974年，美国制定了集热器热效率测定的标准[1]，使集热器热性能的评价有了一个比较科学的依据。
1977年，我国开始进行集热器效率测定的研究[2]。对太阳能集热器的瞬时效率的测试通常考虑整台集热器，测量参数包括：质量流量M 、进出口温度T i 和T o 、瞬时辐射量I T 以及环境温度T a 。目前，已有的太阳能集热器热性能测试标准包括：平板型太阳集热器
热性能测试方法（GB/T4271-2000）和真空管太阳能集热器热性能试验方法（GB/T17581-1998）。
尽管采用瞬时效率评价集热器热性能的方法已得到广泛应用，但与理论分析相比存在较大的差异。主要原因在于：在理论分析中，通常要假设集热器内流经各支管的流量是均匀分配的，而实际上由于真空管集热器各支管流量是通过集热联箱分配的，导致各支管的压头不均，离集热器进口较近的支管压头较大，而离进口较远的支管压头较小，使得流经各支管的流量不均，管内流量低的支管对应的吸热表面温度会增高，
第30卷第3期2011年6月
建筑热能通风空调
Building Energy &Environment Vol.30No.3Jun.2011.22~26
文章编号：1003-0344（2011）03-022-5
引起热损失增大，使集热器的效率降低。通过J.P.Chou [3]的研究表明流量分配均匀时集热器效率最高，流量分配不均匀时，集热器效率有2%~20%的恶化。
另外，由于集热器的热损失包括真空管热损失和集热联箱的热损失，而在理论分析中，集热联箱的热损失也只能通过试验获得，其数值是集热器集热温度的函数。同时，对于集热器而言，相邻集热管之间存在一定的太阳入射的遮挡问题。但在理论分析中，无法考虑这些因素的影响。为此，本文提出了单根集热管热性能评价的方法，定义了单根集热管的热性能评价指标。这样一方面可以减少不确定因素的影响，更客观地反映集热管内的传热性能；另一方面，可以有效地降低试验成本、提高工作效率。
1集热管与集热器热性能评价指标的区别
单根集热管与整台集热器的热性能计算时存在
差异，主要体现在热损失系数和集热管接收的太阳辐射能两方面。
由图1所示，对于玻璃真空管集热器来说，其热损失系数U L 可表示为：
（1）式中：U t 表示真空管的热损系数；U e 表示集管的热损系数。
图1集热器热损失网络图
U t 可以表示为：
式中：h ga 为玻璃管与周围环境的传热系数；h pgc 为吸热表面与玻璃管之间通过传导的热损传热系数；h pgr 为吸热表面与玻璃管之间通过辐射的热损传热系数。
U e 反映了集热联箱通过保温材料向周围环境散失的热量，其值用(UA )edge 表示。
另外，如图2所示，真空管集热器各集热管间存
在遮挡问题，计算太阳直射辐射强度时需考虑遮挡系数G(Ω)，可定义阳光入射线在集热管横断面上的投影与集热器射板法线的夹角为遮挡角Ω，当Ω大于临界入射角Ω0时，相邻管开始发生遮挡[4~5]。
因此，当G （Ω=1）时，集热管接收到的太阳辐射与单位面积上整台集热器中各集热管接收到的太阳辐射相等；当|Ω|＞|Ω0|时，遮挡现象的存在使得单根集热管接收到的太阳辐射能要大于单位面积上整台集热器中的各支管。
通过以上的分析表明，集热器的瞬时热效率的测试结果综合反映了集热器各支管流量的不均匀性、联箱管热损失以及相邻集热管对太阳辐射遮挡的影响，这对集热管内换热性能的研究不利。而对单根集
热管而言，不存在这些因素的影响，可以准确地评价出集热管的换热性能。因此，集热管的换热效率要大于集热器的瞬时热效率。
2单根集热管热性能评价
以U 型管式真空管为例，通过理论分析和试验研
究的方法确定单根U 型管式真空管的传热效率。U 型
管式真空管的工作原理是将投射到吸热表面上的太阳辐射能，通过内层玻璃管和铝翼传递给U 型管内的工质，使工质的温度不断上升。试验所用的真空管为管长1500mm ，
内径37mm ，外径47mm ，有效透吸比0.9的双层玻璃真空管；U 型管管径8mm 。图3为U
型管式真空管的结构示意图。
图3U 型管式真空管的结构示意图
Á
L t e
U U U ??
ÁÂÁÂÃ
ÄÂ
Ã
ÁÂÁÅÂÆÁÂÁÅÂÇ
È
É
111ÁÂÃÄÂÅÄÂÆ
U h h h −??（2）
（3）
()ÁÂÃÁÁ
UA U
A −
ÁÂÃ
ÄÅÆÃ
ÁÁ
ÁÂÁÃ
ÁÂ
ÁÂÃÄÅÆÇÈÂÉÂÃÄÅÁ Å
Â
ÁÂÃÄ
ÅÄÆÇÈ
É
Á È Ä ÄÆÇÈ
梁若冰等：太阳能玻璃真空集热管热性能评价方法第30卷第3期·23·
2.1传热效率分析
单根集热管可以被看做是一种将太阳辐射能转化为热能的换热装置。因此，集热管效率可定义为集热管的传热效率，即集热管得到的有用能与集热管实际接收的太阳辐射能之比，即
式中：Q u 为集热管得到的有用能，W ；I T 为集倾斜面上
的太阳辐射能，W/m 2；A a 为轮廓采光面积，m 2。（5）式中：(τα)e 为有效透射率与吸热表面吸收率的乘积；I T 为斜面的太阳辐射值W/m 2；T p 为吸热表面温度，℃；T a 为环境温度，℃。
集热管实际接收到的太阳辐射能I 可通过倾斜面瞬时太阳辐射值I T 来确定，I T 的计算方法是采用辐射仪实测水平面上的辐射数据，再利用若干相关的公式，将水平面上的太阳辐射转换到倾斜面上，其表达式为[6]：
（6）式中：I b 为水平面瞬时太阳直射辐射，W/m 2；I d 为水平面瞬时太阳散射辐射，W/m 2。
湍流耗散率
直射辐射修正因子R b 、散射辐射修正因子R d 和地面反射修正因子R ρ可通过式(8)-(10)求得[6]
。
式中：φ、β、δ和ω分别为当地纬度、倾斜面倾角、太阳赤纬角和太阳时角；ρ为地面反射率。
因此，式（4）可改写为：
式中：
F '为效率因子；T f 为流体温度。式（10）表明，传热效率与工质温度有关。当T f =T a
时，传热效率最大，ηimax =F '（τα）e ，但此时工质温度太低，无法利用。当时，传热效率为零。其中，T m 为闷晒温度。实际运行温度应在T a 和T m 之间，即式（10）可写成[7]：
传热效率ηi 的求解需已知集热管的热损失系数U t 和效率因子F '。根据以上分析可知，U t 可采用迭代法进行求解，h pgc 和h ga 按吸热管面积A a 折合为0.28和
12.7W/(m 2
·K)[8]。图4给出了不同环境温度下，热损失
系数随吸热表面温度与环境温度之差变化的曲线。可看出，在某一环境温度下，U t 随T p -T a 的增大而增大。
图4U t 随T p -T a 变化的曲线
效率因子F '可以理解为集热管保持实际有效利用能的修正系数，通过建立铝翼微元上的能量平衡方程，可推出其表达式为[9]：
式中：W 和d 分别为管子间距和U 型管直径，m ；C B 和C b 分别为接合处和综合导热系数，W/(m ·K)；h fi 为工质
的对流换热系数，W/(m 2
·K)；F 为肋片效率。
传热效率只从量的方面说明单根集热管的热性能，其数值并不代表热工设备动力性能的优劣，而仅仅从数量上表示了能量转换的水平。因此，可以考虑利用火用效率来评价单根集热管。2.2火用效率分析
作为一种评价能量价值，衡量做功能力的参数，不仅可从数量和质量的结合上评定能量的品位，而且可以对热力过程和循环进行全面的热力学分析，
火用分析的结果火用以火用效率表现。火用效率是同质能量的比值，比传热效率明确合理。火用效率可以表示为：
热量火用是指高于环境温度的系统，在给定环境条
件下发生不可逆变化时，通过边界传递的热量中所能作出的最大有用功。单根集热管得到的热火用可写成：
将式（14）带入式（13）得：
（4
） u
i
a T
Q A I ?− −???ÁÁÂÃÄÅÆQ A I U T T −???????? ??ÁÂÂÃÃÂÃI I R I R I I R Á?−??? ????cos cos cos sin sin cos cos cos sin sin b
R ???????
?????
−???? ??
1c os 2d
R ?
−
? ??
1c o s 2
R
−
?−?
（7）（8）（9）
−???−???
ÁÂÃÁÄÃÅÆÆÇÇ
U T T U T T F I I ????????????????????
（10） ??ÁÂ
ÃÄÅÆ
I T T T U
−?−?? −?ÁÂÃ
ÄÁÅ
T T F T T ???−???（11）
Á
ÁÇÄÈ
ÁÇÉÁÁÇÉÈ
ÁÇÅÁ
ÁÇÅÈ
ÁÇ Á
ÁÇ È
ÆÇÁÁ
ÆÇÁÈ
ÆÇÆÁ
ÁÁ
ÆÁ
ÁÁÁ
ÂÁÁÁÁ
ÁÁU Á/ W m Á
湿婆之舞ÂK
ÁÃT -T
−?Á1111Á
Á
ÂÃÄÅÁU
F U C W C h d U d W d F −−
?????
张海钦????????????????
（12） u
e e I
?−（13）
（14）
1Á
ÂÂÃ
T e
q T ?
?
????????
（15） −?11ÁÂÃÃ
ÄÅÄÂÁÃÂT T T T F T T T T ?
????????????????????????????????
2011年
建筑热能通风空调·24·
因此，只要知道集热管的传热效率ηi ，流体温度T f
和环境温度T a ，就可以确定其火用效率。，说明太阳能集热管的火用效率值低于其传热效率。
为求得火用效率的最大值，
令，可得集热管的最佳运行温度为。当时，集热管的最大火用效率为：
式中：
。
对于真空管集热管，玻璃管透射率τ=0.86~0.95，吸收涂层吸收率α=0.84~0.94，损失系数U t =0.6~1.1W/m 2
·K ，太阳辐射强度I T =600~900W/m 2
，环
境温度T a =30℃，因此B =0.5~2。
由图5可见，B 在0~2之间，。
图5
f (B)的标绘图
由式（17）可知，若要提高单根集热管火用的效率，提高(τα)e 比降低U t 更有效。
图6为F '=0.9，(τα)e =0.9，U t =0.96W/m 2·K ，T a =20℃，I T =800W/m 2时，单根集热管传热效率、火用效率随工质温度变化的曲线。总体说来集热管的传热效率要高于其火用效率。可以看出，传热效率随工质温度的降低而减小；而火用效率随工质温度的提高而增加，当工质温度为120℃时达到最大值，而后缓慢下降。说明真空管的最佳运行温度为120℃，此时火用效率最大。
图6
η随T f 的变化曲线
2.3试验研究
与集热器的热性能测试相比，集热管的性能试验需要对其试验精度进行更为严格的控制，主要体现在
进口温度和流量两个方面。利用恒温水槽为系统提供
恒定的进口温度，用Pt100测定，并用Keithley 2700型
数据采集器自动读取集热管进出口水温。同时，试验
中为消除引线过长带来的误差采用四线制接法。另外，为解决由于集热管流量较小而造成测量精度下降的问题，试验中设计了计量水箱，选用膨胀系数较小的玻璃作为箱体材料，计量水箱的原理为流量容积测量法。通常，阀门为常开状态，计量时将阀门关闭，当浮子液位计中的浮子达到刻度1时，计时器开始计时；当浮子液位计达到刻度2时，
计时器停止计时。根据计时器在累计时间内水的容积，计算集热管内的工质流量。
图7给出U 型管式真空管性能试验系统示意图。
图7
U 型管式真空管性能试验系统示意图
试验于2010年6~8月在室外自然阳光下进行。试验装置（如图8所示）南北放置，倾角为40°。利用高位恒温水箱提供稳定压头和进口温度，流量控制在0.2L/min ，并用PC-4小型气象站测试并记录环境温度、风速和水平面上的太阳辐照度。
图8真空管试验装置
图9给出了集热管热效率随入口流体温度的变化。从图9可以看出，理论分析和试验研究的结果吻合较好，单根U 型管式真空管的传热效率可达0.68左右，而文献[10]指出，相同结构形式的U 型管式真空管
11Á
ÂT T ?
??
????
??
?
0Á
Â
T −??? ÁÂÃÄÅÆÅ
ÅÇT T T ?? ÁÂÃÄÅÆÇÆT T −（16）
−?
????
ÁÂÃ
11
11
ÁÁÁB f B B ?
张炜《你在高原》????−????? ??ÁÂ
ÃÄ
I B U T −?− −?ÁÂÃ
0.1691f B B
−
ÁÂÁÁÂÃÄÂÁÄÂÃÅÂÁ
ÁÂÁÁ
ÁÂÁÃÁÂÄÁ
ÁÂÄÃÁÂÅÁÁÂÅÃ
地效翼船ÁÂÆÁ
B
ÁÂÁÂÃ
ÄÅÆÇÈÉÇÂÁÂÃ
f (B )
（17）
ÁÂÁÃÁÄÁÅÁÆÁÁÆÂÁÆÃÁÆÄÁÆÅÁÂÁÁÂÂÁ
ÁÇÁ
ÁÇÆ
ÁÇÂÁÇÈ
ÁÇÃÁÇÉÁÇÄÁÇ ÁÇÅÁÇ Á
ÁÂÁÁÃ
ÁÁ
ÁÂÃÄ
ÅÆÇ
ÈÉ Á
Á
ÂÃ
Ã
ÁÂÃÄÄ
ÁÂÃÄÄÂÃ
梁若冰等：太阳能玻璃真空集热管热性能评价方法第30卷第3期·25·
集热器的集热效率为0.63，说明单根集热管的传热效率要高于整台集热器，说明在进行整台集热器的稳态热性能试验时假设各支管流量分配均匀会对测试结果产生一定影响。
图9U 型管式真空管ηi 随流体温度变化
3结论
由于真空管集热器内部的多支管组成的并联管
组，存在流量分配不均的问题，会降低集热器集热效率，不能准确的评价集热器性能。因此，为了研究集热管的传热性能，消除其它不确定因素的影响，可考虑以单根集热管作为研究对象。
为此，本文分析了集热器和集热管热性能评价的区别，并建立了单根集热管集热性能的评价指标，通过传热效率、效率和热力完善性等几个参数进行评
价。以U 型管式真空管为例，分析了集热器与集热管集热效率的差别。结果表明：
单根U 型管式真空管的传热效率为0.68左右，较相同结构形式的U 型管式真空管集热器的集热效率提高了8%。参考文献
[1]J E Hill,T Kusuda.Proposed standard method of testing for rating
solar collectors based on thermal performance [J].NSF/ERDA,1974,NBS IR 74-635
[2]X
A Wang.An experimental study of corrugated steel sheet solar water heater [J].Solar Energy,1979,23(4):333-341
[3]J P Chou.The effect of nonuniform fluid flow distribution of the
thermal performance of solar collector [J].Solar Energy.1982,29
(6):487-502[4]岑幻霞.太阳能热利用[M].北京：清华大学出版社,1997[5]喜文华，魏一康，张兰英，等.太阳能实用工程技术[M].兰州：兰州大学出版社,2001
[6]张鹤飞.太阳能热利用原来与计算机模拟[M].西安：西北工业大学出版社,2007
[7]
王兴安.平板太阳集热器的一个综合评价指标[J].太阳能学
报,1986,7(2):139-143[8]殷志强,Harding G L,Collins R E.全玻璃同轴型真空管太阳能集热器的热性能[
J].太阳能,1997(2):19-20.
[9]
L D Ma,Z Lu,J L Zhang,et al.Thermal performance analysis of the glass evacuated tube solar collector with U-Tube,Building and Environment [J].2010,45(9):1959-1967
[10]真空管型太阳能集热器检验报告[R].山东：力诺瑞特新能源
有限公司,2008
ÁÁ
ÁÁÃÈÉÃ
ÃÈÉÉ
ÃÈÅÃ
ÃÈÅÉÃÈ Ã
ÃÈ ÉÃÈÆÃ
ÂÃÄÅÆÇ
ÈÉÄÅÆÇ ÄÅÆÇ
ÁÂÃÄ
ÈÉ （上接29页）
告2010[M].北京：中国建筑工业出版社,2010[2]姚健，闫成文，叶晶晶，等.外窗遮阳系数对建筑能耗的影响[J].建筑节能,2008,36(2):65-67
[3]龙恩深，王勇，肖益民，等.遮阳系数对供暖与空调能耗影响差异的逐时解析[J].暖通空调,2005,35(6):46-51
[4]
Long E S.General descriptions of research method,buildings,analysis object,assumptions and weather conditions of background cities [J].Building and Environment,2005,40(4):443-450[5]卜增文，毛洪伟，杨红.Low-e 玻璃对空调负荷及建筑能耗的影响[J].暖通空调,2005,35(8):119-121
[6]
建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定(GB/T 2680-1994)[S].北京：中国标准出版社,2000
pmma
[7]
国家建设部.公共建筑节能设计标准(GB 50189-2005)[S].北京：中国建筑工业出版社,2005
[8]江亿.建筑环境系统模拟分析方法———DeST[M].北京：中国建筑工业出版社,2006
[9]Wu H J,Fan J,Du N.Porous materials with thin interlayers for optimal thermal insulation [J].International Journal of Nonlinear Sciences and Numerical Simulation,2009,10(3):291-300[10]Schultz J M,Jensen K I,Kristiansen F H.Super insulating aerogel
glazing [J].Solar Energy Materials &Solar Cells,2005,89:275-285
[11]王欢，吴会军，丁云飞.气凝胶透光隔热材料在建筑节能玻璃
中的研究及应用进展[J].建筑节能,2010,38(4):35-37
2011年
建筑热能通风空调·26·
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议