第３７卷 第５期２０１７年０９月
西安科技大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ ５
Ｓｅｐ ２０１７
ＤＯＩ：１０．１３８００／ｊ．ｃｎｋｉ．ｘａｋｊｄｘｘｂ．２０１７．０５２４文章编号：１６７２－９３１５（２０１７）０５－０７５５－０５
太阳能热管采暖系统的热性能分析
张亚平，党逸峰，姬长发，谭飞鹏
（西安科技大学能源学院，陕西西安７１００５４）
摘 要：太阳能的利用中普遍受到气候因素制约，导致夏季过热而冬季易结冰的问题，基于此设计了一种新型气液分离式热管采暖系统，热管内的传热气相工质和液相工质分开流动，这种热管采暖系统有效
避免了毛细极限和携带极限的影响，对比普通地暖管、单热管、两根热管以及在改变混凝土块面积情况下加热混凝土块表面温度特性实验测试，结果表明热管具有更好的导热性能，可以利用热阻小的特点来降低供暖的热水温度，从而达到节能的目的。实验证明了铜－水热管采暖系统的高效换热效率和快速热响应性能。热管式采暖系统对于提高热效率和室内舒适度具有重要意义，同时利于采暖系统的安全和高效运行。
关键词：热管；辐射采暖；太阳能；热性能
中图分类号：ＴＫ５１１ 文献标志码：Ａ
Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｏｌａｒｈｅａｔｐｉｐｅｓｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧＹａ ｐｉｎｇ，ＤＡＮＧＹｉ ｆｅｎｇ，ＪＩＣｈａｎｇ ｆａ，ＴＡＮＦｅｉ ｐｅｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｂｙｃｌｉｍａｔｅｆａｃｔｏｒｓ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｏｖｅｒｈｅａｔｉｎｇｉｎｓｕｍ ｍｅｒａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇｉｎｗｉｎｔｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓ
ｐｒｏｂｌｅｍ，ａｎｅｗｇａｓ ｌｉｑｕｉｄｓｅｐａｒａｔｏｒｔｙｐｅｈｅａｔｐｉｐｅｈｅａｔｉｎｇｓｙｓ ｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｆｌｏｗｏｆｔｈｅｌｉｑｕｉｄｐｈａｓｅａｎｄｔｈｅｇａｓｐｈａｓｅｉｓｓｅｐａｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｈｅａｔｐｉｐｅ，ｉｔｃａｎｅｆ ｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｃａｐｉｌｌａｒｙｌｉｍｉｔａｎｄｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔｌｉｍｉｔ．Ｔｈｅｔｅｓｔｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓ，ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓａｎｄａｒｅａｓ．Ｉｔｗａｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｈｅａｔｐｉｐｅｈａｓｂｅｔｔｅｒｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，ｌｏｗｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｗａｔｅｒ，ｓｏａｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｐｕｒｐｏｓｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｐｐｅｒ ｗａｔｅｒｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅａｎｄｒａｐｉｄｔｈｅｒｍａｌｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｅｈｅａｔｐｉｐｅｈｅａｔ ｉｎｇｓｙｓｔｅｍｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｈｅａｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｉｎｄｏｏｒｃｏｍｆｏｒｔ，ｍｏｒｅｏｖｅｒｉｔｉｓｆａ ｖｏｒａｂｌｅｆｏｒｓａｆｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｅａｔｐｉｐｅ；ｒａｄｉａｎｔｈｅａｔｉｎｇ；ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ
０ 引 言
相比较于传统的散热器供暖，地板辐射供暖占用室内空间较少且美观性好，室内温度沿高度分布均匀，采暖的辐射面大、供水温度低，比传统散热器节能５０％［１］．地板辐射供暖通常使用的塑料埋管导热性能较差，很难将低品位能源如太阳能、地热能直接应用于采暖系统中。
收稿日期：２０１７－０１－２０ 责任编辑：高 佳
基金项目：国家自然科学基金（５１５０４１８８）；陕西省自然科学基金（２０１４ＪＱ７２７７）
通讯作者：张亚平（１９７７－），女，陕西凤翔人，博士，副教授，Ｅ ｍａｉｌ：６０３６８５４３３＠ｑｑ．ｃｏｍ博看网 . All Rights Reserved.
前期的研究工作［２］已经证实：热管具有热阻小、传热系数大及等温性好的优点。热管传热主要依靠管内工质的相变，工质在蒸发段吸热蒸发，在微小压差作用下将热量带到冷凝段冷凝释放凝结成液体，液体再沿着吸液芯靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环工作，实现热量的传递。热管具有很强
的导热性能，与银、铜、铝等金属相比，单位质量的热管可以多传递几个数量级的热量，所以能以较小的温差获得较大的传热率［３］。
太阳能作为一种清洁可再生能源已广受关注，如果能把这种室外能源引入室内采暖系统，对于节能减排会有重大意义。太阳能采暖系统的热源是太阳能，用于建筑物冬季采暖和其他用热系统，是未来采暖产业的发展方向［４］，但是目前太阳能应用中存在传热效率低，冬季易结冰而夏季温度过热的问题，同时采暖效果受到气候因素制约，难以普遍推广。由于热管的高效相变传热性能，在余热回收、热能提取和电子元件冷却等领域都得到了初步应用［５－７］，在采暖系统中热管散热更均匀舒适和安全的优势也得以证实。张行星等［８］提出了一种新型的光伏－太阳能环形热管／热泵系统，通过计算机模拟、实验论证和分析比较，证明新型系统可以实现太阳能与热能和电能的高效转化，并用于建筑室内采暖。Ｓ．Ｂｒｉａｎ等［９］将热管置入墙体提出了一种新型的被动式太阳能利用技术，相对于传统的被动式区域加热，性能上有所改进，在建筑室内采暖领域有着重要的意义。Ｌ．Ｍ．Ａｙｏｍｐｅ［１０］对热管在太阳能热水供暖中的应用进行了研究，结果表明采用热管的系统利用效率明显提高。文中拟将提出把太阳能采暖和热管地板辐射相结合的采暖系统，这种新型辐射采暖系统相对于传统散热器采暖温度更均匀，所需热媒温度低，为太阳能热水利用提供了可能，文献［１１］的实验研究已经论证了低品位太阳能直接供暖技术的可行性。采用气液相变分离式热管来代替普通重力热管能有效提高集热器效率，防止普通热管的传热极限和携带极限问题，并通过气液分离形式有效提高热吸收效率，保证了太阳能采暖系统在冬季低温时的正常使用。
前期实验发现铜－水热管的温度均匀性比铜－甲醇热管更好，启动热响应更迅速［１２］。所以文中实验对象为铜－水热管，蒸发段长度为４０ｍｍ，工质为水，直径１０ｍｍ，长３００ｍｍ，壁厚０ ５ｍｍ，金属烧结粉末吸液芯厚１ｍｍ，启动温度２０℃，功率１００Ｗ．在实验中使用文献［１３－１４］推荐的热管最佳充液量为３０％，热管放置倾角取１°～２°．
１ 新型热管采暖原理
利用热管的工作原理，将热管蒸发段置于热源中，将冷凝段置于地板填充层中，热水流入与热管相连接的套管，套管连接热管蒸发端，此时蒸发段的液体工质吸热蒸发为气液两相流，为了避免气液两相流相互干扰的阻力，有效预防携带极限和毛细极限出现。如图１所设计的新型气液分离式热管系统实现了气体和液体的分管路流动，能有效提高太阳能的集热效率。当工质散热之后温度降低，回流到热管蒸发段，这样就实现了一个热管的工质循环过程。由于在室内散热的冷凝段具有良好的等温性，能够保持室内环境的舒适度。
图１ 新型热管采暖原理
Ｆｉｇ １ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｎｅｗｔｙｐｅｈｅａｔｐｉｐｅｈｅａｔｉｎｇ
１蒸汽池 ２液体池 ３换热器 ４气体通道
５液体通道 ６芯体 ７热管
散热器采暖的散热以对流为主，而热管地板采暖系统的散热方式以对流和辐射为主，地板采暖的散热量［１５］为
ｑ＝ｑ
对流
＋ｑ
辐射
＝２ １７（Ｔ
ｗ
－Ｔ
ａｉｒ
）１．３１＋４ ９８
Ｔ
ｗ
＋２７３
()
１００
４
－
Ｔ
ａｉｒ
－２．１８＋２７３
()
１００
[]４．（１）
式中 Ｔ
ｗ
为地板采暖表面温度，℃；Ｔ
ａｉｒ
为房间内空气的平均温度，℃．
２ 实验装置
本研究采用的实验装置如图２所示，该装置由恒温水箱、循环水泵、热管、温度巡检仪、地暖管和混凝土块组成。热水管道采用ＰＥ－ＲＴ地暖管，外径１６ｍｍ，内径１２ｍｍ，温度范围－４０～９５℃．实验中使用面积为３０ｃｍ×３０ｃｍ和５０ｃｍ×５０ｃｍ的混凝土块。采用传感器Ｐｔ１００铂－热电阻测量温度，并采用８通路温度巡检仪来巡回采集温度。
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７ 西安科技大学学报 ２０１７年 博看网 . All Rights Reserved.
第５期
张亚平等：太阳能热管采暖系统的热性能分析
图２ 装置系统Ｆｉｇ ２ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
１恒温水箱 ２热水管道 ３热管 ４温度巡检仪
５混凝土块 ６水泵 ７分析控制系统
该装置的工作原理：恒温水箱１提供热水，在水泵６的作用下，热水沿管道２流动，在热管蒸发段处对热管３加热，热管内部发生相变换热，热量输送至热管冷凝段，由于热管具有良好的等温性，热管冷凝段表面温度接近恒温水箱温度，热量源源不断地从热管冷凝段转移至混凝土块５，如此实现热量的传递。
该实验使用混凝土块来模拟室内地板层，总共设计４组对比实验，分别是
１）相同热源下热管与地暖管分别加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块温度特性分析；
２）热源５５ ３℃单热管与４４ ５，３５ ２℃时双热管加热面积为３０ｃｍ×３０ｃｍ的混凝土温度特性分析；
３）不同热源温度下双热管加热面积为３０ｃｍ×３０ｃｍ的混凝土温度特性分析；
４）不同热源温度下双热管分别加热３０ｃｍ×３０ｃｍ和５０ｃｍ×５０ｃｍ的混凝土块温度特性分析。
在混凝土块中布置６个测点，分别位于混凝土块中轴线附近和靠近边缘处的表面，水箱中布置一个测点ａ来测量水温，在４ｍ×５ｍ的采暖房间内布置一个测点ｈ来测试室内空气温度，测点位于距离地面１ ５ｍ高度处。从系统开始供水，温度巡检仪每３０ｍｉｎ采集一次各个测点的温度值，记录数据
直到各个测点的温度稳定为止，测试时长为５ｈ．
３ 结果与分析
３ １ 热管采暖系统的热效应
图３所示为供水温度３５ ２℃时，双热管与地暖管分别加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块的温度特性，由图可知相比较材质为ＰＥ－ＲＴ的普通地暖管，热管作用时各个测点的温度相对较高，实验开始０
５ｈ内用热管加热混凝土块时温度升高速率较快，热管作用０ ５ｈ内温度升高约５℃而地暖管
升高只有３℃，实验进行５ｈ后混凝土表面温度趋于稳定状态，热管作用时稳定后混凝土表面的温度近２７℃，而普通地暖管作用时稳定后混凝土表
面的温度近２４℃比热管作用时低了３℃，这就表明在相同的热源供水温度下，热管采暖系统具有更好的传热能力。
图３ 相同热源下双热管、ＰＥ－ＲＴ地暖管加热
３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块温度变化图
Ｆｉｇ ３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆ３０ｃｍ×３０ｃｍｃｏｎｃｒｅｔｅｂｌｏｃｋｗｉｔｈＰＥ－ＲＴａｎｄｄｏｕｂｌｅｈｅａｔｐｉｐｅａｔｔｈｅｓａｍｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ
３ ２ 热管数量的影响
图４（ａ）所示为热源温度５５ ３℃时的单热管与热源温度４４ ５℃的双热管分别加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块的温度特性，表明，当热源供水温度降低近１０℃时，双热管相比单热管各个测点的温度有所升高，实验开始后的１ｈ内双热管上升了约６℃，而单热管在１ｈ内只上升了大约３℃，说明双热管加热混凝土块表面温度上升的速度要更快；图４（ｂ）所示为热源温度５５ ３℃时的单热管与热源温度３５ ２℃的双热管分别加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块的温度特性，表明：当双热管的热源供水温度继续下降约１０℃时，对比不同数量热管加热混凝土块的传热效果，单热管热源温度为５５ ３℃，而双热管热源温度下降到３５ ２℃，实验进行５ｈ后，单热管加热时混凝土块表面温度为２５℃，而双热管加热时混凝土块表面温度为２７℃，这就表明增加一根热管的辐射换热影响效果要比热源供水温度增加２
０℃相对要好，所以增加传热面积比增加热源温度对提高传热性能影响更大。３ ３ 热管采暖系统的换热效果研究
图５所示为当热源温度分别为４４ ５和３５ ２℃时，采用双热管加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块的温度特性，表明，实验开始的０ ５ｈ内，热源为３５ ２
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图４ 不同热源下单热管、双热管加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块温度变化图
Ｆｉｇ ４ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆ３０ｃｍ×３０ｃｍｃｏｎｃｒｅｔｅｂｌｏｃｋｗｉｔｈｈｅａｔｐｉｐｅａｎｄｄｏｕｂｌｅｈｅａｔｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ
（ａ）热源４４ ５℃的双热管 （ｂ）热源３５ ２℃的双热管
℃比热源为４４ ５℃的双热管加热混凝土表面温度升高速率快，使用热源温度低的热管加热升高了近５℃，实验进行５ｈ后，不同热源下热管加热的混凝土表面温度逐渐趋于稳定，热源温度下降了９℃，但是混凝土块表面的温度仅仅降低了２℃，室内温度随时间的变化最终稳定后都趋于１７℃，热源为３５ ２℃时的混凝土表面稳定温度近２７℃，表明在热源温度较低的情况下，依然可以满足采暖规范的需求。但是，热管的传热能力也是有限的，由于混凝土块的面积增加，为保证混凝土块获得足够的热量，提高热源温度至４８ ７℃进行实验，图６所示为热源温度４４ ５和３５ ２℃时双热管加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块与热源温度４８ ７℃时双热管加热５０ｃｍ×５０ｃｍ的温度特性，表明：提高热源供水温度至４８ ７℃的双热管加热５０ｃｍ×５０ｃｍ混凝土块相比较热源供水温度４４ ５和３５ ２℃的双热管加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块，实验在开
始的１ｈ内温度上升幅度较小，达到稳定后混凝土块表面的温度也仅为２０℃，这一温度不符合规范
中的室内采暖需求温度，所以说明双热管已经不能给大面积的混凝土块传递足够的热量。
图６ 不同热源温度下双热管加热不同
体积的混凝土块温度变化图
Ｆｉｇ ６ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｏｌｕｍｅｓｃｏｎｃｒｅｔｅｂｌｏｃｋｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｈｅａｔｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ
４ 结 论
１）在热源供水温度相同的情况下，热管采暖的室内空气温度比材质为ＰＥ ＲＴ的普通地暖管采暖时平均高出约３℃，显示了热管采暖系统的优良的等温性能和导热性能，体现出热管采暖系统的优势；
２）增加地埋热管的数量比增加热源温度对提高传热性能影响更大；
３）在热源供水温度较低的情况下，热管采暖系统依然可以满足室内采暖规范要求，但其传热能力有限；
８５７ 西安科技大学学报 ２０１７年
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图５ 不同热源温度下双热管加热３０ｃｍ×３０ｃｍ混凝土块温度变化图
Ｆｉｇ ５ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅｏｆ３０ｃｍ×３０ｃｍｃｏｎｃｒｅｔｅｂｌｏｃｋｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｈｅａｔｐｉｐｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ
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第５期张亚平等：太阳能热管采暖系统的热性能分析
４）太阳能热管地板辐射式采暖系统具有散热效率高，热响应较快和能保持室内温度均匀的优势，同时便于利用低温余热资源。实验测试发现铜－水热管具有相比于其它工质具有启动迅速，温度均匀性更好，对原有热管改进的气液分离式热管能够避免热管的携带极限和毛细极限的影响，有效提高了散热效率。
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