为应对化石能源危机及缓解全球气候变暖,越来越多的建筑利用可再生能源替代化石能源以满足其供暖供热的热需求。太阳能供暖系统作为一种可再生能源供暖系统,凭借其环保、节能、低建设成本等特点广泛运用在各个领域中。该系统通过集热装置吸收太阳辐射热量,并将其转化为热量以加热工作流体。利用自然循环或强制循环,流体将收集到的热量储存到蓄热装置中。待有热需求时,由蓄热装置中提取热量供建筑使用。作为太阳能供暖系统的关键部件,集热装置与蓄热装置对系统的供热性能表现有重要影响。本文根据太阳能供暖系统研究的现状,针对横置真空管集热器与变出口水箱的流动换热机理及应用,分别采用数值计算、理论研究以及实验验证等方法进行研究。通过实测与数值计算方法,对在我国广泛使用的横置式真空管集热器进行了分析。研究揭示了其内部流动的发展过程与流动特性,并建立了更为准确的流动传热数学模型。针对太阳能供暖系统中的蓄热与供热特性,本文提出了一种基于变出口实现变有效容积式的新型蓄热水箱。新型水箱的设计,仅需在原有水箱的基础上进行可控出口的改造,即可实现性能的提高。通过对该新型水箱的结构与热特性的研究,建立了新型水箱以及供暖系统的数学模型。利用该数学模型,探索了新型水箱对不同循环方式的太阳能供暖系统的长期运行的影响。主要研究工作与成果如下:利用数值计算方法,分析研究横置式真空管内部的流动发展过程与流动特性,并与实测结果进行了对比验证。揭示了管内流动发展过程的复杂性,并提出了二次流流动对管内流动换热的重要影响。建立了充分考虑二次流的管内传热流动数学模型。与现有数学模型相比,该模型的预测结果与数值计算结果的吻合度更高,为工程设计的适用性建立了基础。对新型水箱的计算分析显示新型水箱设计可将大部分热量集中在有效容积内。水箱通过改变有效容积的大小实现变容积蓄热功能。新型水箱改善了供暖系统在太阳辐射量不足的情况下的蓄热表现。阴天蓄热时,新水箱有效容积的平均温度较传统水箱提高了4.2℃。这反映了新水箱可有效提高水箱能量的储蓄品位。基于新型水箱的特点,建立了水箱内部流动传热的数学模型,研究了热负荷特性、水箱初温以及太阳照射量对新型水箱运行情况的影响。研究表明在日间供暖、较低的水箱初温以及较弱的太阳辐射下,新型水箱对系统的供暖性能均有较大的改善,有效的延长了太阳能供暖时长,改善了系统性能。计算案例表明,当热负荷为1000 W、辐射量为15.3 MJ/m时,在初始水箱温度为15℃的条件下,传统水箱供水温度达不到供暖要求,而新型水箱仍可提供13.2 MJ的热量。鉴于新型水箱在日间供暖下的显著性能,重点对以日间供暖为主的太阳能供暖系统进行研究。针对两种主要的系统循环方式,即强制循环与自然循环,建立了相应的数学模型,并利用四川省康定市某自然循环供暖系统的实测数据对该模型进行了验证。通过相应的数学模型,分析比较了新型水箱与传统水箱对系统长期供暖性能的影响。结果显示,对于本文中的强制循环系统,新水箱的供暖季热损失较传统水箱降低了19%,供暖季的有效供热量则提升了11.6%。而对于本文中的自然循环系统,新水箱对系统供暖季供热量的改善可达11.9%。本文结合理论研究,数值计算与实测验证,重点研究了太阳能供暖系统的集热器与蓄热水箱。通过横置式真空管集热器内部流动的特征与相应的数学模型,揭示了集热器内部流动机理并预测了管内流动换热性能。另一方面,对新型蓄热水箱的多因素影响及长期供暖性能的研究分析表明新型水箱对优化改善太阳能供暖系统的供暖性能改善有显著作用,对优化蓄热水箱选型与解决管道夜间冻结等问题具有实际意义。本文针对太阳能供暖系统的研究可为太阳能供暖技术的推广应用提供一定的理论和技术支持。