【摘 要】
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平板型太阳能集热器由于其采光面积大、运行稳定可靠的优势,成为目前广泛使用的集热器类型之一。准确得到平板集热器在各地区的热损失系数,是太阳能集热系统设计计算的关键。但是,现有平板集热器的热损失系数主要依据标准实验室稳态条件下的实验测试结果得到,一方面该方法忽略了不同地区实际室外环境条件,难以反应室外动态条件下平板集热器的热损失特征,另一方面,对于高海拔地区,气压低、空气稀薄等特殊环境条件使得高海拔地
【基金项目】
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“十三五”国家重点研发计划“藏区、西北及高原地区利用可再生能源采暖空调新技术”(No.2016YFC0700400); 国家自然科学基金面上项目“局部采暖热扩散空间递进分布机理及定向热环境设计关键参数研究”(52078408); 陕西省杰出青年基金项目“建筑节能与太阳能供暖”(2020JC-43);
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平板型太阳能集热器由于其采光面积大、运行稳定可靠的优势,成为目前广泛使用的集热器类型之一。准确得到平板集热器在各地区的热损失系数,是太阳能集热系统设计计算的关键。但是,现有平板集热器的热损失系数主要依据标准实验室稳态条件下的实验测试结果得到,一方面该方法忽略了不同地区实际室外环境条件,难以反应室外动态条件下平板集热器的热损失特征,另一方面,对于高海拔地区,气压低、空气稀薄等特殊环境条件使得高海拔地区平板集热器通过对流和辐射方式向环境散失的热量发生显著改变。因此,为了准确计算高海拔地区平板集热器热损失,为太阳能集热系统设计提供计算依据,需要对不同海拔地区平板型太阳能集热器的热过程及热损失进行深入研究。本研究首先通过理论分析,建立了平板太阳能集热器的热损失计算模型;在此基础上,通过数值计算,分析了环境因素综合影响下不同海拔地区平板集热器的对流热损失和辐射热损失特性;最后,综合考虑对流热损失和辐射热损失,获得了不同海拔地区平板集热器总热损失变化规律,并提出了不同海拔地区总热损失修正计算方法。研究过程和主要结论如下:(1)分析了平板集热器的动态传热过程,建立了平板集热器传热过程热网络模型,根据热平衡关系建立了平板集热器传热数学模型,进而提出了平板集热器对流、辐射和总热损失数学模型。利用Simulink建立了平板集热器热损失仿真计算模型,并通过实验测试对平板集热器热损失数学模型的准确性进行了验证。(2)分析了平板集热器对流热损失随气压、风速、环境温度及太阳辐照度等环境因素的变化规律,进而得到了不同海拔地区对流热损失的变化规律。结果表明:对流热损失过程主要受对流换热系数及换热温差影响;气压降低或风速减小使得空气密度或流动速率减小,对流换热系数减小,对流热损失及热损失系数降低;而环境温度升高或太阳辐照度减弱则使平板集热器与环境的换热温差及对流换热速率减小,对流热损失和热损失系数均降低;对于不同海拔地区,受上述各环境因素综合影响,随着海拔升高,平板集热器对流热损失及热损失系数呈降低变化规律,由海拔约400米的西安至海拔约3600米的拉萨,对流热损失系数减小1.7 W/(m2·K),对流热损失减小29.5 W/m2。(3)分析了气压、水汽压、日照百分率、环境温度、地表温度和太阳辐照度对平板集热器辐射热损失的影响,进而得到了不同海拔地区辐射热损失的变化规律。结果表明:辐射热损失过程主要受大气逆辐射、地面及集热器长波辐射影响;气压、水汽压降低,或日照百分率增大,大气逆辐射减弱,辐射热损失及热损失系数增大;环境温度升高,大气逆辐射增强,与此同时,集热器长波辐射也增大,导致辐射热损失及热损失系数增大;地表温度升高,地面长波辐射增加,辐射热损失及热损失系数减小;太阳辐照度增强,集热器长波辐射增加,辐射热损失及热损失系数增大;对于不同海拔地区,受上述多种因素综合影响,随着海拔升高,平板集热器辐射热损失及热损失系数增大,由海拔约400米的西安至海拔约3600米的拉萨,辐射热损失增加52.7 W/m2,辐射热损失系数增大3.6倍。(4)综合不同海拔地区平板集热器对流和辐射热损失的变化规律,得到了不同海拔地区平板集热器总热损失的规律。结果表明:随海拔高度升高,平板集热器的对流热损失系数减小,辐射热损失系数增大,但二者变化幅度存在差异,使得总热损失系数最大变化幅度达10%左右。结合实验室标准工况和不同海拔地区实际室外条件下平板集热器的总热损失系数,提出了不同海拔地区平板集热器热损失系数修正计算方法。该研究针对通常情况下未考虑实际室外环境条件导致热损失系数与标准工况下热损失系数发生偏离的问题,提出了平板集热器热损失修正计算方法,为高海拔地区太阳能集热系统的选型设计提供理论指导。
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