热管式太阳能取暖装置的热性能研究
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摘要
我国的供暖能耗在建筑消耗中的比例呈现出逐年上升的趋势，可再生资源的
开发利用及减少常规能源的利用显得十分重要。所以，将太阳能利用到建筑供暖
有着重大的发展前景和意义。 热管是一种高效的传热元件，本文对热管式太阳
能取暖装置的供热性能进行了理论和实验研究。所研究的供暖装置将热管利用到
太阳能供暖中对建筑直接供暖，解决了传统的太阳能供热系统存在的结冻、结垢、
启动慢等一些问题。
（1）搭建了热管式太阳能取暖器的实验装置。首先，对装置的供热量进行
测量：利用 PID 模拟控制方法对装置的供热量进行测量，得出单元式热管供热
装置供热量与散热器内外温差的函数关系 y = 0.17△t1.5，将此函数关系作为装置
实测时的供热量依据，得出实测当天装置的供热量为 922kJ，装置的日平均效率
为59.8%。通过对单根折弯热管和直管热管进行的性能测试，得出本课题所使用
的热管，折弯热管与直管的温度分布相近，折弯对热管的性能影响可以忽略。
（2）本文利用传热机理建立装置传热数学模型，并进行模拟计算分析，得
出供热量随着太阳辐照量的增大而增大，模拟计算当天全天的供热量为 898kJ，
日平均效率为 58.6％。与热管式太阳能取暖装置实测实验结果对比：供热量偏差
在9.6%左右，实验测量结果与模拟分析计算结果基本一致。利用模拟计算分析
真空管管径、室外气象参数对装置热性能的影响，并通过模拟分析讨论了散热器
性能参数 a和幂指数 b对装置供热量的影响。
（3）本课题利用模拟计算分析上海、北京、哈尔滨三个地区，在 1月份来
进行模拟计算分析，分别计算装置集热器为最佳倾角和南墙垂直放置时的热性能,
并给出了对应 1m2南墙在对应情况下所能提供给相应面积室内的热量。得出结
论，装置在北京地区的热性能较理想，在北京地区该装置在1m2南墙可以提供
12.5m2的室内供暖。
关键词： 热管式 取暖装置 供热量 模拟分析
ABSTRACT
The proportion of the building energy consumption in the total energy
consumption in China is increasing yearly, so it has great prospects and significance to
utilize solar heating. The main purpose of this paper is to study the thermal
performance of heat pipe solar heating systems. Heat pipe is a highly efficient heat
transfer components, and heating devices of this study will make use of the heat pipe
solar heating in the direct heating for the building. It solves some problems of the
traditional solar heating systems, such as, freezing, scaling, slowly startup.
（1）The experimental devices are set up. First, measure the heating load of the
devices: an analog PID control method is used to measure the heating load of the unit
and the temperature difference between inside and outside of the radiator: y = 0.17△t1.5.
This relationship is made as the basis for the heat load when measured at the actual day.
The experiment results for the heat load in a day is 922kJ. Through single heat pipe
performance tests, the heat pipes used in this paper, bent heat pipe and straight pipe
temperature distribution is similar, so the angle of the heat pipe can be ignored.
（2）In this paper, heat transfer mechanism is used to establish the heat transfer
mathematical model and modeling computation. The heat supply increases with the
amount of solar radiation, and the heat supply of the whole day is 898kJ, and daily
average efficiency is 58.6%. Compared with the experimental results, the heat
deviation is about 9.6%, so the simulation results are consistent with the experimental
results.The result of the simulation is used to analyze the tube diameter, the effect of
outdoor meteorological parameters on the thermal performance of the device, and
discussed the effects of the heat radiator performance parameters a and b for the
heating supply of the unit device.
（3）This paper analyzes the thermal performance of heating devices in three
regions, Shanghai, Beijing, Harbin, in January. And carry out thermal performance of
the devices in the best angle and in vertical deposition in south wall separately. At the
same time, the last section also figures out the indoor heating which 1m2 brick wall can
provide in corresponding circumstances for the appropriate area. It is concluded that
1m2 south wall of the apparatus can provide 12.5m2 of indoor heating in Beijing.
Key word: Heat pipe, Heating devices, Heat supplied, model analysis
目 录
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的目的和意义 ................................................................................. 1
1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 2
1.3 本课题主要研究内容 ..................................................................................... 5
第二章 热管式太阳能取暖器装置的实验研究 ............................................................ 7
2.1 热管式太阳能取暖器装置的结构 .................................................................... 7
2.1.1 装置组成 ..................................................................................................... 7
2.1.2 热管的工作原理 ........................................................................................ 7
2.1.3 装置的工作原理 ........................................................................................ 8
2.1.4 主要技术规格 ............................................................................................ 8
2.1.5 太阳能真空管集热器倾角的确定 .......................................................... 10
2.2 实验测试系统 .................................................................................................. 11
2.2.1 实验方法 ................................................................................................... 11
2.2.2 测量仪表 ................................................................................................... 11
2.3 取暖装置供热量的测量 .................................................................................. 13
2.3.1 取暖装置供热量的实验装置 .................................................................. 13
2.3.2 电加热装置的控制原理 .......................................................................... 14
2.3.3 实验测点布置及实验工况 ...................................................................... 17
2.3.4 取暖装置供热量测量的实验分析 .......................................................... 17
2.4 热管式太阳能取暖装置热性能实验 ........................................................... 18
2.5 单根热管的性能测试 ..................................................................................... 21
2.6 本章小结 ......................................................................................................... 22
第三章 热管式太阳能取暖装置的建模 ...................................................................... 23
3.1 建模概述 .......................................................................................................... 23
3.2 模型假设 ......................................................................................................... 23
3.3 传热分析 ......................................................................................................... 24
3.3.1 太阳能真空管侧的传热 .......................................................................... 24
3.3.2 真空管内层玻璃与热管之间的换热 ....................................................... 26
3.3.3 散热器侧与室内的传热 .......................................................................... 28
3.3.4 热平衡方程的建立 ................................................................................... 28
3.4 装置模拟的流程 .............................................................................................. 29
3.5 本章小结 ......................................................................................................... 31
第四章 热管式太阳能取暖装置模拟分析 .................................................................. 32
4.1 模拟结果分析 ................................................................................................. 32
4.2 各参数对装置热性能的影响 ......................................................................... 35
4.2.1 真空管管径对单元装置热性能的影响 ................................................... 35
4.2.2 室外气象参数对供暖装置的热性能影响 ............................................... 36
4.2.3 散热器性能对供暖装置的热性能影响 .................................................. 37
4.3 本章小结 ......................................................................................................... 41
第五章 热管式取暖装置在不同地区的热性能 .......................................................... 42
5.1 上海地区装置的热性能 .................................................................................. 42
5.1.1 上海地区气象参数 .................................................................................. 42
5.1.2 集热器倾斜放置时装置的热性能 .......................................................... 44
5.1.3 南墙垂直放置时装置的热性能 ............................................................... 46
5.2 北京地区装置的热性能 .................................................................................. 48
5.2.1 北京地区气象参数 .................................................................................. 48
5.2.2 集热器倾斜放置时装置的热性能 .......................................................... 49
5.2.3 南墙垂直放置时装置的热性能 ............................................................... 50
5.3 哈尔滨地区装置的热性能 .............................................................................. 52
5.3.1 哈尔滨地区气象参数 .............................................................................. 52
5.3.2 集热器倾斜放置时装置的热性能 ........................................................... 54
5.3.3 南墙垂直放置时装置的热性能 ............................................................... 55
5.4 三个地区计算汇总及对比 ............................................................................. 56
5.5 本章小节 ......................................................................................................... 57
第六章 结论及展望 ...................................................................................................... 58
6.1 工作总结 .......................................................................................................... 58
6.2 对本课题的展望和建议 .................................................................................. 58
参考文献 ........................................................................................................................ 60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目 ................................................................ 64
致谢 ................................................................................................................................ 65
第一章 绪论
1
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
我国太阳能资源非常丰富，太阳能利用是减少常规能源消耗的有效途径，在
建筑领域中有广阔的发展前景，对于我国的节能减排和社会的可持续发展具有重
大的现实意义[1]。近年来，能源危机成为地区政治动荡和战争根源之一 ，化石能
源的有效性、不可再生性及对环境的危害性越来越突出，人类面临着巨大的挑战
和威胁，而建筑业是诸行业中的能源消耗大头，据有关资料分析 CO2排放量的
1/3 是建筑能源使用过程中排放的。为使人类社会得以可持续发展 ，必须需求新
的能源。因此，不断加大科研力度，把永不枯竭、清洁、无污染的可再生能源太
阳能转换成产业优势，应用于建筑中的采暖及生活热水。太阳能是人类赖以生存
和保证社会可持续发展的能源[2]。太阳能热水系统技术成熟、应用广泛、积极推
广和使用新能源和可再生能源 ，对减少化石能源大气带来的污染，保护生态环
境有着重大意义。
以上海、南京、武汉为代表的长江中下游地区，冬季湿冷，室内热环境很差，
随着人们生活水平的提高，越来越多的建筑利用热泵空调器进行供暖，对冬季的
用电负荷形成了很大的压力，能耗十分可观。我国北方地区（东北、华北、西北）
冬季寒冷，需要采暖，冬季的采暖能耗巨大，而且由此造成较为严重的环境污染。
利用太阳能进行供暖，可以大幅降低冬季能耗，提高房间的热舒适水平[3]。
集热器是实现太阳能光热转换的关键设备，目前应用较多的是平板集热器与
真空管集热器。平板集热器存在较大的热损失问题，真空管主要由内部的吸热体
和外罩的玻璃管所组成，吸热体表面沉积有选择性吸收涂层，吸热体与玻璃管之
间的夹层保持高度真空度，可以有效抑制真空管内空气的传导和对流热损失，缺
点是内管中水容量大，因而热容量大、启动慢。因此需要开发新的装置，来改善
原有系统存在的问题[4]。
热管作为一种高效的传热元件在太阳能利用领域也颇受欢迎，将热管与全玻
璃真空管结合也解决了非热管式集热器存在的不抗冻、结垢、启动慢等一些问题。
本课题旨在研究太阳能与热管结合的直接供暖方式，主要是利用全玻璃真空管与
热管结合，热管的蒸发段置于真空管内，冷凝段直接给建筑进行供暖[5]。
可变导热管（VCHP——Variable Conductance Heat Pipe）的开发可以实现变工
况情况下冷、热源的恒温特性，既可以要求当热负荷或热源温度发生很大变化时，
冷凝段或热汇的温度保持不变，又可成功地用于保持热管或热源温度不随热负荷
上海理工大学硕士学位论文
2
或热汇温度的变化而改变。
热管技术历经 30 年的发展，已经走向实用阶段。它具有其它传热技术所不具
备的许多诱人之处：卓越的传热效率以及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可
控制、汇源分离等独特优越性。因此，热管技术已经在越来越广阔的领域取得卓
有成效的应用，我国热管技术在化工、建材、冶金、动力工程、生物工程等方面
的应用发展迅速，在采暖空调领域的应用也呈快速发展之势。可持续性发展已经
成为整个社会发展的方向，采暖空调是能耗大户，其技术的发展自然也要走可持
续发展之路。因为热管技术卓越的传热性能在废热、余热、太阳能、地热能等低
品位能源的回收与利用上得到广泛的应用，使之成为实现采暖空调低能耗、高效
率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实技术基础之一[6]。
将热管与太阳能结合来进行直接供暖，与常规的太阳能供暖相比，有以下特
点：
（1）热管构造简单，换热效率高，是一种高效的传热元件，并且能够小面积
吸热、并以较大的面积散热[7]。
（2）太阳能与热管直接供暖，无需水系统，避免了水为介质的供暖系统引起
的漏水而破坏建筑装饰的情况。
（3）取缔了常规的水系统，构造简单，组装方便，很好的实现了可再生能源
装置与建筑结合。
（4）减少了以水为传热介质的常规供暖系统的水管道及动力设备，节省了大
量的费用。
（5）根据房间的负荷在直接增减供热单元，可用于新建建筑以及旧建筑节能
改造。
（6）在实际应用过程中，当太阳能不足以提供热量时，可方便的选择空气源
热泵或其它供热设备来进行辅助加热。
近年来，我国每年都有大量新建建筑投入使用，我国的建筑能耗在全国能源
消耗总量中的比例呈现出逐年上升的趋势，我国北方城镇采暖能源占全国总能耗
很大的比重，为建筑能源消耗的重要组成部分，所以太阳能供暖有着重大的发展
前景和意义。
1.2 国内外研究现状
热管（Heat Pipe，HP）在 1944 年由 R.S.Gaugler 于美国专利中提出[10]，是最
有效的传热元件之一，可在无动力的情况下，热量通过很小的传热面积被传输很
远的距离。1964 年由 Grover 等人开发出来，首先被应用于卫星的热排散，随后
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作者：侯斌
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
