分離式太陽能熱管供暖供熱水技術

孫龍++龔延風

摘 要：提出一種新型的分離式太陽能熱管供暖供熱水技術，介紹了分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置的工作原理、組成、運行及技術特點。該裝置通過分離式熱管將壁掛式太陽能集熱器與建筑內墻一體化結合，熱響應速度快、傳熱性能高效，能夠實現了太陽能無動力供暖，同時有供生活熱水功能。通過理論計算，為裝置中的分離式熱管選取了合適的工況、工質及管殼。

關鍵詞：太陽能；分離式熱管；供暖；無動力

0 引言

太陽能是一種在建筑中非常具有利用潛力的清潔能源，取之不盡用之不竭。建筑能耗約占社會總能耗的三分之一，而在北方地區，供暖能耗更是占了建筑能耗的40 %左右。夏熱冬冷地區同寒冷及嚴寒地區一樣，冬季也有供暖需求。寒冷地區采用集中供熱的方式供暖，而夏熱冬冷地區居住建筑通常采用單體空調來承擔建筑供暖熱負荷。供暖和生活熱水能耗在建筑能耗中屬于低品位的一類，使用適宜的技術手段，完全可以利用太陽能來滿足，太陽能低溫輻射供暖就是一種較為有效的太陽能供暖技術。熱管是一種高效的傳熱元件，具有自然循環、相變傳熱等優點，在建筑供暖的應用研究還處于初步階段，若將熱管技術利用在建筑供暖中，可提高太陽能替代常規能源的比例，充分發揮太陽能在建筑節能中的巨大潛力[1]。

分析了現有熱管作為供暖末端的三種形式，提出一種分離式太陽能熱管供暖供熱水技術，采用太陽能作為熱源，通過分離式熱管將壁掛式太陽能熱水器與墻體結合，利用墻體的輻射與對流換熱進行室內供暖，兼有供生活熱水功能。整個裝置無動力輸送熱量，即可滿足供暖需求，同時各構件能夠與建筑一體化結合。

1 太陽能熱管供暖技術現狀

現有的低溫熱源供暖系統中，以熱管作為供暖末端尚處于基礎理論研究階段，主要有以下三種類形式：

1.1 熱管直接作為供暖末端

上海理工大學于國清等人發明了一種“熱管式太陽能取暖器”，并已申請了發明專利。該取暖器采用若干根重力式熱管傾斜穿越建筑圍護結構，集熱段插入太陽能真空集熱管內，布置在室外；放熱段設有金屬外罩，布置在室內。熱管數量可根據室內熱負荷進行調整，其完全利用太陽能供暖，適用于高層公寓及有日間供暖需求的學校和辦公建筑。系統簡單，不需要泵與風機。

1.2 熱管與地板相結合

低溫熱水地板輻射供暖技術通過對敷設在地板層內的加熱盤管（一般是塑料管）輸送低溫熱水（40～60℃）來保證地板表面溫度，維持合適的室內熱環境，實現供暖[2]。天津大學謝慧用重力熱管替代塑料管進行了熱管地板輻射供暖的基礎理論研究，建立熱管地板及供暖房間的傳熱模型及其實驗研究。熱管地板輻射供暖與地下水源熱泵聯合運行實驗，得出相比于塑料管，熱管地板供暖的傳熱高效，其供水溫度可減少4～6℃；蓄熱性能良好，升溫快降溫慢；衛生、舒適，室內溫度梯度較小。太原理工大學撖文輝利用不銹鋼-水熱管代替塑料管進行地板輻射供暖研究，地板填充層采用與塑料管相同的結構。得出利用熱管進行地板輻射采暖的人體不滿意度可降至25%的較低范圍內，采用40℃左右的低溫熱源即可達到良好的供暖效果。

1.3 熱管與墻體相結合

哈爾濱工業大學卞愛萍研究了熱管與墻面結合的供暖末端裝置用于供暖的可行性。該裝置將重力式熱管豎直安裝在內墻或外墻中，吸熱段插入水聯箱內以吸收熱量，放熱段在墻體內直接放出熱量實現供暖。該結合方式使得室內溫度分布均勻，不占據層高和室內面積，可減小熱管敷設面積。

總結以上三種熱管供暖形式發現：形式1雖然采用了被動式太陽能供暖但并沒有改善傳統散熱器影響室內使用面積、不美觀、室內溫度不均勻的情況，且功能單一只能在供暖季使用，夏季反而會提高室內溫度；形式2和3雖然供暖效果良好但沒有與太陽能相結合，仍然依賴熱水環路，需要額外消耗能量，并沒有完全達到被動式太陽能供暖。

2 分離式太陽能熱管供暖供熱水系統工作原理

熱管利用工質的相變進行熱量傳遞，不需要外加動力即可將大量熱量通過很小的橫截面積進行傳輸，其傳熱系數比相同幾何尺寸的金屬棒大了幾個數量級[3]。熱管的兩端分別為蒸發段和冷凝段，中間可布置絕熱段。熱管的蒸發段不斷吸熱，當管內工質達到蒸發溫度時液體開始汽化，由于蒸發段與冷凝段之間存在壓力差，蒸汽通過管腔達到冷凝段，凝結放熱形成液體，液態工質在毛細力或重力作用下再沿管殼內壁流回蒸發段，如此反復，形成自然循環。

熱管的結構適應性強，布置靈活，分離式熱管就是其中的一種結構形式。分離式熱管不但具有經典熱管的相變換熱、自然循環等優點，而且管內汽液兩相同向流動，管段布置便于遠距離的熱量輸入與輸出。如圖1所示，集熱器安裝在南向陽臺外部，蒸發段置于儲熱水箱中，冷凝段嵌入墻體內部。其工作原理與重力式熱管相似，如圖2所示，蒸發段可視為一均勻受熱管，不斷吸收水箱中的熱量，當管內達到工作溫度后后，產生的蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段，假定管內不存在不凝性氣體，冷凝段可視為豎直管中汽-液并流的凝結換熱過程，將熱量傳遞至墻體，同時凝結液在重力作用下，經液體下降管流回蒸發段，如此往復循環。其自然循環的動力來源于冷凝段和蒸發段的高度差和管內工質汽液之間的密度差，它平衡了兩相流的流動損失，使得系統穩定運行。

3 分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置

3.1 裝置組成

分離式太陽能熱管供暖供熱水裝置主要由三大部分組成：壁掛式太陽能集熱器、分離式熱管及內墻。壁掛式太陽能熱水器包括集熱器、冷熱水循環管、儲熱水箱、補水管和生活熱水管；分離式熱管主要由蒸發段、蒸汽上升管、冷凝段和液體下降管組成，其蒸發段和冷凝段通過蒸汽上升管和液體下降管分開布置，蒸發段在儲熱水箱內的高度位于非采暖季水位控制線之上，蒸發段和冷凝段設置肋片以加強換熱，外露管段采取保溫絕熱措施。

3.2 運行過程

3.2.1 供暖endprint

供暖時需要將儲熱水箱補滿水，使得分離式熱管的蒸發段與水源完全接觸，以保證能夠充分吸收熱量。白天，太陽能集熱器不斷吸收太陽輻射使得水箱內溫度逐漸升高，分離式熱管的蒸發段與嵌入墻體中的冷凝段的溫差慢慢增大，當熱管達到工作溫度后，由于自身的高效傳熱特性，將水箱在的熱量傳遞至冷凝段，再由肋片將熱量傳至內墻，內墻依靠自身的蓄熱特性不斷吸收、貯存熱量，同時向室內釋放熱量。在這一過程中分離式熱管內部是一自然循環回路，不需要外加動力，如此源源不斷地將熱量“搬運”至室內。

3.2.2 供生活熱水

熱管具有單向導熱的特點，供暖季也可根據天氣情況，當室內已滿足一定的溫度需求后，水箱內的水可以直接供熱，次日將水箱補滿水后可繼續供暖；在非供暖季，可通過補水管控制水箱內的水量來切換供生活熱水模式，當水位低于非采暖季水位控制線時，保證了分離式熱管蒸發段完全沒有與水源接觸，本裝置即可作為壁掛式太陽能熱水器正常使用，同時避免了在非供暖季仍然向室內供暖的問題。

3.3 技術特點

3.3.1 熱源為太陽能

太陽能為清潔的可再生能源，其來源充足、易獲取。低溫熱水輻射采暖系統的熱媒水溫度一般為40～60℃[4]，采用太陽能作為熱源，水箱內的溫度完全可以達到溫度要求。

3.3.2 熱管為傳熱元件

熱管熱阻小，導熱能力強，管內工質一旦受熱達到工作溫度即蒸發，而且在較低的溫度下即可立即汽化，其不僅有快速啟動性能，而且具有良好的低溫啟動性能和防凍性能。熱管的單向導熱性使其只允許熱流向一個方向流動，分離式熱管蒸發段源源不斷地將熱水中的熱量輸送至冷凝段。

3.3.3 無動力供暖

本裝置克服現有的太陽能供暖系統依賴熱水環路，水力不平衡，循環水泵消耗電能的不足，完全采用自然循環，實現無動力供暖。

3.3.4 簡單、舒適

分離式熱管蒸發段和冷凝段可分離，對安裝要求低，適應長距離輸送；采用墻體輻射供暖，溫升平緩，分布均勻，對室內空氣的擾動小，可以供暖也可以供生活熱水。

3.3.5 末端隱蔽性好

熱管布置在墻體內部，隱蔽性高。與傳統散熱器相比，不影響室內美觀，不影響房間使用面積；與地板輻射供暖系統相比，不占用層高、不增加樓板荷載，減少敷設面積；

3.3.6 不足之處

相比與其他供暖系統，本裝置也存在以下缺點：

（1）由于墻體的熱惰性，室內熱響應速度慢，若達到室內要求溫度通常需要很長時間，目前局限用于白天集熱，夜間放熱；

（2）傳熱元件嵌在墻體內部，導致熱管的維修難度較大；

（3）分離式熱管的蒸發段必須位于冷凝段下方，并要大于最小高度差，這意味著放置蒸發段的儲熱水箱必須占據一部分陽臺面積；

（4）本技術目前尚處于理論研究階段，需要通過實驗進一步驗證實際的運行效果。

4 結語

熱管在熱能傳輸方面具有傳熱速度快、熱效率高、運轉不需要動力等獨特優勢，太陽能低溫供暖工程中應用熱管技術可以有效提高建筑供暖對太陽能的利用效率，節能環保。本文提出的分離式太陽能熱管供暖供熱水技術與建筑一體化結合，完全采用太陽能無動力運行，具有供暖和供生活熱水功能，特別方便應用于多層、高層居住建筑，為太陽能熱管供暖提出了新的思路，具有一定的應用價值與前景，同時該技術還處于理論研究階段，缺乏相關施工技術及實驗方面的研究，值得進一步探討。

參考文獻：

[1]鄭瑞澄，韓愛興.我國太陽能供熱采暖技術現狀與發展[J].建設科技，2013（01）：12-16.

[2]謝慧.熱管地板輻射供暖基礎理論研究[D].天津大學，2006.

[3]莊俊，張紅.熱管技術及其工程應用[M].2000.

[4]王銳，董重成，吳輝敏.熱管用于建筑供暖的初步研究[J].低溫建筑技術，2014，36（02）：35-37.

[5]黃問盈.熱管與熱管換熱器設計基礎[M].中國鐵道出版社，1995.

[6]卞愛萍.熱管與墻面結合的供暖末端裝置研究[D].哈爾濱工業大學，2013.

作者簡介：孫龍（1989-），男，江蘇淮安人，在讀研究生，研究方向：綠色建筑與建筑設備節能技術。endprint