分离式太阳能热管供暖供热水技术

孙龙++龚延风

摘 要：提出一种新型的分离式太阳能热管供暖供热水技术，介绍了分离式太阳能热管供暖供热水装置的工作原理、组成、运行及技术特点。该装置通过分离式热管将壁挂式太阳能集热器与建筑内墙一体化结合，热响应速度快、传热性能高效，能够实现了太阳能无动力供暖，同时有供生活热水功能。通过理论计算，为装置中的分离式热管选取了合适的工况、工质及管壳。

关键词：太阳能；分离式热管；供暖；无动力

0 引言

太阳能是一种在建筑中非常具有利用潜力的清洁能源，取之不尽用之不竭。建筑能耗约占社会总能耗的三分之一，而在北方地区，供暖能耗更是占了建筑能耗的40 %左右。夏热冬冷地区同寒冷及严寒地区一样，冬季也有供暖需求。寒冷地区采用集中供热的方式供暖，而夏热冬冷地区居住建筑通常采用单体空调来承担建筑供暖热负荷。供暖和生活热水能耗在建筑能耗中属于低品位的一类，使用适宜的技术手段，完全可以利用太阳能来满足，太阳能低温辐射供暖就是一种较为有效的太阳能供暖技术。热管是一种高效的传热元件，具有自然循环、相变传热等优点，在建筑供暖的应用研究还处于初步阶段，若将热管技术利用在建筑供暖中，可提高太阳能替代常规能源的比例，充分发挥太阳能在建筑节能中的巨大潜力[1]。

分析了现有热管作为供暖末端的三种形式，提出一种分离式太阳能热管供暖供热水技术，采用太阳能作为热源，通过分离式热管将壁挂式太阳能热水器与墙体结合，利用墙体的辐射与对流换热进行室内供暖，兼有供生活热水功能。整个装置无动力输送热量，即可满足供暖需求，同时各构件能够与建筑一体化结合。

1 太阳能热管供暖技术现状

现有的低温热源供暖系统中，以热管作为供暖末端尚处于基础理论研究阶段，主要有以下三种类形式：

1.1 热管直接作为供暖末端

上海理工大学于国清等人发明了一种“热管式太阳能取暖器”，并已申请了发明专利。该取暖器采用若干根重力式热管倾斜穿越建筑围护结构，集热段插入太阳能真空集热管内，布置在室外；放热段设有金属外罩，布置在室内。热管数量可根据室内热负荷进行调整，其完全利用太阳能供暖，适用于高层公寓及有日间供暖需求的学校和办公建筑。系统简单，不需要泵与风机。

1.2 热管与地板相结合

低温热水地板辐射供暖技术通过对敷设在地板层内的加热盘管（一般是塑料管）输送低温热水（40～60℃）来保证地板表面温度，维持合适的室内热环境，实现供暖[2]。天津大学谢慧用重力热管替代塑料管进行了热管地板辐射供暖的基础理论研究，建立热管地板及供暖房间的传热模型及其实验研究。热管地板辐射供暖与地下水源热泵联合运行实验，得出相比于塑料管，热管地板供暖的传热高效，其供水温度可减少4～6℃；蓄热性能良好，升温快降温慢；卫生、舒适，室内温度梯度较小。太原理工大学撖文辉利用不锈钢-水热管代替塑料管进行地板辐射供暖研究，地板填充层采用与塑料管相同的结构。得出利用热管进行地板辐射采暖的人体不满意度可降至25%的较低范围内，采用40℃左右的低温热源即可达到良好的供暖效果。

1.3 热管与墙体相结合

哈尔滨工业大学卞爱萍研究了热管与墙面结合的供暖末端装置用于供暖的可行性。该装置将重力式热管竖直安装在内墙或外墙中，吸热段插入水联箱内以吸收热量，放热段在墙体内直接放出热量实现供暖。该结合方式使得室内温度分布均匀，不占据层高和室内面积，可减小热管敷设面积。

总结以上三种热管供暖形式发现：形式1虽然采用了被动式太阳能供暖但并没有改善传统散热器影响室内使用面积、不美观、室内温度不均匀的情况，且功能单一只能在供暖季使用，夏季反而会提高室内温度；形式2和3虽然供暖效果良好但没有与太阳能相结合，仍然依赖热水环路，需要额外消耗能量，并没有完全达到被动式太阳能供暖。

2 分离式太阳能热管供暖供热水系统工作原理

热管利用工质的相变进行热量传递，不需要外加动力即可将大量热量通过很小的横截面积进行传输，其传热系数比相同几何尺寸的金属棒大了几个数量级[3]。热管的两端分别为蒸发段和冷凝段，中间可布置绝热段。热管的蒸发段不断吸热，当管内工质达到蒸发温度时液体开始汽化，由于蒸发段与冷凝段之间存在压力差，蒸汽通过管腔达到冷凝段，凝结放热形成液体，液态工质在毛细力或重力作用下再沿管壳内壁流回蒸发段，如此反复，形成自然循环。

热管的结构适应性强，布置灵活，分离式热管就是其中的一种结构形式。分离式热管不但具有经典热管的相变换热、自然循环等优点，而且管内汽液两相同向流动，管段布置便于远距离的热量输入与输出。如图1所示，集热器安装在南向阳台外部，蒸发段置于储热水箱中，冷凝段嵌入墙体内部。其工作原理与重力式热管相似，如图2所示，蒸发段可视为一均匀受热管，不断吸收水箱中的热量，当管内达到工作温度后后，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段，假定管内不存在不凝性气体，冷凝段可视为竖直管中汽-液并流的凝结换热过程，将热量传递至墙体，同时凝结液在重力作用下，经液体下降管流回蒸发段，如此往复循环。其自然循环的动力来源于冷凝段和蒸发段的高度差和管内工质汽液之间的密度差，它平衡了两相流的流动损失，使得系统稳定运行。

3 分离式太阳能热管供暖供热水装置

3.1 装置组成

分离式太阳能热管供暖供热水装置主要由三大部分组成：壁挂式太阳能集热器、分离式热管及内墙。壁挂式太阳能热水器包括集热器、冷热水循环管、储热水箱、补水管和生活热水管；分离式热管主要由蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段和液体下降管组成，其蒸发段和冷凝段通过蒸汽上升管和液体下降管分开布置，蒸发段在储热水箱内的高度位于非采暖季水位控制线之上，蒸发段和冷凝段设置肋片以加强换热，外露管段采取保温绝热措施。

3.2 运行过程

3.2.1 供暖endprint

供暖时需要将储热水箱补满水，使得分离式热管的蒸发段与水源完全接触，以保证能够充分吸收热量。白天，太阳能集热器不断吸收太阳辐射使得水箱内温度逐渐升高，分离式热管的蒸发段与嵌入墙体中的冷凝段的温差慢慢增大，当热管达到工作温度后，由于自身的高效传热特性，将水箱在的热量传递至冷凝段，再由肋片将热量传至内墙，内墙依靠自身的蓄热特性不断吸收、贮存热量，同时向室内释放热量。在这一过程中分离式热管内部是一自然循环回路，不需要外加动力，如此源源不断地将热量“搬运”至室内。

3.2.2 供生活热水

热管具有单向导热的特点，供暖季也可根据天气情况，当室内已满足一定的温度需求后，水箱内的水可以直接供热，次日将水箱补满水后可继续供暖；在非供暖季，可通过补水管控制水箱内的水量来切换供生活热水模式，当水位低于非采暖季水位控制线时，保证了分离式热管蒸发段完全没有与水源接触，本装置即可作为壁挂式太阳能热水器正常使用，同时避免了在非供暖季仍然向室内供暖的问题。

3.3 技术特点

3.3.1 热源为太阳能

太阳能为清洁的可再生能源，其来源充足、易获取。低温热水辐射采暖系统的热媒水温度一般为40～60℃[4]，采用太阳能作为热源，水箱内的温度完全可以达到温度要求。

3.3.2 热管为传热元件

热管热阻小，导热能力强，管内工质一旦受热达到工作温度即蒸发，而且在较低的温度下即可立即汽化，其不仅有快速启动性能，而且具有良好的低温启动性能和防冻性能。热管的单向导热性使其只允许热流向一个方向流动，分离式热管蒸发段源源不断地将热水中的热量输送至冷凝段。

3.3.3 无动力供暖

本装置克服现有的太阳能供暖系统依赖热水环路，水力不平衡，循环水泵消耗电能的不足，完全采用自然循环，实现无动力供暖。

3.3.4 简单、舒适

分离式热管蒸发段和冷凝段可分离，对安装要求低，适应长距离输送；采用墙体辐射供暖，温升平缓，分布均匀，对室内空气的扰动小，可以供暖也可以供生活热水。

3.3.5 末端隐蔽性好

热管布置在墙体内部，隐蔽性高。与传统散热器相比，不影响室内美观，不影响房间使用面积；与地板辐射供暖系统相比，不占用层高、不增加楼板荷载，减少敷设面积；

3.3.6 不足之处

相比与其他供暖系统，本装置也存在以下缺点：

（1）由于墙体的热惰性，室内热响应速度慢，若达到室内要求温度通常需要很长时间，目前局限用于白天集热，夜间放热；

（2）传热元件嵌在墙体内部，导致热管的维修难度较大；

（3）分离式热管的蒸发段必须位于冷凝段下方，并要大于最小高度差，这意味着放置蒸发段的储热水箱必须占据一部分阳台面积；

（4）本技术目前尚处于理论研究阶段，需要通过实验进一步验证实际的运行效果。

4 结语

热管在热能传输方面具有传热速度快、热效率高、运转不需要动力等独特优势，太阳能低温供暖工程中应用热管技术可以有效提高建筑供暖对太阳能的利用效率，节能环保。本文提出的分离式太阳能热管供暖供热水技术与建筑一体化结合，完全采用太阳能无动力运行，具有供暖和供生活热水功能，特别方便应用于多层、高层居住建筑，为太阳能热管供暖提出了新的思路，具有一定的应用价值与前景，同时该技术还处于理论研究阶段，缺乏相关施工技术及实验方面的研究，值得进一步探讨。

参考文献：

[1]郑瑞澄，韩爱兴.我国太阳能供热采暖技术现状与发展[J].建设科技，2013（01）：12-16.

[2]谢慧.热管地板辐射供暖基础理论研究[D].天津大学，2006.

[3]庄俊，张红.热管技术及其工程应用[M].2000.

[4]王锐，董重成，吴辉敏.热管用于建筑供暖的初步研究[J].低温建筑技术，2014，36（02）：35-37.

[5]黄问盈.热管与热管换热器设计基础[M].中国铁道出版社，1995.

[6]卞爱萍.热管与墙面结合的供暖末端装置研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

作者简介：孙龙（1989-），男，江苏淮安人，在读研究生，研究方向：绿色建筑与建筑设备节能技术。endprint