平板集热器与建筑一体化热特性研究_赵彦杰

低温建筑技术2013年第2期（总第176期）
平板集热器与建筑一体化热特性研究
赵彦杰1，谢恬田2，于国清
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（1．上海理工大学环境与建筑学院，上海200093；2．中国建筑科学研究院上海分院，上海200093）
【摘要】通过搭建平板集热器与建筑一体化热性能测试实验台，对一体化模式和传统分开模式下的集热
器效率进行测试，
并对与集热器一体化模式的墙体、分开模式的墙体、没有集热器的墙体温度和热流量进行测试，对比三种模式的墙体换热量，分析了室外环境温度和太阳辐照度对集热器效率和墙体换热量影响。

【关键词】平板集热器；建筑一体化；墙体热性能【中图分类号】TU832.14
【文献标识码】B
【文章编号】1001－6864（2013）02－0124－02［基金项目］江苏省科技支撑计划项目（BE2010683）；上海市教委重点学科建设资助项目（J50502）
目前，国内外太阳能技术主要应用在光热、光电领域，其中太阳能热水系统是太阳能光热利用中商业化程度最高、应用最普遍的技术，随着城市的可用建筑空间越来越少，
如何使热水系统与建筑物更好的结合成为制约太阳能热水系统发展的首要问题。

欧洲多年前就已经开始研究如何将太阳能集热装置与建筑围护结构进行有机结合，并开展了多项专题研究
［1，2］
，国内太阳能专家和学者在理论上也
进行了不断的研究和探索［3，4］
，本文通过实验对比分析了与
建筑一体化的集热器和传统分开模式的集热器效率；并对建筑围护结构的传热性能进行测试。

1测试系统及方法介绍1．1
测试系统
实验台搭建在上海理工大学城建学院楼顶电梯房东南朝向外墙处，
平板集热器的尺寸为1800mm ˑ850mm ，吸热板与盖板间距25mm ，管内径10mm ，管间距为150mm ，背部保温层厚度为50mm ，
侧面保温层厚度为25mm 。

将两块相同规格的平板集热器并联连接在系统中，
A 板与墙体间隔25cm ，视为传统分开模式，
B 板与墙体紧密贴合，并在结合处进行密封保温，
视为建筑一体化模式，集热器流量可单独调节，在集热器进、出口处安装铂电阻对水温进行测量，对集热器背部墙体和没有集热器的墙体进行温度和热流测量。

实验原理如图1所示。

1．2测试方法
实验开始前调节A 、B 两板流量相同，太阳辐照度采集
仪的放置与集热器平行，电梯房室内温度控制在20ħ，温差不大于1ħ，循环水泵的运行时间从早上日出至下午太阳辐射不能提高进口水温止。

实验过程中需记录的数据有：太
阳辐照度，两板进、出口水温，集热器的质量流量，室外环境温度，
室内温度，墙体各测点温度及热流通量。

墙体温度、热流测点及室内外环境温度测点的布置见图2。

温度、热流测点布置在墙体的内、
外表面相同位置处，其中T7为室内温度测点，布置在房间正中1.5m 处，T6为室外环境温度测点，实验过程中对T6测点采取防辐射措施。

2实验数据分析2．1
集热器热性能分析
测试时间为4月初，根据测得集热器进、出口温度和太阳辐照量值可计算出集热器有效得热量和集热器效率［5］。

分析测试阶段中集热器有效得热量与太阳辐照度的关系见
图3。

从图中可知：（1）
一体化模式与传统分开模式情况下的平板集热
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赵彦杰等：平板集热器与建筑一体化热特性研究
器有效得热量都随太阳辐照度的增大而增大，变化趋势与
太阳辐照度的变化趋势基本一致。

（2）一体化模式的集热器有效得热量在早晨热循环
系统刚开启时略大于传统分开模式，但随着时间的运行逐
渐小于传统分开模式。

分析原因是由于测试时间为4月初，
早晨室外环境温度较低时，一体化模式集热器的背部热损
失小于分开模式下集热器背部热损失，中午随着室外环境
温度的升高，一体化模式集热器背部热损失逐渐大于分开
模式下集热器背部热损失。

（3）两种模式集热器有效得热量差值随太阳辐射强
度的增大而增大，最大差值分别为22W/m2和23W/m2，均出现在上午11：00 12：00时这个时间段，这与太阳辐射强度随时间的变化趋势不完全一致，说明太阳辐射不是导致两种模式集热器有效得热差异的唯一因素。

分析集热器效率与室外环境温度的关系见图4。

由图4可知，传统分开模式和一体化模式集热器效率的差值随室外环境温度的升高而变大，最大值出现在室外温度最高时，分别为6.0%和5.3%，这说明影响室外环境温度是影响两种模式下集热器热效率差异的重要因素。

2．2墙体热物性分析
按照图2所布置测点对一体化模式、分开模式和无集热器的墙体内外壁温及热流量进行测量，为降低初始环境对实验结果的影响，待一体化结构的热特性稳定后对数据进行分析，图5和图6分别反映了一体化模式、传统分开模式和没有集热器的房间热损失随太阳辐照度和室外环境温度的变化情况。

由图5和图6可看出：
（1）传统分开模式和没有集热器的房间热损失量随室外温度升高逐渐减小，白天处于得热状态。

（2）一体化模式的房间热损失一直为负，说明在测试时间内，房间一直处于得热状态。

（3）白天随室外环境温度的升高，传统分开模式和没有集热器模式的墙体热损失有1不同程度的减小，甚至出现得热现象，没有集热器的墙体受太阳辐射的影响，得热量远大于传统分开模式；在夜间二者的热损失渐渐趋于一致。

（4）测试期间一体化模式的墙体总热损失量分别为－58.8W/m2和－55.7W/m2，传统分开模式的房间总热损失量分别为－2.7W/m2和－32.9W/m2，没有集热器的房间总热损失量分别为61.6W/m2和36.0W/m2。

即测试日内一体化模式的房间总热损失量最小，没有集热器的房间热损失量最大。

3结语
（1）由于测试时间为4月初，昼夜温度波动较大，集热器热效率受外界环境温度影响大于太阳辐射的影响；当室外环境温度高于集热器与墙体的结合层温度时，传统分开模式下集热器热损失小于一体化模式，集热器热效率相应高于一体化模式；相反，当室外环境温度低于一体化模式集热器与墙体的结合层温度时，一体化模式下的集热器热效率大于传统分开模式。

（2）测试期间三种模式墙体总热损失从大到小依次是没有集热器模式，传统分开模式，一体化模式。

其中一体化模式墙体一直处于得热状态，传统分开模式和没有集热器模式墙体白天随着室外温度的升高会出现得热现象。

参考文献
［1］Weiss W．Solar heating systems for houses－A design handbook for solar combisystems［S］．James＆James（Science Publishers）
Ltd，London．2003．
［2］Negst．Building integration of solar thermal collectors［M］．2006．［3］罗成龙．与建筑一体化太阳能双效集热器系统的实验和理论研究［D］．合肥：中国科学技术大学热能工程系，2010．［4］魏生贤．基于与太阳能建筑结合的室内热环境研究［D］．云南：云南师范大学，2006．
［5］张鹤飞．太阳能热利用原理与计算机模拟［M］．西安：西北工业大学出版社，1990．
［收稿日期］2012－11－05
［作者简介］赵彦杰（1988－），女，河南安阳人，硕士研究生，
研究方向：建筑新能源。

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