季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究(4) - 太阳能学报杂志社投稿

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季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究(4)

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图6 装置供热段轴向温度分布曲线

表3为自然辐照环境试验期间日均供热温度Ts，最高集热温度Tc，max，日均气温Ta，太阳辐照量S等指标的统计表。由表3可以看出，Tc，max可达60℃以上，Ts一般在35℃以上，比大气温度Ta平均高出约10℃。根据式（1），式（2）及表2所示太阳能构件性能指标，装置光热转化率范围为55%～70%。因此，装置可以在辐照条件良好的季节或天气下高效地向路基输入热量，提高路基入冬时的温度水平。

表3 太阳能集热试验结果统计时间/d 10 Ts/℃42.07 36.36 35.85 28.54 37.21 33.84 38.69 42.13 43.01 41.88 Tc,max/℃56.56 54.27 52.25 45.48 57.37 53.58 57.37 61.24 60.46 56.28 Ta/℃30.32 28.83 27.77 22.61 27.49 27.58 30.35 32.22 32.54 30.07 Imax/(W·m-2)456.25 374.65 354.51 247.92 405.90 342.36 537.50 601.04 612.15 561.11 S/(MJ·m-2·d-1)13.14 10.79 10.21 7.14 11.69 9.86 15.48 17.31 17.63 16.16

根据表3所示试验结果，日均供热温度与太阳辐照量的关系如图7所示。日均供热温度随太阳辐照量的增加而增大，二者表现为正相关关系。根据大量的地基内部热源传热测试结果[25-26]，土体在加热条件下会经历快速升温、缓慢升温、温度相对稳定3个阶段，由于土体热扩散系数低，热源表面温度和热输入功率在持续供热工况下一般可以保持相对稳定的水平。此外，采用的玻璃-金属封接型太阳能真空集热管的吸热体为金属，主要面向高温集热，在低温环境中的热损失较低[27]。因此，当太阳能供热装置埋设于路基时，其集热性能主要受控于太阳辐照条件，在连续运行条件下供热段可以保持相对稳定的热输出。故建立单因素的供热温度简化公式如下。

图7 装置日均供热温度和太阳辐照量的相关关系

4.2.3 地基热响应及有效热利用率

图8为人工辐照环境试验中试验箱地基温度在垂向和横向的分布曲线，由传感器TB-1—TB-6，TC-1—TC-6，TD-1—TD-6 获得。由图8可以看出，土体温度随试验时间基本呈逐渐增大的趋势；在垂直方向上，距离集热段出口越近，供热段温度越高，因此土体温度增大幅度越大，供热效果越显著；在水平方向上，土体温度随着与管壁距离的增大而逐渐减小；在靠近箱体壁面位置，48 h时的土体温度低于24 h时刻温度，是大气降温的影响作用，但箱体中心土体温度仍然表现出增大趋势，说明装置起到有利的“热源”作用。

图8 试验箱地基温度的变化曲线

装置热性能指标计算结果见表4。装置平均光热转化效率在70%左右，与前述试验结果基本一致。装置向周围地基的平均传热效率约为30%～40%，太阳能有效利用率平均值约为26%。原因在于装置内部为静态热传导，而装置与土体之间热阻较大，传热效率相对较低。土体的导热系数、比热容、导温系数等热特性参数与土类、压实度、含水率等影响因素呈函数关系变化[28]。因此在实际应用中，在相同的热源输出条件下，可以根据路基填料不同的热学性质，对热源周围土体的传热速率、温度变化及热利用率等指标进行类比预测。

表4 装置集热量与土体热储量统计时间/d 12 3 10 Qe/kJ 710 680 630 700 650 690 710 700 680 670 ?/%74 71 66 73 68 72 74 73 71 70 ΔT/℃0.17 0.19 0.14 0.15 0.13 0.14 0.17 0.20 0.18 0.17 Qf/kJ 260 290 210 230 200 210 260 310 280 260 ξ/%37 42 34 33 31 30 30 44 41 39 η/%27 30 22 24 21 22 27 32 29 27

5 装置供热能力与路基热损状况匹配

5.1 供热温度预测模型及其有效性

太阳辐照主要由直射辐射和散射辐射组成，是太阳能系统设计的基础数据。童成立等[29]提出一个晴朗天气下太阳辐照量S的逐日计算公式为

其中，

式中：a为透明度系数，一般取0.73～0.83；β为日照百分率；K为太阳常数，一般取118.12 MJ·m-2·d-1；E为地球轨道偏心率的修正系数；φ为维度；δ为太阳赤维角；W为时角；θ为年角。

年角θ的单位为弧度，计算公式[29]为

式中：n为1年中的日序数。

时角W的计算公式[29]为

联立式（6）—式（9），即可建立不同地区装置供热温度的预测模型。以深季节性冻土区齐齐哈尔市为例，条件为北纬48°、透明度系数0.73、日照百分率60%，计算结果如图9所示。由图9可以看出，该地区太阳辐照量范围为5～25 MJ·m-2·d-1，相应的平均供热温度范围为20～40℃。由于建筑环境调节或工业热利用对太阳能供热温度的要求较高，导致其输出连续性和季节匹配性不足。但是，路基温度保持在0℃以上即可根除冻胀，因此上述温度范围对于路基而言是有效的。

文章来源：《太阳能学报》网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1257.html