基于抛物面集热器的紧凑型太阳能墙暖系统在半干旱气候下的能量评估与性能优化

本研究针对建筑供暖能耗高、传统太阳能系统占地大等问题，开发了一种由1?m2抛物面槽式集热器（PTC）、50?L分层储水箱和主动式砌体墙组成的紧凑型太阳能墙暖系统。通过实验测试与TRNSYS动态模拟，验证了系统在摩洛哥半干旱气候下的热性能。结果表明：提高镜面反射率至0.90可使集热效率提升至0.63，有效热量增加50%以上；增大水箱容积可延长夜间供暖，而扩大辐射墙面积可抑制白天过热。该系统无需辅助加热即可满足寒冷季节的热舒适需求，为空间受限建筑提供了低成本、高效的太阳能供暖解决方案。

　　

在全球能源消费中，建筑部门占据相当大的比重，尤其是供暖、制冷和生活热水生产所需的能耗。目前，这些需求仍高度依赖化石燃料，导致温室气体排放增加和环境恶化，因此迫切需要可缓解气候变化影响的可再生能源系统。在多种可再生能源中，太阳能因其资源丰富、清洁可持续而备受关注，不仅可发电，还可提供热能。常见的太阳能热利用技术包括平板集热器（FPC）和真空管集热器（ETSC），后者即便在寒冷气候下也能实现高达120°C的工作温度，且成本效益较高。相比之下，抛物面槽式集热器（Parabolic Trough Collector, PTC）作为一种聚光型太阳能技术，通过抛物面镜将阳光聚焦到接收管上，使传热流体温度可达400°C。与FPC和ETSC相比，PTC因光学聚光作用，在更小的采光面积下能获得更高出口温度，特别适合空间受限的紧凑型系统，冬季效率更高，热输出更稳定。

尽管太阳能热技术已有长足进步，但大多数现有系统仍依赖大面积集热器或辅助热源，不适合紧凑型或低收入住宅。此外，镜面反射率、水箱容积和活性层表面积等关键设计参数在半干旱气候冬季真实条件下的综合影响鲜有研究。摩洛哥南部地区具有较高的直接法向辐照度（DNI），太阳能热应用潜力巨大，尤其是Errachidia等城市。在这一背景下，研究人员开发了一种紧凑型太阳能墙暖系统，并对其热性能进行了综合评估。

该研究由Moulay Isma?l University of Meknès的Amine Tilioua、Abdellah Mellaikhafi和Choukri Messaoudi合作完成，成果发表在《Next Energy》上。研究团队通过实验和模拟相结合的方法，系统分析了1?m2 PTC驱动的水基主动墙暖系统在冬季的性能，并探讨了关键设计参数的影响及其在摩洛哥不同城市的适用性。

为开展本研究，作者主要采用了以下关键技术方法：首先，在摩洛哥Errachidia搭建了实验原型，包括1?m2 PTC、50?L分层储水箱和内置辐射管道的砌体墙；其次，使用K型热电偶、Pt100传感器、CMP3辐射仪和超声波流量计等仪器进行数据采集；第三，利用TRNSYS 16软件构建动态仿真模型，并通过实验数据验证模型准确性；最后，基于验证后的模型，进行参数敏感性分析和地理性能对比，评估了镜面反射率、水箱容积和辐射墙面积等参数的影响，并比较了摩洛哥8个城市的系统性能。

2.1. 实验配置与仪器

实验原型包括1?m2 PTC、50?L垂直分层储水箱（带内置铜线圈换热器）和主动砌体墙。测量系统采用K型热电偶（精度±0.5°C）测量温度，Pt100传感器（精度±0.2°C）监测空气温度，CMP3辐射仪测量太阳辐照度，超声波流量计监测流量。数据由Agilent 34970?A记录仪以10分钟间隔持续记录，热功率输出的综合不确定度约为±6%。

2.2. 测试单元与墙组件描述

加热区域为1?m3立方体测试单元，五面采用12?cm厚聚苯乙烯绝缘外加4?mm胶合板，第六面为15?cm红砖墙，内置活性加热层。加热层由外径16?mm、内径13?mm的红色聚乙烯（PER）管道组成，总长13.75?m，间距6?cm，覆盖2?mm砂浆层。整个装置暴露于车间环境中，以评估真实环境下的热行为。

3. 数值建模方法

采用TRNSYS 16软件建立动态仿真模型，复制实验装置的液压布局。模型包括PTC（Type 536）、储水箱（Type 60d）、泵（Type 114）、测试单元（Type 56）等组件，使用Errachidia的TMY2气象数据。几何尺寸、运行条件和材料属性均基于实验数据设定，控制逻辑根据温度阈值管理泵运行。模型验证显示，PTC出口温度平均偏差低于7%，室内空气温度偏差约5%，表明模型可靠。

4.1. PTC热性能的数学建模

PTC热性能基于Duffie和Beckman的经典传热方程，能量平衡考虑太阳能输入、光学损失和对流/辐射换热。有用热收益Q?_u由公式(1)计算，出口流体温度由公式(2)和(3)确定。集热器效率η_coll定义为瞬时有用热与入射太阳辐射的比值，如公式(4)所示。

4.2. 储水箱

储水箱采用Type 60d模型，分为垂直段（节点）以捕捉分层和热梯度。每个节点的能量平衡方程考虑能量流入流出、层间导热和与内部线圈的热交换。本研究中，水箱配置为单进出口闭环循环系统，无辅助加热组件，仅通过内部铜线圈进行热交换，简化了设计并降低了成本。

5. 实验研究

实验在Errachidia可再生能源实验室进行，原型包括1?m2 PTC、50?L储水箱和砌体墙。测量设备包括热电偶、辐射仪、流量计等，数据以10分钟间隔记录。主要目的是验证数值模型的准确性，并为后续参数研究提供基础。

5.1. PTC的几何、光学和性能特性

PTC配备手动单轴跟踪系统，每5分钟调整一次方向以最小化余弦损失。反射镜尺寸2.00?m×0.90?m，反射面积1.80?m2，几何焦距0.19?m。吸收管为铜制，选择性涂层吸收率α=0.90，发射率ε=0.09。镜面反射率估计为0.60，几何聚光比约12.5，拦截效率因子0.83。性能测试显示，反射率0.60时季节平均热效率约41%，反射率0.90时可达63%。

5.2. 水箱

水箱为50?L垂直圆柱钢罐，内置固定铜线圈换热器（长3.5?m），垂直高度27?cm。采用逆流配置，热水从顶部进入向下流动，通过传导和自然对流向周围水箱水传热。无辅助备份系统，仅依赖太阳能，简化了设计并降低了成本。水箱外壳用硬质泡沫绝缘，以减少热损失并保持分层。

5.3. 泵

系统有两个闭环循环回路，各由一个热水泵驱动。主泵负责PTC与水箱间的流体循环，次泵管理水箱与墙式供暖网络间的热转移。泵运行由差动温控器（Type 2b）控制，基于温度阈值启停。两台泵均为定速循环器，额定流量126?kg/h，功耗43?W，配备止回阀防止倒流。

5.4. 加热区域

加热区域为1?m3立方体，五面绝缘，一面为主动加热墙。内部空气温度由Pt100传感器监测，位于体积几何中心。因低热惯性和密闭性，加热区对输入热通量高度敏感，可精确表征温度变化。

5.5. 连接管道

液压网络采用绝缘管道，最小化热损失和压降。PTC通过多层复合管（内径12?mm，外径16?mm，长13?m）连接泵单元，铜管（内径1.3?cm，外径1.6?cm）连接水箱。所有连接采用黄铜压缩接头，全管长应用弹性泡沫绝缘。

6. 结果与讨论

通过3个晴朗冬日（2024年11月16日、12月1日和12月9日）的实验数据验证模型，PTC出口水温平均相对误差6.34%，室内空气温度误差约5%。偏差主要源于手动跟踪和数据记录时间。

6.1. 系统性能评估

冬季行为通过月有用热、集热器效率和室内空气温度三个指标量化。1月太阳输入最大（≈321?kW·月?1），有用热最高（≈131?kW），水箱输入≈113?kW。12月和2月依次递减，月效率保持在0.41左右，表明光学和热损失主导。1月晴朗日，室内空气温度在辐照度超400?W·m?2时升高10°C以上，正午峰值约36°C。

6.2. 安装参数的影响

敏感性分析显示，镜面反射率从0.60提高到0.90，季节集热效率从0.41升至0.63，有用热增加近50%，室内平均气温从24.8°C升至27.6°C。水箱容积从40?L增至80?L，平均水箱温度降约4°C，集热效率降3%，夜间最低温度升0.6°C，午间峰值降1.3°C。活性层面积从1?m2扩至2?m2，平均墙流体温度降近6°C，集热效率从0.41微升至0.44，午间峰值降3–4°C，夜间最低温度升2°C。

6.3. 地理性能比较

在摩洛哥8个城市（Errachidia、Marrakech、Agadir、Rabat、Tangier、Fez、Ifrane、Oujda）的模拟显示，Errachidia太阳辐照最高，3月峰值361.7?kW，有用热达194.34?kW。Marrakech和Agadir表现良好，北部和沿海城市输出较低。3月为热收获高峰，2月最低。地理和气候因素对系统性能有显著影响，南部和内陆城市更适合部署。

该研究证实，小型PTC动力墙暖系统可在寒冷季节满足热舒适需求，无需辅助加热。创新点在于结合实验和数值评估，为半干旱地区空间受限建筑提供了低成本、紧凑型配置。但研究也存在局限，如小尺度绝缘围护、无辅助加热、手动跟踪及未评估多云天气性能。未来工作应聚焦全尺寸建筑集成、双轴太阳跟踪、与低碳辅助系统混合及智能控制策略应用。此外，需注意PTC系统夏季可能过热，需采取适当控制策略（如集热器散焦、增强存储或与冷却用途混合）以确保全年安全运行。经济可行性和生命周期评估也是大规模应用的必要步骤。