[科普中国]-热损失

热损失是指人体或建筑物向外散失的热量。人体的热损失指从人体散发到周围环境的热量，其中有蒸发散热、对流散热、辐射散热和少量的热传导。采暖建筑的热损失包括通过围护结构传导向室外的散热、空气渗透和通风带走的热量、地面传热、室内水分蒸发及蒸汽渗透带走的潜热等。

槽式太阳能真空集热管的热损失建立了真空集热管中吸收管与玻璃管之间热辐射和残余气体热对流、玻璃管与外界环境之间热对流和玻璃管 对天空热辐射的数学模型，提出了模型的计算方法，并通过和实验数据的比较验证了模型的准确性。同时利用模型分析了几种影响热损失的主要因素，分析结果表明 ：吸收管温度越高，热损失越大；环境温度越低，风速越大，热损失越大，但影响很小；选择性吸收涂层的发射率是 影响热损失的主要因素；真空度对热损失也有很大影响。1

真空集热管热损失模型真空集热管要求尽可能多地吸收阳光，同时尽量减少对环境的热损失。为达到此目的，真空集热管通常由一根有选择性吸收涂层的金属管(吸收管)、同心玻璃管外套、金属-玻璃密封连接组成。金属吸收管和玻璃管间的环形空间被抽成真空，以阻止从吸收管到玻璃管间的热对流和热传导；吸收管表面镀有吸收率高、发射率较低的选择性吸收涂层，从而减小了吸收管的辐射热损失。1

真空集热管的基本参数Schott 2008 PTR70的金属管材料为321H不锈钢，内径、外径分别为0.066m、0.07m；玻璃管材料为硼硅酸玻璃，内径、外径分别为0.115m、0.12m，发射率和热导率分别为0.89和1.1W (m·K)；选择性吸收涂层的发射率随温度变化，关系式为εg=0.062 +(2 ×10-7)Ta2b，温度单位为℃。1

热损失模型和实验结果的比较美国国家可再生能源实验室(NREL)近期对Schott2008 PTR70真空集热管进行了热性能测试。测试在NREL的热损失测试平台上进行，测试温度从100℃开始，每隔50℃设定一个测试点，到500℃时测试完成。将热损失模型中的Tab、Ta设定为实验中各测点的测量值，通过迭代方法对集热管的热损失进行计算。

热损失数学模型较为可靠。热损失的模拟结果和实验数据相比，略微低估了热损失，但绝对误差大部分在 ±7W。m-1 以内。仅当吸 收管温度较高(501℃)时，绝对误差达到-12.75W。m-1，相对误差为-2.651%，考虑到高温时较大的热损失数值和较小的相对误差，模拟结果可以接受。低温(120℃)时，热损失模拟结果和实验数据的相对误差达到-13.67 %，但120℃时，热损失很小，仅为15W。m-1，且实验中热损失的测量不确定度达到±9W。m -1，所以低温时热损失的实验数据本身的准确度受到制约。虽然模拟结果和实验数据的相对误差较大，但实际上绝对误差较小(-2.05W。m-1 )，在测量不确定度范围内，故对模拟结果的准确度无太大影响。热损失的模拟结果和实验数据相比偏低的原因可能是忽略了端部膨胀节的热损失。1

由于NREL的热损失实验中没有考虑室内风速，而风速对玻璃管的温度有巨大影响，风速越大，吸收管温度越高，玻璃管温度降低幅度越大。在后续分析中将会指出，在真空度良好，风速1ms，吸收管温度300℃时，玻璃管温度将降低约10℃，但热损失的变化非常小。故热损失模型的模拟计算结果和实验数据相比，玻璃管温度偏高幅度较多，但热损失曲线几乎完全重合。同时，对流传热特征数关联式本身存在一定误差，且一般工程计算中，实际热边界条件和对流传热特征数关联式的要求有一定差别，故热损失模型中模拟的玻璃管温度和实验测量值相比通常存在一定的高估，尤其在高温下误差更大。但总体来说，模拟结果的准确度可以接受。1

槽式太阳能真空集热管的热损失测量真空集热管是槽式太阳能热发电系统聚光集热器的关键部件，其热损失的大小直接关系到系统的光-热效率。通过对由6根真空集热管组成的13m管道的热损失分析，结果表明，在导热油温度105～313℃的范围内，辐射散热损失占总的热损失的70%～90%；准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，在高温时 (290 ℃)测得的热损失是稳态平衡法的1.18倍。2

实验系统和方法测试真空集热管的散热损失有准静态平衡法和稳态平衡法两种方案。准静态平衡法是将真空集热管安装在流体回路中，保持真空集热管的进、出口处流体温度的稳定，以达到恒定不锈钢管的管壁温度的目的，通过测量流体的进出口温差和质量流速来计算散热损失的大小。稳态平衡法是通过放置在真空集热管的不锈钢管内的电阻加热器加热，以达到恒定不锈钢管的管壁温度的目的，通过计算加热器的电功率来计算散热损失的大小。实验采用准静态平衡法测量真空集热管的热损失。

在实验过程中，首先开启主循环管道的阀门，开启循环泵驱动导热油在管内循环流动；开启导热油罐内的加热系统，将膨胀罐内的导热油温度 (铠装热电阻测量)稳定到略低于试验需要的温度；然后，调节自动控制阀，使流量计FM的显示流量稳定到试验设定的流量，同时开启导热油加热器，使导热油在真空集热管进口处的温度稳定到实验需要的温度；然后让系统稳定循环 (至少稳定运行1h)，直到完成该阶段的实验。2

实验结果分析真空集热管的热损失随着导热油的温度的升高而迅速增大，玻璃外护管外表面的温度随着流体温度的上升而快速上升，其对流散热量也快速上升，从占总热损失的7.38%上升到23.52%；由于不锈钢管和波纹管采取了保温措施且长度很短，所以虽然其温度升高很多但是对流散热损失所占总热损失的比例很小，占总热损失的1.20%～5.94%；由此可知，辐射散热损失占整个散热损失的70%～90%。在导热油温度较低时，实际散热损失较小，测量误差影响较大，随着导热油温度的逐渐提高，散热量增加，误差影响逐渐降低。2

准静态平衡法测得的热损失较稳态平衡法测得的热损失大，当导热油与环境的温差为83.3℃时，稳态平衡法测得的热损失为15.38 W。m-1，准静态平衡法测得的热损失为26.11W。m -1；当导热油与环境的温差为290.8℃时，稳态平衡法测得的热损失为153.43 W。m -1，准静态平衡法测得的热损失为181.54 W。m -1，是稳态平衡法的1.18倍。主要是由于：①稳态平衡法没有考虑真空集热管两端的热损失；②测量真空集热管的吸热管的内壁面的测温元件的安装位置很难保持一致，导致测温误差较大。

在相近温差条件下的热损失相差不大，PTR70真空集热管在98℃时的热损失为26.9W。m -1，146.6℃时的热损失为46.4 W。m -1，295.2℃时的热损失为148.85 W。m -1，而实验用真空集热管的相近温度条件下热损失分别为31.79、53.29、181.54 W。m -1，是PTR真空集热管热损失的1.2倍左右。2

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学