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随着太阳能技术的不断发展和完善,太阳能供暖系统取得了较好的实际应用效果,并且具有良好的经济环境效益。其中,真空管集热器约占市场份额的90%以上,是应用最为广泛的集热器类型,而全玻璃真空管集热器与热管式和U型管式真空管集热器相比具有更好的经济性。但是,在实际应用中太阳能系统仍然存在一些问题,在寒冷和严寒地区冬季结冰问题是制约其应用的主要问题之一。尽管目前也有一些针对防冻问题的解决办法或措施,但是在严寒地区太阳能供热系统中应用时,防冻措施的具体实施、防冻效果、以及经济性等还有待商榷。因此,本文针对以上问题,采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法,对全玻璃真空管集热系统的防冻策略及管内液体温度分布特性进行深入研究。首先,本文针对全玻璃真空管太阳能集热系统,提出了一种基于真空管内余热自循环的新型防冻控制方法—太阳能自循环防冻控制策略,给出了详细的防冻控制流程和控制原理,并通过搭建实验台对比分析了不同环境条件下的防冻运行效果,证明了该防冻策略的可行性。与采用电伴热带、只添加防冻液的防冻措施相比,太阳能自循环防冻策略运行费用偏低,经济性显著,并且能够很大程度上降低所需要的防冻液浓度。其次,在所搭建的太阳能系统防冻实验台的基础上,对全玻璃真空管集热器的夜间散热特性和热损失特性进行了实测研究,通过测试得到了实际动态环境条件下集热器初始温度、夜间温降、最低温度、以及散热量和热损失系数等参数的大致变化规律和参数取值范围,并分析了环境参数(室外环境温度、风速、相对湿度、地面温度、净全辐射等)对集热器夜间散热和防冻运行时间的影响。夜间工况时真空管集热器的散热特性理论与实测分析,一方面可以了解实际动态环境条件下的集热器散热特性和集热器内液体温度的变化,另一方面为后续模拟研究提供理论基础,并为模拟参数的选取和边界条件设置提供数据参考和依据。最后,建立并验证了真空管集热器夜间散热的CFD数值模型,基于模型分析了不同运行工况(夜间静止、间歇运行、连续运行)、不同参数条件下(初始温度、室外环境温度、热损失系数)模拟单元内的液体温度变分布及变化规律,得到了不同参数条件下集热器结冰的可能性和结冰位置,以及不同工况时其防冻变化规律。根据夜间静止工况时模拟单元内的液体温度分布和散热变化规律,可以预测不同地区不同气候条件下集热器内的液体温度分布以及可能达到的最低温度,为选择更加合理的防冻措施或者添加更为精确的防冻液浓度提供依据。根据有防冻运行时集热器内液体温度分布和散热特性分析,可以推断采用本文所提出的防冻策略时集热器内可能的液体温度分布、夜间温降、最低温度、以及夜间散热量等情况,有助于给出合理的防冻运行流程、防冻运行参数设置,指导防冻系统设计。