一种新型渗透式太阳能空气集热器的热性能研究

张 欢，高 煜，由世俊，李宪莉

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市城市规划设计研究院，天津 300201；3. 天津市城市建设学院能源与机械工程系，天津 300384)

一种新型渗透式太阳能空气集热器的热性能研究

张 欢1，高 煜2，由世俊1，李宪莉3

(1. 天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2. 天津市城市规划设计研究院，天津 300201；3. 天津市城市建设学院能源与机械工程系，天津 300384)

设计制作了一种新型平板型、渗透式太阳能空气集热器，介绍了该集热器的结构、尺寸及工作原理，并以该集热器为研究对象，建立了数学模型，进行了实验测试．结果表明，在辐射水平较高且稳定、风速较小的测试条件下，该集热器的性能稳定，集热效率和出风温度较高，具有一定的推广与应用潜力；同时，所建数学模型准确可靠，可用来对集热器进行模拟分析．

太阳能空气集热器；数学模型；实验

平板型太阳能空气集热器作为一种常用的太阳能热利用装置，结构简单，造价低廉，升温速度快，易于与建筑物结合，相比于太阳能热水集热器而言，不会因跑、冒、滴、漏等一系列问题而对建筑物产生广泛而长久的损害，因此太阳能空气集热器广泛应用于建筑物供暖和产品干燥等领域．目前，平板型太阳能空气集热器已经发展出多种形式，如回流式太阳能空气集热器、射流-抽吸式太阳能空气集热器、V型太阳能空气集热器、射流板型太阳能空气集热器、交叉波纹形盖板太阳能空气集热器、正弦波形吸热板-交叉波形底板的太阳能空气集热器和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型太阳能空气集热器等[1]．笔者设计了一种新型平板型、渗透式太阳能空气集热器，该太阳能空气集热器构造简单，与建筑物结合方便美观，可以单独使用，也可以串联、并联使用，受环境温度及室外风速影响较小，热稳定性好，出风温度和集热效率均令人满意．

1 新型太阳能空气集热器结构与原理

本文提出的新型太阳能空气集热器采用便于安装、制造成本低廉的平板型结构[2]，集热器主要由真空玻璃盖板、冲缝式集热板、保温材料、内壳和外壳5部分组成，正视图和侧视图见图1，各部件构造见图2，实物见图3．集热器的结构尺寸参数采用优化设计的方法确定[3]，即通过计算机模拟仿真技术，利用Matlab数学软件，对给定外形尺寸的太阳能空气集热器进行数学建模，对此模型进行循环迭代计算，模拟出集热器在不同形式下的温度场，最终取得使集热器出风温度达到最高时的最优构造尺寸，以此作为新型太阳能空气集热器的结构参数．

图1 新型太阳能空气集热器正视与侧视图Fig.1 Front view and side view of the novel solar air collector

图2 新型太阳能空气集热器构造Fig.2 Structural drawing of the novel solar air collector

笔者设计的太阳能空气集热器高度为2,400,mm，宽度为1,100,mm；真空玻璃盖板透过率 α=0.88，通过图2中的框架5固定；冲缝式集热板采用1.2,mm厚铝板，固定在内壳上，上有尺寸为80,mm× 1,mm的冲缝，冲缝上下间距80,mm，左右间距80,mm，集热板向阳面镀有吸收率为0.94的黑色涂层，背面无涂层，如图4所示；内壳与外壳均采用不锈钢板制作，上下有空气出口和空气入口各1个，空气出口尺寸为100,mm×400,mm，空气入口尺寸为200,mm×200,mm，内壳的主要作用是固定集热板和形成150,mm宽的空气流道，外壳的主要作用是保护、支撑集热器；考虑到集热器长期处在室外环境下工作，易受到雨水冲淋，同时集热器本身尺寸较大，不宜再过度增加集热器质量，故保温材料未使用石棉(石棉保温材料被雨水浸泡后保温性能会下降)和玻镁材料(玻镁风管保温材料密度较大)等，而采用50,mm厚聚苯板作为保温材料，填充在内壳与外壳之间的空腔内．

图4 冲缝式集热板实物Fig.4 Photo of punching-seam absorber

该太阳能空气集热器工作原理如图5所示，真空玻璃盖板与集热板之间形成空气流道1，集热板与内壳之间形成空气流道2，运行时，太阳光透过真空玻璃盖板照射到集热板上，集热板吸收太阳能被加热而升温，室内空气在风机作用下被送入集热器流道2，空气在上升过程中会经冲缝渗透穿越集热板，与集热板发生换热后，进入流道1内，沿集热板向阳表面上升，继续被加热，最后经出风口送出．真空玻璃盖板的存在可以有效减少集热器所获得热量的损失．

图5 太阳能空气集热器原理Fig.5 Schematic diagram of the novel solar air collector

2 新型太阳能空气集热器的数学模型

本文采用宏观模型法，使用Matlab软件对新型太阳能空气集热器进行数学建模，并以此模型进行模拟分析，以寻找最优值来确定集热器的结构尺寸．

2.1 假 设

在保证数学模型精度和准确度的前提下，为了方便建模与求解，本文对太阳能空气集热器的传热过程做了以下假设：

(1) 传热过程是(准)稳态的；

(2) 内壳为绝热面，热损失忽略不计；

(3) 空气与真空玻璃盖板、集热板背阳面和内壳之间的对流传热系数分别使用对应流道内的平均风速计算；

(4) 集热板各冲缝的空气流过速度相同；

(5) 由于本文所研究的温度变化不大，假定物性参数均为常数．

2.2 划分节点与建立控制方程

集热器沿高度方向共划分为节点1～13，在节点i高度处，集热器划分为6个控制体，分别为真空玻璃外盖板控制体、真空玻璃内盖板控制体、集热板控制体、流道1内空气流体控制体、流道2内空气流体控制体和内壳控制体，控制体划分如图6所示．

图6 数学模型控制节点Fig.6 Controlling-nodes of mathematical model

(1)对于真空玻璃外盖板，节点i能量平衡方程为

其中，hrad,g1-g2的计算式[4]为

hconv, g1-a的计算式[5]为

(2)对于真空玻璃内盖板，节点i的能量平衡方程为

其中，hrad,p-g2的计算式为

hconv,f1-g2采用Leon等[6]提出的模型计算式，即

(3)对于冲缝式集热板，节点i的能量平衡方程为

其中，hrad,b-p的计算式为

hconv,f1-p采用Kutscher[7]提出的经验关联式，即

hconv,f2-p的计算式为

(4)对于内壳，节点i的能量平衡方程为

其中，hconv,f2-b的计算式为

(5)对于流道1内的空气，节点i的能量平衡方程为

(6)对于流道2内的空气，节点i的能量平衡方程为

2.3 边界条件及求解步骤

上述控制方程组所对应的边界条件为

其中：Tin为进风温度，K；Tout为出风温度，K．

到此为止，描述新型太阳能空气集热器各部件温度分布的数学模型建立完毕，下面则可利用Matlab程序求解，如图7所示流程，步骤如下：

(1)输入结构参数、进口参数和环境条件；

(2)假设真空玻璃外盖板、内盖板、集热板和内壳的平均温度为计算出各控制体的节点温度；

图7 计算流程Fig.7 Flow chart of calculation

3 新型太阳能空气集热器的实验测试

为了评价该太阳能空气集热器的实际性能，需要对集热器进行实验测试，同时，需要以实验数据来验证所建立的数学模型的准确性，即将实验值与模拟值进行对比，若对比结果在可接受的范围内，则数学模型可以用来模拟、预测集热器的性能．

3.1 实验仪器

根据测试对象不同，测试可以分为环境气象参数测试和集热器性能测试两部分．环境气象参数测试内容主要包括：室外环境温度、室外风速、太阳辐射强度；集热器测试内容主要包括：集热板壁面温度、进风温度、出风温度．

图8 ZRQF系列智能风速计Fig.8 Photo of smart anemometer in series of ZRQF

风速测量使用图8所示的ZRQF系列智能风速计(热球式风速计)进行测量，测量风速的基本量程为0.05～30,m/s，精度为±3%；温度测量采用T型热电偶测量，并使用Fluke 2686A Data Logging System(DLS)数据记录系统(见图9)自动监测、记录数据，T型热电偶使用之前已经过了国家二等标准玻璃水银温度计和恒温水浴校核，DLS温度测量范围为-20,℃～60℃．太阳辐射强度测量采用TRT-2总辐射表，连接至DLS数据记录系统进行监测、记录，TRT-2总辐射表如图10所示，技术参数见表1．

图9 Fluke DLS数据记录系统Fig.9 System of Fluke DLS Data Acquisition

图10 TRT-2总辐射表Fig.10 TRT-2 solar radiometer

表1 TRT-2总辐射表技术参数Tab.1 Parameters of TRT-2 solar radiometer

3.2 实验测试

测试地点选择在天津市高新区华苑产业区(环外)海泰华科一路3号，即天津市龙川净化工程有限公司2号厂房南侧，该建筑周围无高大建筑及树木遮挡，测试环境如图11所示．

图11 测试地点周围环境Fig.11 Environment of experiment

本实验采用动态测试方法，即将集热器置于室外环境下，测试集热器性能随室外参数改变的变化量，进行记录与分析．测点布置见图12，其中测点1～7和测点8～14测定集热板温升梯度，对应相同高度测点的温度取平均值为此高度处的测量值；另外由测点15测量环境温度，固定在距地面1.5,m高度处，使用锡纸铠装；测点16测量出口处空气温度，因出风口面积小于0.05,m2，故以出风口几何中心位置的测量温度代表出风温度[8]，进风温度等于环境温度．

测试日期为2011年3月12日—2011年3月19日，时间为每日11时—16时，温度测点和太阳辐射强度采用数据采集系统(DLS)自动记录，记录时间间隔为1,min；室外风速使用热球式风速仪人工记录，记录间隔为15,min．

图12 集热板测点布置(单位：mm)Fig.12 Test chart of absorber(unit：mm)

3.3 实验数据处理

选取天气晴好的3月15日的数据作为分析与验证数据，图13、图14和图15分别为测试日的环境温度、太阳辐射强度和室外风速变化．从图中可以看出，环境温度和太阳辐射强度都是先升高再降低，环境温度在14时左右达到最大值，为14.4,℃，而太阳辐射强度在13时左右达到最大值，为1,042,W/m2，说明环境温升滞后于太阳辐射强度变化值；风速低于1,m/s，微风，为良好的测试条件．

化妆品市场的消费者主要是女性，化妆品的消费存在着一些共性。例如，女性消费者容易冲动购买，易受环境影响而被动消费。然而，研究表明性格差异会对女性消费者化妆品的购买产生影响。目前，我国化妆品行业大多关注产品的设计与推广，往往忽略女性消费者使用化妆品的内在动机以及不同性格消费者对于化妆品的使用和购买习惯方面存在的差异。因此，企业经常面临难以满足女性消费者心理需求、与消费者情感联系较弱，消费者忠诚度不高等问题。因此，本文依据大五人格理论，从五个性格维度将女性消费者分为十类。从而，为不同类型的消费者提供具有针对性的营销策略。

测试期间，风机连续运行，风量保持在150,m3/h(断面风速0.28,m/s)左右，平均太阳辐射强度为909,W/m2，平均室外温度为11.7,℃．

图16中，集热板温度是沿高度方向逐渐升高的，最高温度出现在14时左右，可以达到65,℃，与底部温差可达30,℃．

图13 环境温度Fig.13 Outdoor temperature

图14 太阳辐射强度Fig.14 Solar radiation intensity

图15 室外风速Fig.15 Outdoor wind speed

图16 中，对于同一时刻，集热板不同测点的温度变化趋势是下部温升较慢，上部温升逐渐较快，这主要是由于空气在底部时与集热板温差较大，可以带走集热板的大部分热量使集热板冷却下来，而空气在上升过程中随着温度的升高，与集热板的换热能力在减弱，所以集热板上部温升逐渐加快；同时，冲缝式集热板温升较快，斜率较大，证明单位面积该集热板的换热量很大，与空气的换热充分，换热效果良好．

而对于不同时刻的集热板温度变化来说，11时、12时、13时和14时的时间段温度分布间隔越来越小，说明集热板在升温过程中是近似呈对数变化的，即前期温升较快，后逐渐减慢；14时、15时和16时的温度间隔则是越来越大，说明集热板在降温过程中是近似呈指数变化的，即前期降温较慢，后期降温较快．

图16 集热板温度Fig.16 Temperature of absorber

集热器进风温度与出风温度见图17，出风温度变化是先升高后降低，最大值出现在14时左右，为42.4,℃，与集热板温度变化同步，相比太阳辐射强度最大值滞后1,h左右，其中进风直接取自环境，因此进风温度与环境温度相同．测试期间平均出风温度为36.9,℃，测试期间出风与进风的平均温差为24.8,℃．

图17 进风和出风温度Fig.17 Temperature of inlet wind and outlet wind

集热器的集热效率是评价集热器性能的重要指标，瞬时集热效率见图18，其计算式为

式中：cp为空气的比定压热容，J/(kg·℃)；m为空气质量流量，kg/s．

从图18中可以看出，集热器的瞬时集热效率变化不大，受太阳辐射强度、室外温度、室外风速和进风温度等因素的影响较小，测试期间，在小风量(150,m3/h)实验条件下，平均集热效率为65.9%．

图18 瞬时集热效率Fig.18 Instantaneous thermal efficiency

3.4 数学模型的验证

为了验证所建立数学模型的准确性，选取整点时间的出风温度测量值和14时集热板温度的测量值与相应模拟值进行比较，见图19和图20．

由图19中可以看出，出风温度的模拟值与测量值的变化趋势基本相符，均是先升高，后降低，最高温度都出现在14时左右，平均偏差为1.55,℃．其中，12时以前的空气升温过程与14时以后的空气降温过程中，模拟值与测量值均出现较大的偏差，这主要是由于建立数学模型时未考虑集热器与空气具有一定的蓄热能力，存在热惰性，空气与集热板的换热过程有滞后现象，因此实验值变化与模拟值变化相比有所延迟．

图19 出风温度的模拟值与测量值Fig.19 Simulation values and measurement values of outlet wind temperature

由图20中可以看出，集热板温度的模拟值与测量值的变化趋势基本相符，均是沿集热板高度方向逐渐升高，但是模拟值要略高于实验测试值，平均偏差为1.77,℃，究其原因，是因为数学模型进行了简化，忽略了一些实际的传热过程所致，同时，实验仪器与人员操作都会带来一定的误差．

受实验条件限制和数学模型简化的影响，新型太阳能空气集热器出风温度和集热板温度的模拟值与测试值存在一定的偏差，但总体来说，该数学模型能够反映集热器温度的变化，可以用来预测集热器的实际使用状况．

图20 14时集热板温度的模拟值与测量值Fig.20 Simulation values and measurement values of absorber temperature at 14：00

4 结 论

本文设计了一种新型平板型、渗透式太阳能空气集热器，介绍了它的结构、尺寸及工作原理，以宏观模型法对太阳能空气集热器建立了数学模型，并对该集热器进行了实验研究，最终得出以下结论．

(1) 同一时刻，集热板沿高度方向温升趋势是逐渐加快的，即下部温升较慢，上部温升较快．

(2) 对于不同时刻，集热板在升温过程中前期温升较快，后逐渐减慢，近似呈对数变化；在降温过程中前期温降较慢，后逐渐加快，近似呈指数变化．

(3) 冲缝式集热板与空气都在14时左右达到最大值，分别为65,℃和42.4,℃，而太阳辐射强度在13时左右达到最大值，为1,042,W/m2，说明集热板与空气的温升相对于太阳辐射强度的变化存在一定的滞后性．

(4) 在辐射水平较高且稳定、风速较小的测试条件下，平均集热效率可以达到65.9%，受外部环境影响较小．

(5) 由于建立数学模型时未考虑集热板与空气的换热过程存在延迟，所以实验结果与模拟结果相比出现了滞后现象．

(6) 因建立数学模型时进行了简化与忽略、实验设备的精度问题以及人员操作上可能出现的失误，导致实验测试值与模拟值存在偏差，出风温度的模拟值与实验值的平均偏差为1.55,℃，集热板温度的模拟值与实验值的平均偏差为1.77,℃，但是总体来说实验结果与模拟结果吻合较好，说明所建数学模型准确可靠，可,以使用该数学模型作为理论研究基础，对该集热器进行数值传热研究．

符号说明：

［1］ 高文峰，林文贤，吕恩荣. 太阳能空气集热器研究进展[J]. 新能源，1995，17(12)：1-8. Gao Wenfeng，Lin Wenxian，Lu Enrong. Review on research progress of solar air heater[J]. New Energy，1995，17(12)：1-8(in Chinese).

［2］ 芦 潮. 平板型太阳能空气集热器的应用分析[J]. 太阳能建筑，2008(2)：26-28. Lu Chao. Analysis of flat-plate solar air collector[J]. Solar Energy Building，2008(2)：26-28(in Chinese).

［3］ 张东峰，陈晓峰. 高效太阳能空气集热器的研究[J].太阳能学报，2009，30(1)：61-63. Zhang Dongfeng，Chen Xiaofeng. Study on solar high efficient air collector[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2009，30(1)：61-63(in Chinese).

［4］ 夏国泉，魏 棋. I型太阳能空气集热器传热性能分析[J]. 江苏大学学报：自然科学版，2003，24(4)：41-44. Xia Guoquan，Wei Qi. Heat transfer analysis on solar air heater of typeⅠ[J]. Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2003，24(4)：41-44(in Chinese).

［5］ Ong K S，Chow C C. Performance of a solar chimney[J]. Solar Energy，2003，74(1)：1-17.

［6］ Leon M A，Kumar S. Mathematical modeling and thermal performance analysis of unglazed transpired solar collectors [J]. Solar Energy，2007，81(1)：62-75.

［7］ Kutscher C F. Heat exchanger effectiveness and pressure drop for air flow through perforated plates，with and without crosswind[J]. ASME Journal of Heat Transfer，1994，116(2)：391-399.

［8］ 赵荣义，范存养，薛殿华，等. 空气调节[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006. Zhao Rongyi，Fan Cunyang，Xue Dianhua，et al. Air Conditioning[M]. Beijing：China Architecture and Building Press，2006(in Chinese).

An Investigation on Heat Performance of a Novel Transpired Solar Air Collector

ZHANG Huan1，GAO Yu2，YOU Shi-jun1，LI Xian-li3
(1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China 2. Tianjin Urban Planning and Design Institute，Tianjin 300201，China; 3. Department of Energy Technology and Mechanical Engineering，Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)

A novel flat-plate and transpired solar air collector was designed and constructed, and the structure，size and working mechanism of the collector were introduced. Taking the collector as an object，the mathematical model was developed，and the experiment was carried out. Under the condition of high solar radiation intensity and low wind velocity， results show that the performance of the novel solar air collector is stable，and the output temperature and thermal efficiency are high enough to make the collector have a good prospect of popularization and application，and the mathematical model is accurate enough to analyze the novel solar air collector.

solar air collector；mathematical model；experiment

TK515

A

0493-2137(2012)07-0591-08

2011-03-27；

2011-06-15.

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B08-2)．

张 欢（1960— ），男，博士，教授.

张 欢，zhhuan@tju.edu.cn.