平板集热器传热模型及热性能研究进展

王登甲 王晓文 刘艳峰 刘加平

西安建筑科技大学环境与市政工程学院

0 引言

太阳能集热器是一种吸收太阳辐射并将其转化为热能传递给传热工质的装置，是各种太阳能热利用系统的核心部件，按内部是否有真空空间主要可分为平板型集热器和真空管集热器。目前在国内真空管集热器的市场占有率达到90%以上，而平板集热器的市场份额不到10%[1]，主要是因为平板集热器通常以水作为循环工质，抗冻性能差，在冬天极易造成集热器管道的堵塞、冻裂甚至破坏。而真空管集热器由于其较强的抗冻性能和较低的成本成为国内的主流产品。

真空管集热器虽然抗冻能力较好，但却存在太阳辐射接受面小、易结垢、清洁困难等问题[2]。目前欧美国家各类集热器占有率恰巧与国内相反，平板集热器占有率极高，这与平板集热器性能、使用环境、市场价格等多因素相关。为了提高平板集热器各类性能，近年来国内外学者在平板集热器的传热模型，结构创新，热性能和增效防冻等方面都进行了大量的研究，本文就国内外对平板集热器的各方面研究展开综述。

1 平板集热器传热模型研究

1.1 稳态计算模型

在平板集热器的热性能计算过程，长期以来以稳态计算方法居多。它能够充分有效地预测出较长一段时间内集热器的稳定热性能，因此在集热器的可行性研究和初步系统设计等方面，采用稳态计算模型是较为合适的。同时一些文献表明稳态模型在气象条件变化较为平缓的短时间内也能具有较高的准确性。

稳态模型中，国内外学者大多聚焦于一维和二维稳态。在详细考虑了空气流道，吸热板，玻璃盖板，保温板和风扇功率等因素影响的条件下，SunC[3]等人基于有限差分法对一种强制对流模式下的平板空气集热器建立了二维稳态模型，并通过一种双流道太阳能空气集热器的实验，对模型进行了验证。同样基于有限差分法，李宪莉[4]对一种盖板式冲缝型空气集热器建立了一维稳态数学模型，模拟优化了集热器的结构参数和运行参数，随后作者[5]分别对普通玻璃和真空玻璃盖板式冲缝型空气集热器建立了一维稳态模型，并对两种集热器进行了对比研究。在考虑管内层流和边缘热损失的条件下，MinnMA[6]等人对一种轻型平板集热器建立了二维稳态模型，模拟得出了吸热板和传热工质的温度分布，并对一种采用陶瓷保温和使用Tedlar薄膜替代传统玻璃盖板的轻型集热器进行了实验，验证了模型准确性。Kazeminejad H[7]则通过建立平板集热器吸热板的一维和二维稳态导热方程，对一维和二维方法进行了对比分析，结果表明：对于大多数的工程计算，传统的一维方法已经足够精确，而集热器的优化设计则必须考虑二维计算模型，尤其是在较低的工质质量流率下。

稳态计算模型计算简便，但却忽略了集热器中各个部件热容的影响，因此仅能较为准确地得出一段时间内的平均数据，而不能反映出集热器的动态热性能，也就难以用来实现目前快速发展的瞬时调控系统的精确控制。

1.2 动态计算模型

相对于稳态模型，动态计算模型由于考虑时间的变化和集热器各部件热容的影响，因此较为复杂，求解难度也高，但其求解结果更接近于集热器的真实情况，更能准确地预测集热器的动态热性能，因此近几十年来，在众多学者的研究下，平板集热器的动态模型得到了迅速发展。

动态模型主要可分为集总热容模型和离散模型。集总热容模型考虑了整体的热容，允许热惯性影响的介入，能够简单迅速地对集热器动态热性能进行预测，然而其只适用于输入变量（太阳辐射，环境温度和工质进口温度）波动较小的条件下，若变量波动较大，热惯性影响加强，将会影响预测的准确性。而离散模型通过对各个组成部件（如盖板、吸热板和流体等）的热容进行分离，考虑了每个部件的热惯性影响，能够达到准确的热性能预测效果，但是计算时间和成本花费较大[8]。

在集总热容模型研究方面，Plantier C[9]等人提出了一种基于简单传质传热方法的集热器瞬态模型，通过引入了玻璃盖板，吸热板和流体的集总热容量，开发了一种三节点集总热容模型（图1）。Taherian H[10]则对封闭式家用太阳能热水器中的平板集热器提出了一种考虑盖板和吸热板热容的二节点集总模型，通过模拟结果与实验数据的比较，发现该模型只能准确预测晴朗天气下集热器的效率，而对于多云天气并不能提供准确结果，这也体现了集总热容模型的局限性。

图1 文献[9]集热器热网络图

针对离散模型，国外学者进行了大量研究。Hilmer F[11]等人提出了一种一维动态模型来评价安装于屋顶的平板集热器在不同工质流速下的短期动态热性能，并且重点研究了模型中屋顶热容的介入对动态性能预测所造成的影响。Cadafalch.J[12]建立了平板太阳能集热器的一维瞬态数学模型，该模型可以针对多层盖板，透明保温层，空气夹层，表面涂层和不透明保温层等不同结构部件以及水储热，相变材料储热等的能量计算进行分析。Zima W和Dziewa P[13]对液体平板太阳能集热器提出了一种一维瞬态模型（图2），该模型基于流体侧能量守恒方程的求解，考虑了流体管道和流体的热容。基于有限容积内的质量和能量守恒方程，Villar N.M[14]等人构建了平板集热器的三维瞬态数学模型，该模型可以用来比较不同管道构造对集热器的影响，从而优化集热器的设计，也可以用来计算集热器组成部分在任意空间位置的温度；Rodriguez-Hidalgo M C[15]考虑了集热器各个组成部分的热惯性，使用热阻和热容的方法建立了平板集热器的瞬时模型（图3），结果表明：集热器管道内水的热惯性仅占集热器总热惯性的30%，因此在瞬时工况下不能忽略集热器其它部件的热惯性。

图2 文献[13]集热器管道的控制容积

图3 文献[15]集热器热过程分析图

动态模型计算虽然复杂，但其较高的准确性，相比于稳态模型，更适用于运行条件（如用户需求，气象条件等）变化较为剧烈的平板集热器热性能分析和预测。另一方面，由于动态模型能够准确反映出集热器内部的传热，因此可以用其对平板集热器进行组成部件和结构上的优化设计。在动态模型中，集总热容模型具有计算简单、求解迅速等优点，但也存在一定的局限性，相反离散模型适用范围更广，准确度更高，但计算复杂，因此应根据集热器的环境、运行参数等进行合理的选择。

1.3 传热模型数值模拟分析

国内外许多学者在CFD软件模拟方面投入了研究，并验证了模拟的准确性和解决流动换热问题的有效性。Selmi M[16]通过CFD软件对单根排管的平板集热器进行了数值模拟，在有、无循环水流动的两种情况下对比分析了集热器的温度分布情况，经过实验验证，表明了利用CFD软件模拟集热器中复杂的流动换热问题的可行性。Karanth K V[17]在CFD软件的基础上，通过加载离散辐射换热模型的方法对平板集热器中的对流、传导、辐射换热进行了模拟分析，得出了吸热板和水的温升系数及温度随流道长度和水流速的变化关系。Dovic D和Andrassy M[18]采用Fluent软件对平板集热器建立了2维和3维数学模型，该模型可以对诸如管板结合处的尺寸和形状，板间距，管道直径和工质流量等一些重要的设计和运行参数进行分析。王勇[19]等人利用CFD软件对不同排管管径下的全流道吸热板内传热介质的流动与传热进行了模拟。在实验的基础上，邓月超[20-21]建立了微热管阵列平板太阳能集热器的CFD模型，结果证明该模型可用于指导该集热器结构的改进和优化设计。

CFD软件的发展和应用极大的推进了平板集热器研究领域的进一步发展。尤其对于一些无论采用分析法或实验法都有较大限制的复杂问题，既难以作出分析解，也因费用昂贵或过程复杂而无力进行实验，而CFD技术恰好可解决这些问题。CFD模拟的精确度，计算速度以及稳定性都具有较高水平，再加之成本较低，这就大大提高了科研工作者的研究效率，避免了重复、无谓的工作。

1.4 传热过程计算程序

对于平板集热器中复杂的流动传热问题，编程求解也是一种较为常见和简捷的方法。在集热器研究领域，常用编程软件有MATLAB，VB和Visual C++等。

天津大学高腾[22]在对平板集热器建立传热模型和理论计算模型的基础上，采用Visual Basic 6.0软件编制了可视化的计算程序，模拟计算了集热器的出口温度，吸热板温度，吸热板重量，有用能，效率因子，热迁移因子和热效率等性能指标，并经过了实验验证。在平板集热器稳态数学模型的基础上，孔祥强[23]等人采用Visual C++编制了以盖板温度、吸热板平均温度和工质入口温度为迭代判据的模拟程序。车永毅和厚彩琴[24]则利用MATLAB软件编制了平板集热器集热性能的迭代数值计算程序，数值模拟了集热管内径，间距和工质入口温度等关键参数对集热器集热效率的影响特性。李宪莉[4-5]同样采用MATLAB软件对一种新型盖板式冲缝型空气集热器进行了模拟研究。

上述文献表明采用软件编程的方法同样能够准确地模拟分析出集热器的热性能指标以及它的影响因素，这为求解集热器模型提供了另一种高效简便的方法。

2 新型平板集热器结构开发

平板集热器的结构创新是平板集热器领域的热点研究方向，通过对集热器进行结构上的优化设计，可以有效提高其热性能和适用性，节约成本和能源，极大地促进集热器的进一步发展。国内外研究者在此方面做了大量工作，成果颇丰。

国内新型平板集热器以空气集热器居多。丁刚[25]将传统平板空气集热器中的对角型进出口流道改为多进出口式流道，实验结果表明：出口温度明显提升，集热器的瞬时效率增加约20%。洪亮[26]将多流道平板集热器的进出口改为联集箱加配风管的配风结构，原有S折流式翅片结构改为平行直通式翅片结构，进一步强化空气集热器的传热特性和气流的均匀性（图4）。在圆孔式空气集热器的基础上，李宪莉[4]采用冲缝型的突起结构对吸热板进行了改进，提出了一种盖板式冲缝型集热器，从而在增大集热面积和对流换热面积的同时，改善气流组织。庄智[27]对一种新型百叶式太阳集热器的冬季集热性能进行了模拟研究，通过对变色集热板的调节，可以实现冬季采暖并有望在夏季减少南墙温度。

图4 文献[26]中多流道平板空气集热器的改进

通过对平板集热器内部构造的设计改进，可以同时实现加热水和加热空气两种功能。季杰[28]等人设计了一种新型L型翅片结构，将加热空气与加热水两种功能有效结合于一个平板集热器上（图5）。Zhang D[29]提出了一种新型双功能平板太阳能集热器，共有三种模式：空气加热，水加热和空气-水复合加热。Assari M R[30]对增强双功能平板集热器空气侧热性能的三种流道（矩形翅片，三角形翅片和无翅片）进行对比研究，模拟结果表明矩形翅片通道的性能优于其它两种。He W[31]和Ji J[32]则将双功能平板集热器分别与建筑物的屋顶和墙体相结合，实现了建筑一体化，并对水加热模式下的集热器性能进行了模拟和实验研究。

图5 文献[28]中双效平板集热器结构示意图

在集热蓄热一体化太阳能热水器（ICSSWH）的结构设计与优化方面，国外许多学者进行了深入研究。ICSSWH是一种将平板集热器与蓄热水箱结合为一体以实现集热蓄热一体化的太阳能热水器，可分为直接式与间接式两种（图6），直接式中工质直接流入集热器内部的水箱中，被集热器直接加热，而间接式中集热器管道浸入水箱中，被加热的工质与水箱中的水通过管道壁进行间接换热[33]。Sopian K[34]等人研究了一种新型的非金属无盖板ICSSWH，实验结果表明在平均太阳辐射水平为635W/m2，环境温度为31℃时，系统效率可达45%。Khalifa A J N和Jabbar R A A[35]对一种采用6个80mm外径的铜管同时作为吸热板与水箱的直接式ICSSWH系统进行了实验研究，并将其与传统的家用太阳能热水系统进行了对比，证明了ICSSWH系统的优越性。在实验的基础上，Gertzos K P[36-38]模拟研究了一种带有蛇形管换热器的间接式ICSSWH，其中采用小型水泵对水箱中的水进行循环以增强传热，并对重要部件进行了优化改进。Mossad R和AL-Khaffajy M[33]对间接式ICSSWH系统中单、双排换热器结构进行了模拟研究，结果表明采用单排换热器能明显地降低成本和能源消耗。

图6 文献[33]中直接式（a）和间接式（b）

通过改进吸热板结构、优化流体管道设计等对平板空气集热器进行结构创新，可以有效提高集热器的热性能。此外针对吸热板两侧的流道进行改进，可以将加热水与加热空气两种功能相结合，并有助于建筑一体化的实现。本节还对 ICSSWH的研究进展进行了简要总结，ICSSWH实现了集热蓄热一体化，具有系统成本低和安装面积小等优点，拥有广阔的发展前景，未来在此方面的研究应大大深入。

3 平板集热器的热性能研究

不断提高平板集热器的热性能一直以来都是各个学者研究集热器的目标。而平板集热器的热性能（集热效率，工质出口温度和热损系数等）取决于多种因素，其中主要包括运行参数，结构参数和环境参数。

在研究集热器运行参数对热性能的影响方面，Ranjith P V 和Karim A A[39]通过数值模拟和实验研究了以丙二醇-水作为传热工质时丙二醇浓度和质量流率对平板集热器热性能的影响。HeQ[40]研究了纳米流体作为传热工质时其质量分数和粒子尺寸对集热效率的影响。Moghadam A J[41]等人对以CuO与水混合的纳米流体为传热工质的集热器在不同质量流率下进行了测试，结果表明质量流率为1kg/min时集热器效率增大了21.8%。张威[42]则对平板太阳能集热器在正常状态和漏液状态下逐时变化的集热器温度和蓄热水箱进出口水温度等热性能参数进行了研究。

许多研究者针对集热器的不同结构、不同部位，对影响热性能的结构参数进行大量的研究。Dagdougui H[43]研究了盖板类型和数量对顶部热损失和相关热性能的影响，并在建立双目标约束优化模型的基础上，评价了不同设计方法的最优性以确定最佳的水流量和集热器面积。卢郁[44]等人模拟研究了吸热体板芯几何结构和用材对平板太阳能集热器性能的影响以降低集热器耗材量。Hobbi A和Siddiqui K[45]对加入到平板集热器中的被动传热增强装置（扭带、线圈弹簧丝和锥形脊）进行了实验研究。结果表明：利用剪切力产生的湍流来增强传热并不能起到良好的效果。Zhang J[46]利用Fluent模拟分析了不同结构参数（吸热板厚度、排管间距和排管长度等）下集热器的热性能，结果表明减少排管间距和增大吸热板厚度可以明显提高集热器效率。施燕华[47]重点研究了吸热板厚度和材质、管道间距、板间距等结构因素对集热器热性能的影响。

大量研究表明，太阳辐射，风速和环境温度等环境参数同样对集热器的热性能有着巨大的影响。CHou 和 L Xu[48]对比研究了兰州和广州地区在夏季和冬季条件下平板集热器的倾角和朝向对集热器出口温度的影响。Rodriguez-Hidalgo M C[49]对影响集热器效率和有用能的5个因素进行了研究，得出了它们的相关性排名：风造成的对流热损失（15.6%），集热器年龄（15%），太阳辐射入射角（7.6%），热惯性（3.2%）和辐射热损失（1.3%）。孔祥强[23]等人详细分析了环境参数对集热器瞬时效率的影响特性，模拟结果表明：环境温度的增加可显著提高瞬时效率，太阳辐射强度对瞬时效率的影响跟集热器与环境间的热交换有关，环境风速变化对瞬时效率的影响较小。

平板集热器的热性能在很大程度上受其运行参数，结构参数和环境参数的影响，因此要想增强集热器热性能，必须从这三方面入手。通过对热性能影响因素的分析，可以找到集热器增效的突破口，并由此进行改进，从而实现集热器的有效利用，为集热器的发展创造有利条件。

4 平板集热器增效防冻研究

平板集热器长期以来存在集热效率偏低、热损失较大等缺点，而且冬季极易发生冻裂，这大大制约了它的发展，为此许多学者分别从热管与平板集热器结合、集热器结构优化和采用新型材料等角度对平板集热器进行优化设计，以达到增效防冻的效果。

在热管平板集热器的基础上，通过研发新型热管或采用聚光器等，可以大幅提高热管的集热能力，从而提高集热器的热性能。华南理工大学曾社铨[50]设计了一款波纹式热管集热片来作为平板集热器的集热元件，模拟表明该集热器在风速为2m/s时，最大瞬时效率可达85.1%。邓月超[20]对一种采用微热管阵列作为集热元件的新型平板集热器进行了研究，该集热器具有成本低、抗冻、承压、不易结垢、易与建筑一体化等优点，实验结果表明该集热器瞬时效率曲线的截距达83.1%，斜率为-4.77。任云锋[51]则将复合抛物面聚光器（CPC）和热管平板式集热器相结合，提出了一种以平面形吸热板为接收器的CPC型热管式太阳能集热器（图7），与普通热管平板式集热器的对比实验表明：CPC型热管式太阳能集热器不但提高了集热温度和集热效率，而且降低了热损失。

图7 文献[51]中集热器的结构示意图

通过优化集热器结构、采用新型材料等可以大幅提高平板集热器的热性能，实现集热器的增效防冻。DoviD和Andrassy M[18]设计了两种分别采用平行平板和V形波纹吸热板的无管集热器，结果表明在相同结构和运行参数下无管集热器相对于有管集热器集热效率提高7%。Manjunath M S[52]在无盖板平板集热器的管道中分别设置了锯齿状翅片和径向布置的平面翅片来改善管道内的对流换热，在降低成本的同时提高了整体热性能。周炫和代彦军[53]通过对吸热板采用管板一体化结构，透明面盖上增加增透膜和优化板间距等方法增强了集热器热性能，随后在此基础上，贺鹏和代彦军[54]采取增大板间距，透明盖板上镀增透膜，激光焊接，聚氨酯板作保温层和铝箔反光面朝向吸热板等措施使优化后的集热器截距效率提高了15.1%，热损系数减少了20.3%。在平板集热器结构抗冻原理的基础上，魏一康[55]依据流道设计，材料性能和制造工艺，研制出一种铁索体型不锈钢结构抗冻平板集热器。依据顺序冻结理论，江希年等[56]对太阳能热水器的上下集管和循环管均采用橡胶材料，排管则采用高效铜铝复合条带，实现了排管由中部向两端的冻结顺序，达到了抗冻效果。CHEN[57]和赵静[58]在集热器吸热板与保温层之间增加一层相变材料，实现了集热蓄热一体化，避免了工质水的冻结，起到了很好的抗冻作用。

上述几种方法，均可以达到增效防冻的效果，但或由于制造成本的昂贵或由于特殊条件的限制，并没有得到大面积的推广和应用。因此未来平板集热器的研究应以工程应用为目的，在降低集热器成本的同时，优化集热器的构造，开发耐冻高效集热器的设计、制造、检测等关键技术。

5 总结与展望

国内外学者在平板集热器的传热模型，结构创新，热性能和增效防冻等方面投入了大量的研究，积累了丰富的经验，取得了丰硕的成果。

在平板集热器的传热模型方面，稳态模型忽略了集热器各个组成部分热容的影响，因此较为简单，并且能够有效预测出长时间段内平板集热器的平均热性能，有助于集热器的初步研究，而动态模型由于考虑了热容的影响，计算较为复杂，但能够准确反映出集热器的动态热性能，更符合集热器的真实情况。同时随着各种CFD软件的发展和应用，建立CFD模型进行模拟，可以在简化计算和节约实验成本的同时，得出与实验接近一致的结果，这也大大推进了本领域的研究。此外，许多学者也采用编程软件来进行模拟求解，其准确性同样得到了实验的验证。

国内平板集热器的结构创新以空气集热器的结构优化和改造居多，未来随着太阳能热水采暖系统的发展，相信平板液体集热器的新型结构也会逐渐增多。许多学者致力于开发双功能平板集热器和集热蓄热一体化太阳能热水器，这为我们对集热器的优化创新又提供了新思路。为了进一步推动新型集热器的发展与应用，未来应以成本-效率最大化为目标，对平板集热器进行设计改进。

对于平板集热器的热性能研究，多数文献针对不同类型的集热器，深入剖析了各种因素（包括环境参数，结构参数和运行参数等）对集热器热性能（集热效率、工质出口温度和热损系数等）的影响规律，为集热器的设计改进和运行优化提供了理论依据。

在平板集热器的增效防冻方面，许多学者通过新型热管的应用，集热器结构优化和采用新型材料等方法，实现了平板集热器的增效防冻，大大提高了平板集热器的冬季适用性。然而由于成本昂贵、结构复杂等因素，这些方法并没有得到进一步的推广和应用，因此开发低成本、高效率的防冻平板集热器将是未来平板集热器发展的一个新前景。