轻质双层纺织基太阳能空气集热器的集热性能试验研究

朱婧婧，程小梅，李瑶，郭建生

（1.东华大学纺织学院，上海 201600；2.重庆延锋安道拓汽车部件有限责任公司，重庆 400000）

0 引言

太阳能空气集热器是一种有效的太阳能热收集装置，因其结构简单、成本低廉、易于维护等优点而广泛应用于农作物干燥、农业大棚、建筑采暖等领域[1]，[2]。为了克服空气低比热容和低热导系数的缺点，提高太阳能空气集热器热性能，国内外学者主要从减小集热器热损失和提高空气与吸热板的对流换热两个方面进行改进[3]～[7]。这些研究在一定程度上提高了太阳能空气集热器性能，但目前广泛应用的集热器材料多为坚硬的金属和玻璃，质量大、结构较为复杂，难以大面积推广应用。制备轻质且便宜的太阳能空气集热器引起了部分学者的兴趣。

Engelhardt[8]基于北极熊皮毛透明隔热的原理，首次将三维间隔织物与透明薄膜层复合设计了纺织基太阳能空气集热器。透明间隔织物不仅允许太阳光的透过，交叉排列的间隔丝还能阻隔热量的散失，同时，交叉排列的间隔丝有利于空气湍流效应的产生，提高空气与吸热板的换热系数，是一种潜在的工业用换热材料。为了研究间隔织物收集太阳能的可行性，Jia[9]通过试验及仿真方法，研究了间隔织物作为透明隔热层时的平板空气集热器性能，证明隔热层能有效减少集热器上表面热损失。Zhu[10]进一步将间隔织物复合材料作为通风换热层，结果表明，间隔丝表面涂有吸热涂层的空气集热器性能高于间隔丝表面无涂层的集热器。纺织基太阳能空气集热器作为新型集热器，集热器结构和间隔织物参数对集热器性能的影响有待进一步研究。

本文在前人研究基础上，设计了新型的双层纺织基太阳能空气集热器，两种参数不同的透明间隔织物复合材料分别作为集热器的通风换热层和透明隔热层。通过户外试验，对比了单、双层纺织基太阳能空气集热器集热性能，研究了间隔织物间隔丝密度、入口流量对集热器性能的影响，为优化高性能纺织基太阳能空气集热器提供依据。

1 纺织基太阳能空气集热器

纺织基太阳能空气集热器的主体部分是中空的三维间隔织物复合材料。试验所用的间隔织物均在拉舍尔经编机上编织而成。为了最大限度透过太阳光，间隔织物表面设计为六角网眼结构，表面及间隔丝均为透明涤纶单丝。间隔丝将上下两个表层连接起来，通过调整经编机隔距来控制间隔丝长度，可得到厚度不同的三维经编间隔织物。本文用到的间隔织物1#和2#的结构参数如表1所示。

表1 间隔织物1#和2#的结构参数Table 1 Structural parameters of spacer fabric 1#and 2#

PDMS具有透明、柔韧、抗老化、粘附性好等特点，是优异的柔性透明涂层。因此，间隔织物上表面固化的是厚度为1 mm，太阳光透过率为0.90的PDMS透明层；下表面固化的是厚度为1 mm，吸收率与发射率均为0.95，热导率为0.51 W/（m·℃）的炭黑与PDMS混合的吸热层。此外，集热器保温层为厚度为50 mm，热导率为0.03 W/（m·℃）的硅酸铝保温棉。间隔织物复合材料及双层纺织基太阳能空气集热器基本结构如图1所示。

图1 间隔织物复合材料及双层纺织基太阳能空气集热器基本结构Fig.1 Structure of spacer fabric composites and double layer textile-based solar air collector

2 试验设备及装置

图2为纺织基太阳能空气集热器测试系统。为评估纺织基太阳能空气集热器，根据GB/T4271-2007《太阳能集热器热性能试验方法》和GB/T26977-2011《太阳能空气集热器热性能试验方法》标准，搭建并测试集热器热性能[11]，[12]。上海地处北纬31°，安装时集热器与地面成45°朝南放置；集热器尺寸为1 000 mm×400 mm；测试系统在风机正压条件下工作。

图2 纺织基太阳能空气集热器测试系统Fig.2 The setup of textile-based solar air collector

3 太阳能空气集热器热性能评价指标

在稳态条件下，太阳能空气集热器的瞬时集热效率η为该集热器实际获得的有用功率与该集热器表面接收到的太阳能辐射功率之比。在通风集热试验中，空气实际获得的有用功率Q˙的计算式为

式中：m˙为空气出口质量流量，kg/s；cpda为平均温度条件下干空气的比热容，J/（kg·℃）；ΔT=（to-ti），ti，to为空气进、出口平均温度，℃。

根据标准，基于集热器轮廓采光面积Ac的瞬时集热效率η也可由集热器的进口温度归一化温差Ti*表示：

式中：G为太阳辐照度，W/m2；FR为太阳能空气集热器的热转移因子；（τα）e为集热器的有效透射吸收积；UL为集热器的总热损系数，W/（m2·℃）；ta为环境温度，℃。

通过调节集热器进口温度，测试得到不同工况下的试验参数。运用线性回归分析，拟合出基于进口温度和轮廓采光面积的单双层集热器的η随Ti*的变化曲线。由于FR，UL和（τα）e均为常数，此时，η与Ti*为线性关系，依据式（2），该直线斜率的绝对值为FRUL，在纵轴上的截距为FR（τα）e，由此可以计算出该条件下，集热器的热转移因子和总热损系数。

4 结果分析与讨论

4.1 单、双层结构对集热器集热效率影响

首先比较当空气质量流量为0.023 kg/（m2·s）时，单、双层纺织基太阳能空气集热器的集热性能。为降低太阳辐射变化带来的误差，试验选择在天气晴朗、太阳辐照度相对稳定的中午前后，即11：00-14：00进行。两种结构集热器的温度和太阳辐照度随时间变化情况如图3所示。由图可知，空气出口温度与太阳辐照度成正比，双层结构集热器空气出口温度在中午12时达到最大，约为60℃，比单层结构集热器高约12℃。除测试双层结构集热器时太阳辐照度略高的因素外，双层结构集热器也在一定程度上提升了空气出口温度。

图3 两种结构集热器的温度和G随时间变化情况Fig.3 Variation of temperature and solar irradiance with time for single-layer and double-layer solar air collectors

在质量流量为0.023 kg/（m2·s）时，两种结构集热器η与Ti*的关系如图4所示。

图4 两种结构集热器η与T i*的关系Fig.4 Relationship betweenηand T i*for two types of solar air collectors

单、双层结构集热器拟合得到的集热效率方程分别为η=0.58-6.74Ti*和η=0.64-5.69Ti*，已知单、双层结构集热器的（τα）e分别为0.86和0.66，由式（2）计算得到单层结构集热器的FR和UL分别为0.67和10.06 W/（m2·℃）；双层结构集热器的FR和UL分别为0.97，5.87 W/（m2·℃）。根据拟合得到的集热效率方程式，当空气进口温度等于环境温度时，单、双层结构集热器的最大瞬时集热效率分别为0.58和0.64。综上所述，双层纺织基太阳能空气集热器的上层间隔织物复合材料具有较好的保温效果，尽管增加一层间隔织物会降低太阳光的透过率，但集热器总体性能提高优于部分性能降低，因此，双层结构集热器总体集热性能优于单层结构集热器。

4.2 间隔丝密度对集热器集热效率影响

纺织基太阳能空气集热器的间隔丝数量会影响集热器对流换热强度的大小，因此，探究间隔丝密度对集热器集热效率的影响，指导间隔织物设计，是提高纺织基太阳能空气集热器性能的方法之一。本文通过调节间隔丝参数，制备了4种不同间隔丝密度的间隔织物作为通风层。4种间隔丝密度不同的空气集热器的温度和太阳辐照度随时间变化情况如图5所示。

图5 不同间隔丝密度的空气集热器的温度和太阳辐照度随时间变化情况Fig.5 The variation of temperature and solar irradiance of solar air collectors with different spacer filament density

试验所用的模型为双层结构，通风层的间隔丝密度分别为24，28，32，36根/cm2。进行户外试验时，空气质量流量为0.023 kg/（m2·s），测试时间为天气晴朗、太阳辐照度相对稳定的11：00-14：00时。

尽管试验时天气相对晴朗，但乌云的存在对太阳辐照度有较大影响，尤其在测试间隔丝密度为32根/cm2的纺织基太阳能空气集热器时，13时后太阳辐照度波动较大，但出口空气温度波动不大，表明暂时性的太阳辐照度对集热器进出口温度影响不大。当太阳辐照度持续下降时，出口温度会随着太阳辐照度的降低而下降。另外，太阳辐照度的波动对集热器瞬时集热效率影响较大。图6为4种间隔丝密度不同的空气集热器瞬时集热效率曲线。

图6 4种间隔丝密度的空气集热器瞬时集热效率曲线Fig.6 Instantaneous thermal efficiency of solar air collectors with four spacer filament densities

由图6可知，太阳辐照度波动引起间隔丝密度为32根/cm2的集热器的瞬时效率大幅度波动。总体来看，集热器的集热效率在一定范围内波动，间隔丝密度为36，32，28，24根/cm2的4组集热器的瞬时集热效率平均值分别在0.59，0.52，0.47，0.42左右。综上可知，间隔丝密度影响纺织基太阳能空气集热器的集热性能，集热器瞬时平均集热效率随间隔丝密度的增加而增大。

4.3 空气质量流量对集热器集热效率影响

4种间隔丝密度不同的集热器分别在质量流量为0.016，0.023，0.030，0.037 kg/（m2·s）的条件下进行户外试验。由于数据量大，进出口温差和太阳辐照度随时间变化图不集中在文章中显示。

图7为4种间隔丝密度不同的空气集热器在空气质量流量为0.037 kg/（m2·s）时进出口空气温差ΔT与G的关系。由图7可知，4种集热器的ΔT均随G的增加而增加，与另外3组空气质量流量下的结果相同。这是因为高太阳辐照度下，单位时间内集热器得热量更多，传递到空气的热量也更多，故ΔT更高。同时，ΔT随间隔丝密度的增加而增加，当间隔丝密度为36根/cm2时，集热器进出口温差最高，另外3组空气质量流量下的结果亦是如此。这是因为高间隔丝密度织物增强了吸热板与空气的对流换热强度，延长了吸热板与空气对流换热时间，提高了空气出口温度。

图7 4种间隔丝密度的空气集热器ΔT与G关系Fig.7 Relationship betweenΔT and G of air collectors with four spacer filament densities

图8为4种间隔丝密度的空气集热器在不同空气质量流量下的ΔT和平均集热效率值。

图8 4种间隔丝密度的空气集热器在不同空气质量流量下的ΔT和平均集热效率Fig.8ΔT and average thermal efficiency of the different solar air collectors with four spacer filament densities at different mass flow rates

集热器ΔT取太阳辐照度为800 W/m2时对应的值，由图8（a）可知，4种集热器的ΔT均随空气质量流量的增加而减小。这是因为空气质量流量增加，即空气流速变快，空气在集热器内部停留时间变短，使出口温度偏低。图8（b）显示4种集热器的平均集热效率随空气质量流量的增加而增加，在空气质量流量为0.037 kg/（m2·s）时，间隔丝密度为36根/cm2的纺织基太阳能空气集热器集热效率约为0.64。这是因为当空气流速增大时，空气与吸热板之间的湍流作用变强，吸热板与空气的对流换热增强。根据集热效率式（2）可知，集热器集热效率是由空气流量和进出口温差共同决定的，因此，虽然空气质量流量越大，空气进出口温差越小，但同时流量越大，单位时间内空气带走的热量越高，故集热器整体集热效率是随着空气质量流量的增加而增大。

5 结论

本文设计了一种双层纺织基太阳能空气集热器，其在集热器上表面增加一层三维间隔织物复合材料作为透明隔热层。通过户外试验测试，对集热器的热损和集热效率进行了评估，得到如下结论。

①单、双层纺织基太阳能空气集热器的总热损系数UL分别为10.06 W/（m2·℃）和5.87 W/（m2·℃），说明间隔织物能提高该柔性集热器的隔热效果，是一种优良的透明隔热材料。与单层相比，双层结构集热器结构更加稳定，集热效率更高。

②双层纺织基太阳能空气集热器的平均集热效率随间隔丝密度的增加而增大。在空气质量流量为0.023 kg/（m2·s）时，间隔丝密度为36，32，28，24根/cm2的4种集热器平均集热效率分别为0.59，0.52，0.47和0.42。

③纺织基太阳能空气集热器的进出口空气温差随空气质量流量的增加而减小，平均集热效率随空气质量流量的增加而增大。在空气质量流量为0.037 kg/（m2·s）时，间隔丝密度为36根/cm2的集热器的平均集热效率最大，为0.64。

因此，在高质量流量下，通风层选用高密度间隔织物的双层纺织基太阳能空气集热器集热性能更佳。与常用太阳能空气集热器相比，本文研究的双层纺织基太阳能空气集热器的集热效率中等，后续设计间隔丝表面有吸热涂层的间隔织物作为集热器主体吸热材料，可更大程度上提高集热器集热效率。