[科普中国]-空气集热器

简介

世界各国的理论研究和实践经验均表明，建筑用能是节能潜力最大的领域，是节能工作的重点。我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗，是建筑能源消耗的最大组成部分。同时，由于目前我国采暖以煤为主要能源，因此采暖燃煤造成的环境污染也相当严重$另外，随着节能指标的不断提高，近年来我国北方新建建筑和经过节能改造的既有建筑的气密性有了显著改善，但由于没有采取相应的冬季室内通风换气措施，导致北方冬季室内空气普遍不新鲜，大多数住宅和办公建筑都采取开窗通风的方式改善室内空气质量，由此造成的热量损失非常大$在这种情况下，研究开发高效、低成本、易于推广的可再生能源建筑利用技术就愈加重要和迫切$与太阳能热水系统相比，太阳能空气集热器具有启动快，不存在防冻问题，结构简单，成本低廉等独特优势，但传统的平板太阳能空气集热器为了减少对流换热损失，大都加装了透明玻璃盖板，使其很难与建筑相结合，因此严重制约了太
阳能空气集热器的推广应用2。

太阳能空气集热器是一种常用的太阳能热利用装置，它以空气作为传热介质，将收集到的热量输送到功能端，具有结构简单，造价低廉，接受太阳辐射面积大，可广泛应用于建筑物供暖、产品干燥等诸多领域的优点。

太阳能空气集热器一般为平板型集热器，这种集热器对太阳直接辐射和漫射辐射均能吸收，投资较小，结构一般相对简单，故障少，维护管理方便，且易与建筑结合。一般而言，根据板型不同可将平板型空气集热器概分为非渗透型（无孔集热板型）和渗透型（多孔集热板型）两大类。其中，非渗透型集热器的工作原理为阳光照射到气体不能透过的集热板上，空气沿集热板正面或背面流过，与集热板换热后被加热。这种类型的集热器结构简单，但传热性能较差。在集热器内部，传热过程是在集热板表面进行的，一部份不能被吸收的辐射能又被反射回去，而且由于气体和集热板的换热系数很低，而集热板温度很高，所以辐射热损大。为了强化换热，一般采用各种形式的粗糙集热面来强化传热，但若设计不当，不仅会使结构变得复杂，而且运行时阻力会增大，虽然传热系数有所提高，但往往得不偿失。渗透型空气集热器的集热板一般由多孔板层或网层组成，由于空气可以渗透集热板，显著增强了集热板和空气的对流换热能力，因此，其性能优于非渗透型空气集热器。但由于这种集热器流通截面较大，气流流速较低，使强化传热受到一定限制。另外，这种集热器往往需要使用性能优越的透明盖板来减小高温集热板通过辐射和对流换热造成的热损失，使成本增高。

太阳能空气集热器研究现状因此，国内外许多学者致力于空气集热器换热能力的改善，主要从增强集热板与空气之间换热、增大换热面积和减小热损等几方面对其进行研究，如集热板加装隔板、隔板上附加翅片、倒角、金属丝网及起皱模块等等，综合国内、外发展现况，太阳能空气集热器的具体形式有以下几种：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型空气集热器Ⅰ型空气集热器由透明盖板和集热板组成，Ⅱ型空气集热器由集热板和底板组成，Ⅲ型空气集热器由透明盖板、集热板和插入在空气流道中的隔板组成。毛润治研究了Ⅰ型集热器的热效率随空气流量的变化关系；林金清等人研究了 I 型和 II 型太阳能空气集热器的热性能，建立了基于二维假设下的稳态数学模型，得到了稳态条件下集热效率与空气流量、进口温度以及太阳辐射强度的关系图3；夏国泉和魏琪研究了 I 型太阳能空气集热器的传热性能，建立了基于一维假设下的热量传递的数学模型，导出了准静态条件下沿程温度分布、出口温度和全天集热效率的近似解，结果表明，全天集热效率随工质流速的增大而增大，随进口温度的升高而急剧下降，随流道宽度的增加而迅速增大到最大值后逐渐减少4。

V 型空气集热器V 型太阳能空气集热器，GAMA 等人对 V 型槽空气集热器进行了研究，结果表明，用普通材料的非选择性 V 型槽集热板比较合理，且能提高集热器效率。赵锡伟等人针对 V 型太阳能空气集热器提出并建立了镜漫反射混合模型，并作了计算和研究，求出了任意波槽开口角下的漫射吸收率、长波辐射率及不同入射角下的直射吸收率。

1990 年，张珂理5设计了一种铝板吸热体的 V 型波纹多孔体空气集热器，并对其热性能和光学性能进行了理论研究，若流道净空的高度远小于宽度，则波纹顶角越小，多孔体在流道内的分布就越均匀。从效率实验的结果来看，顶角为 90º时的集热效率略高于顶角为 60º时的效率，顶角为 150º时集热效率比前两种都低，约低 7～8%。从阻力实验的结果来看，顶角为 60º时的摩擦阻力系数比顶角为 90º时大得多，并给出了实验结果的拟合式。虽然V 型波纹多孔体空气集热器的热效率较高，但其流动阻力系数也相当大。

交叉波纹型空气集热器1992 年，YinhuPiao 6等人分别对交叉波形盖板内垂直方向上的自然对流、强制对流和混合对流方式进行了研究。2000 年，高文峰用数值方法研究了正弦波形集热板—交叉波形底板太阳能空气集热器的空气自然对流，模拟了主要系统参数对自然对流换热的影响，研究结果表明，波纹板的特性高度比应大于 2，几何特征比应大于 1，集热器倾角应小于 40º，才能有效减少对流热损失[12]。

带肋的空气集热器1998 年，Matrawy.K.K 7设计了在集热板和底板之间插入金属叶片的集热器，集热效率比翅片型集热器高 5%，比普通平板型集热器高 13%，作者还提出了该集热器的数学模型，总结了选择理想叶片数量和空气流道宽度的方法。

J.L.Bhagoria 在半稳定状态下对横向契入的肋片集热板的传热和摩擦数据进行收集，结果发现，与平滑回路相比，在研究的参数范围内，Nu 增大到 2.4 倍时，摩擦因子增大到 5.3 倍。Dursun Pehlvan 设计了带锥体集热板的太阳能空气集热器，集热效率为 50%左右，并和普通平板太阳能空气集热器进行比较。测试结果显示，当集热器的倾角为 28.4˚时，该集热器热效率与平板集热器效率之差最大，出口温度约是平板集热器的 2 倍8。2004 年，吕坤设计并研究了圆柱阵列集热板的太阳能空气集热器，即在集热板上加装金属圆柱阵列，从而增强集热板的换热能力和吸收太阳辐射能力，在实验研究中发现，圆柱阵列太阳能空气集热器集热效率较高9。

点播式空气集热器点播式空气集热器是在集热板与流体接触的一侧压制出半球形的凸起点。当空气通过这些突起点时，流动方向与速度发生改变，湍流边界层变薄，流态得到优化，减小了边界对流热阻，同时增大了有效传热面积，达到了强化传热的效果。通过实验研究得到，与普通平板型集热器相比，这种集热器的换热系数提高了 1.7～1.9 倍，热效率提高了 10～15%，集热器总热损减少了 30%左右。

逆平板空气集热器日本的作田宏一等设计了一种非聚焦型太阳能空气集热器—逆平板集热器，该集热器的集热板水平放置，集热面朝下，而具有玻璃窗的圆柱型反射器放置在集热板下，阳光进入玻璃窗后，经反射器向上反射至集热板。在其它条件相同的情况下，热面向下比热面向上时自然对流换热系数要小，因而自然对流热损失小，对 100～150℃的中温集热系统尤为合适。

回流式空气集热器1985 年，王崇琦等人对四种不同结构的回流式空气集热器进行了研究，结果显示，由于灰尘极易进入此类集热器，集热器表面常受到污染，故一般不采用选择性涂层，在热空气流量较小、热空气温度较低时，最好不使用回流式集热器，在热空气流量非常大时，选用回流式集热器必须进行合理化设计，否则将导致机械能猛增，1986 年，王恩堂10建立了双流程空气集热器的数学模型，分析了各种参数对其性能的影响，并对结构进行了优化。

射流板型空气集热器射流板型集热器是指空气气流由风机送入集热器，经喷口高速射向集热板，使气流直接冲击集热板，以达到强化传热的目的。美国科罗拉多州立大学 Duff 等人利用 Horrel-Bliss 方法建立了该集热器的 DAYSIM 模型，并对其传热系数和总热损系数作出假定11。Choudury 等人在各种几何参数下，对采用洞式喷嘴的射流板结构参数进行研究，发现该集热器的集热效率比普通平板型集热器高 7.5%。

集热板构件
在平板型太阳能空气集热器系统中，集热板和流动空气之间的换热系数小，向环境的热损失大，集热效率低。为了提高太阳能空气集热器系统的热性能，集热板的形式经过不断改进，人造粗糙面的使用对于增强回路中的流体流动传热是一种有效的方法。各种形式的粗糙吸热面如带有狭长条缝、加装隔板、隔板上附加翅片、倒角、金属丝网及起皱模块8等等，增加了工作流体与集热板的换热面积，使流体流动产生紊流，强迫对流强度提高，换热系数增大，太阳能空气集热器系统效率因而得到明显的提高。国内外很多研究者对集热板粗糙面己进行大量的性能研究和优化改进，研究表明，与传统的平板集热器相比，它们具有较好的热性能，一般集热效率可提高10%40%，在表1.1中比较了不同集热板形式的特点。

空气集热器发展趋势提高太阳能空气集热器的集热效率普通的平板型太阳能空气集热器系统中，集热板和流动空气的换热系数小，热损失大，集热器的热效率普遍偏低。因此，为了提高集热效率，减少热损失，人们在太阳能空气集热器系统的流道类型、流道数量、玻璃板数目、流体流态等方面进行着深入的研究，并不断对其进行优化设计，以求找到适合于不同领域、且易于大规模生产的有效廉价方法1。

在集热板方面，增加空气的扰动可以显著的提高流体的换热性能。因此，人们在集热板上增加肋、金属网、圆柱体，起皱模块、V 型、波纹型、开缝等各种凸起来增加流体与集热板的换热面积，增强流体换热时的扰动，强迫对流程度提高，换热系数增大，从而使得太阳能空气集热器系统效率得到明显的提高。此外，人们一直致力于研制集热板的各种选择性吸收涂层，选择性涂层可以使集热板对太阳光线(波长 0.2～0.3um)的吸收率提高很多(通常>0.9)，而波长>3um 的太阳能辐射率却很低(通常