293太阳能空气集热器热性能的实验研究

1太阳能空气集热器热性能的实验研究北京建筑工程学院邱林邹越黄莉任耿闫敏摘要设计了一种带孔折线形式特殊结构的太阳能空气集热器，对其安置在建筑物顶部利用太阳能加热空气进行了实验研究。实测了过渡季不同工况下集热器出口温度、出口风速和太阳辐射强度等影响集热器热性能的相关因素，探讨分析了集热器折型模块基准面、迎风面和背风面三个面的温度场随时间的变化情况。实验得出了本地在测试期间太阳辐射强度对加热空气温度呈现和太阳辐射强度一致的变化规律和滞后性与延续性的影响，以及折形集热板的迎风面与空气的对流换热强度要强于背风面，且均强于无折形的基准面的加热空气作用规律。关键词太阳能供热集热器1引言1安装在建筑南墙面及屋顶上的太阳能集热板可将加热的室外新鲜空气经风管输送分配到室内，起到供热和改善室内空气质量的双重作用。这一新颖而独特的太阳能技术已被广泛应用在需要大量通风的各类建筑物中[1-4]，该系统具有原理简单和收集太阳能效率高的特点，它的使用将极大地节约能源和节省建筑的供暖费用。本文对一种安置在建筑物顶部的太阳能空气集热器进行试验研究，并探讨影响集热器热性能的相关因素。2太阳能空气集热器为增加换热面积和增强气流的扰动,本研究设计的集热器具有多孔和折线的特殊结构，集热器外侧采用的是透光性和绝热性能较好的玻璃罩，其目的是接收尽可能多的太阳能到集热板上，减小由集热板向环境的热损失，保护集热板不使其直接暴露在环境中。集热板外表面涂有黑色吸热涂料，它具有强烈吸收太阳热和阻挡紫外线的功能。此外，集热板设计成带孔和折线形，在集热板上均匀分布气孔是为了破坏集热板内壁的边界层，提高集热板与空腔内空气的对流换热强度，开孔板较无孔板具有明显优势。折线状也是改善集热器供热效果的有力途径和必然要求。整个集热部件由钢框架支撑并固定在屋顶上，朝向正南方。在集热器左上角开一个直径为13mm的通风口，引入新风。在集热板背面的第二层空腔的下部开孔接风管，风管内安装风机，使被集热板加热的空气在强迫对流的方式下由风管输送到各个房间内。集热箱体材料和结构尺寸见表1。表1集热箱体材料和结构尺寸集热箱体参数及说明尺寸（mm）（长×宽×高）2072×1425×200采暖面积（㎡）27盖板材料8mm厚钢化玻璃保温材料（周边和底部）20mm厚塑料泡沫安装位置屋顶南朝向安装倾角48º集热金属板由若干块带孔折线型结构模块组成，板上均匀开孔，孔径约为2mm，孔间距约为基金项目：北京市教委项目（No.KM200810016007）；建设部科技项目：（No2008-K6-21)；北京市教委人才强教深化项目（No.PHR201007127）；北京市建筑环境与设备学科特色专业资助230mm，每个折型集热模块分别由基准面、迎风面和背风面三个面构成，见图1。图1集热板示意图3实验测试实验地点位于某高校的2层实验楼，在实验楼顶部安装太阳能集热器，其倾角为48°且面向正南方。太阳能加热空气系统示意图参看图2。集热器传热过程是：在风机的作用下，室外空气首先流经集热板外表面，与之进行热量交换，然后渗入小孔再流经集热板的内表面，通过对流换热的方式被加热，最终加热后的新鲜空气由风管输送到各个房间。图2太阳能加热空气系统示意图本实验是在过渡季天气晴朗的条件下进行的，太阳辐射强度是由PC—2型太阳辐射记录仪测得，仪器每隔一小时记录一值，该值即为1小时每平米集热板所接收到的太阳辐射强度。集热器进口风速v是由热球风速仪测其喉部风速所得。本实验中，由于风机和管道阀门都是变动的，室外风速变化对系统的影响很小，可忽略。在集热器后的风管和室外布置测点，用热电偶测得经过集热器后的空气温升t，每隔5秒测一次，用电脑记录测点的温度。实验取值范围均符合室内供热通风要求，测点工况参照表2。表2测试量及其相应取值范围表测试量取值范围温度t（℃）室外：15—32集热器：20—50出口风速v（m/s）1.5—4.5太阳辐射强度0I（2/MJm）0.6—2.44实验结果分析4.1太阳辐射强度对集热箱体出口空气温度的影响测试采用集热箱体出口空气流速为3.18m/s的运行工况，集热箱体出口空气温度随太阳辐射强度变化的情况见图3。图中看出，经过集热箱体加热后出口处空气的温度变化趋势和全天太阳辐射强度的变化趋势基本一致，都是经历了先上升后下降的过程，这说明太阳辐射强度对出口空气温度的变化起着决定性的作用，同时，也看出太阳辐射强度对空气温度影响滞后性与延续性的加热作用3规律。集热箱体出口空气温度变化01020304050608:009:2010:4012:0013:2014:4016:0017:20时间出口空气温度（。C）00.511.522.5太阳辐射强度（兆焦/m2)出口空气温度太阳辐射强度系统出口风速3.18m/s图3温度变化曲线4.2太阳能加热空气系统集热板温度场的分析折板集热器基准面、迎风面和背风面三个面两侧中部贴近壁面处气流的温度变化规律，见图4至图6。图中得出两侧平均温差的规律是，基准面两侧平均温差最小约为1.7—2.2℃、迎风面两侧平均温差最大约为5.8—7.4℃、背风面两侧平均温差次之约为3.9—5.0℃。这表明折形集热板的迎风面表面与空气的对流换热强度要强于背风面表面与空气的对流换热强度，并且均强于无折形的基准面与空气的对流换热。图4基准面两侧温度变化曲线图图5迎风面两侧温度变化曲线图4图6背风面两侧温度变化曲线图5结论（1）带孔、折线形太阳能空气集热器具有换热效率高的优势，同时可实现供热和改善室内空气质量的双重作用。（2）实验得出集热箱体进出口温度的差值在全天的变化趋势也与太阳辐射强度的变化趋势基本一致，集热箱体进出口温度差值的大小反映了集热箱体提升空气温度的能力，而它呈现和太阳辐射强度一致的变化规律，说明了太阳辐射强度的强弱决定着集热箱体系统有多大的空气温度提升能力。（3）折形集热板的迎风面表面与空气的对流换热强度要强于背风面表面与空气的对流换热强度，并且均强于无折形的基准面与空气的对流换热。参考文献：[1]欧阳莉,刘伟，多孔太阳墙—采暖房传热与流动特性分析，工程热物理年会学术会议论文，传热传质学，编号083190[2]杨昭，徐晓丽，太阳墙热特性分析，太阳能学报，2007：1092—1096。[3]Kutscher，Christensen，Barker，Unglazedtranspiredsolarcollectors：heatlosstheory，ASMEJournalofSolarEng，1993，115（03）：182－188.[4]Hollands，PrinciplesoftheTranspired－PlateAirHeatingCollector：theSOLARWALLRenewableEnergyTechnologiesinColdClimates，1998AnnualMeetingoftheSolarEnergy，SocietyofCanadaInc，1998：139－144.5