030无盖板渗透型太阳能空气加热器热性能的实验研究

无盖板渗透型太阳能空气加热器热性能的实验研究哈尔滨工业大学高立新王天成方修睦摘要太阳能空气加热器具有启动快，不存在防冻问题，结构简单，成本低廉等独特优势，但传统的太阳能空气加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，因而严重制约了太阳能空气加热器在暖通空调系统中的应用，影响了太阳能空气加热器的建筑一体化进程。本文采用自行研制的多孔太阳能集热板建立了无盖板渗透型太阳能空气加热器热性能实验台并进行了户外瞬态实验，在不同工况下对其热性能进行了比较分析。实验结果表明，与传统平板太阳能空气加热器相比，无盖板渗透型太阳能空气加热器的热性能有显著提高。除天气原因导致太阳辐射不足的情况外，其瞬时热效率均高于50%，平均热效率为58％－72％。关键词渗透型太阳能空气加热器；热效率；实验研究0引言世界各国的理论研究和实践经验表明，建筑用能是节能潜力最大的领域，是节能工作的重点[1]。我国北方城镇采暖能耗占全国城镇建筑总能耗的40％，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，太阳能空气加热器具有启动快，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加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加热器的推广应用[2]。本文采用自行研制的无盖板渗透型太阳能空气加热器[3]进行了户外瞬态实验,在不同工况下对其热性能进行了研究,以期推动这一新型太阳能空气加热器在我国的应用。1实验材料与装置无盖板渗透型太阳能空气加热器又称作太阳墙，太阳墙系统原理如图1所示。该系统的核心是表面喷涂光谱选择性涂层的波形多孔集热板，集热板竖直安装在距建筑外墙150mm－200mm处，与顶部的遮阳板和底部的密封板组成一个封闭空腔（空气夹层），即太阳墙系统的集热子系统；设于室内的风管和风机组成太阳墙系统的空气输送子系统。太阳墙系统在冬季和夏季按不同模式运行，在冬季运行模式下，白天在太阳照射下集热板表面温度显著高于室外温度，在风机的抽吸作用下，空腔内处于负压，温度较低的室外新鲜空气通过集热板表面的小孔进入集热板与外墙构成的封闭空腔内，并在这一过程中获得集热板已经吸收的太阳辐射热而被加热，达到设定温度的空气经空腔顶部由风管输送到房间里。夜晚，墙体向外散失的热量被空腔内的空气吸收，相当于增加了墙体的热阻，降低了室内热负荷。在夏季运行模式下，风机停止运行并关闭空腔上部与室内相连的进风口。由于集热板的遮挡，建筑外墙不直接吸收太阳辐射热，在热压作用下，空气经集热板表面的小孔进入空腔，被加热的空气不再送入室内，而是通过空腔顶部的夏季空气出口排入大气中，这样就减少了建筑外墙的太阳辐射得热，降低了建筑物的冷负荷。图1太阳墙系统示意图图2集热子系统图3空气输送子系统本文对自行研制的集热板热性能进行了实验研究，实验所用集热器由20块多孔集热板单元组合而成，安装在位于楼顶的实验室南外墙上，见图2。图3所示为设于室内的风管和风机。实验中主要测量量为风速和风向、太阳辐射强度、加热器进出口温度、集热板表面温度和空气体积流量。风速和风向采用EC－1A测风传感器测量，太阳辐射强度采用TBQ-2型总辐射表测量，温度采用铜-康铜热电偶测量并通过BES-Ca总线式多路数据采集仪进行记录和显示，空气体积流量采用毕托管测量。2实验结果2.1加热器进出口温度空气经过加热器后的温升是衡量太阳能空气加热器加热能力的重要指标，在三种不同的风量下对系统的热性能进行了研究，图4－图6给出了加热器进出口温度的实验结果。其中，高、中、低档风量分别为235m3/h、165m3/h和100m3/h。实验结果表明，在低档风量下，空气经过加热器后的温升为14.54－32.55℃；在中档风量下，空气经过加热器后的温升为3.15－21.85℃；在高档风量下，空气经过加热器后的温升为5.84－16.27℃。中档风量测试日天气为晴有时多云，若天气晴朗，则温升幅度会高于实验结果。可以看出，随着系统风量的增加，温升幅度逐渐降低，其原因在于随着风量的增加，虽然集热板向周围空气散失的热量减少，热效率有所提高，但单位质量流量的被加热空气从集热板得到的热量却减少了。因此，空气经过集热板后的温升随着系统风量的增加逐渐降低。010020030040050060070080010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻太阳辐射强度(w/m2)-20020406080100温度(℃)太阳辐射强度出口温度进口温度图4低档风量下太阳能空气加热器的进出口温度010020030040050060070080010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻太阳辐射强度(W/m2)020406080100温度(℃)太阳辐射强度出口温度进口温度图5中档风量下太阳能空气加热器的进出口温度010020030040050060070080010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻太阳辐射强度(W/m2)01020304050温度(℃)太阳辐射强度出口温度进口温度图6高档风量下太阳能空气加热器的进出口温度2.2加热器瞬时热效率热效率为单位时间内太阳能空气加热器实际获得的有用能量与加热器吸收的太阳辐射热之比，是衡量太阳能空气加热器综合性能优劣的重要参数。单位时间内太阳能空气加热器实际获得的有用能量uQ为：Qu=mcp(To－Ti)(1)式中m—空气的质量流量(kg/s)；cp—空气的比热容(kJ/(kg·℃))；Ti—加热器进口空气温度(℃)；To—加热器出口空气温度(℃)。加热器瞬时热效率为：()ucQAIt（2）式中cA——加热器的有效集热面积(m2)；()It——瞬时太阳辐射强度(W/m2)。图7－图9给出了三档风量下加热器瞬时热效率随时间的变化。可以看出，除太阳辐射强度较低的中档风量工况外，加热器的瞬时热效率均在50％以上。因此，实验所用太阳能空气加热器的热性能显著高于传统的平板太阳能空气加热器[4]。从图7－图9还可以看到，瞬时热效率的波动与太阳辐射强度的变化之间存在一定的延迟，这是由于空气加热器具有一定的热滞后性所致。50%55%60%65%70%75%80%10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻效率0100200300400500600700800太阳辐射强度(W/m2)效率太阳辐射强度图7低档风量下太阳能空气加热器的瞬时热效率30%40%50%60%70%80%90%10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻效率0200400600800太阳辐射强度(W/m2)效率太阳辐射强度图8中档风量下太阳能空气加热器的瞬时热效率50%60%70%80%90%10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00时刻效率0200400600800太阳辐射强度(W/m2)效率太阳辐射强度图9高档风量下太阳能空气加热器的瞬时热效率2.3加热器平均热效率在低档、中档和高档风量下，空气加热器在整个运行时间内的平均热效率分别为58％、63％和72％。可以看出，加热器的平均热效率随风量的增加而逐渐升高，其原因在于随着通过加热器风量的增加，加热器表面温度逐渐降低，同时室外风对加热器的影响也逐渐减弱，使得太阳能空气加热器向室外环境的散热减少，热效率提高。3结论本文对自行研制的无盖板渗透型太阳能空气加热器的热性能进行了户外瞬态实验研究，结果表明：除太阳辐射强度较低的中档风量工况外，加热器的瞬时热效率均在50％以上。因此，实验所用太阳能空气加热器的热性能较传统的平板太阳能空气加热器有明显改善，同时这种新型太阳能空气加热器可直接作为建筑外饰面材料，易于实现建筑一体化，具有很高的应用价值。4致谢本文得到了中国博士后基金特别资助和黑龙江省博士后基金(LBH-Z07160)的资助。参考文献：[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2007.北京：中国建筑工业出版社，2007.[2]叶宏，葛新石.太阳空气加热系统漫谈.太阳能,2003,69:13-14.[3]R.Peter,J.Hollick.MethodandApparatusforPreheatingVentilationAirforaBuilding.U.S.PatentNo.4899728,1990.[4]叶宏，葛新石.带透明蜂窝的太阳空气加热器的实验研究.太阳能学报,2003,24（1）:27-31.