多孔盖板型太阳能平板空气集热器热性能模拟.pdf

第43卷第9 期2023年9 月建筑供暖空调通风热环境煤气与热力GAS&HEATVol.43No.9Sep.2023多孔盖板型太阳能平板空气集热器热性能模拟张旭龙-，王珺12，高立新12（1.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江哈尔滨150 0 9 0；2.哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨150 0 9 0；3.盐城市盐都区园林绿化管理所，江苏盐城2 2 40 0 5）摘要：建立多孔盖板型太阳能平板空气集热器的数值计算模型，利用已有实验数据验证模型的准确性。基于该数值模型研究单位面积系统风量、太阳辐射照度和集热层吸收率对集热器热性能的影响。结果表明，多孔盖板型太阳能平板空气集热器的热性能较普通平板集热器有明显改善。系统风量增大，集热效率相应地增大，而空气通过集热器的压力降也会迅速增大，从而造成系统风机耗电量增加，所以应综合考虑系统的热性能和风机耗电量，合理选择系统风量。空气温升随太阳辐射照度增大而升高，并且接近线性增长，集热效率随着辐射照度增大呈缓慢下降趋势。集热效率随着集热层吸收率增大而显著增大，且接近线性增长。关键词：多孔盖板；太阳能平板空气集热器；数值模型；空气温升；集热效率中图分类号：TU832.21概述近年来，太阳能热利用技术取得了飞速发展。太阳能平板空气集热器是一种重要的太阳能热利用装置，目前已经广泛应用于建筑供暖、农作物种植和木材干燥等领域。由于通过透明盖板散失大量热量以及集热器内部空气与集热板间的表面传热系数较小，导致传统的太阳能平板空气集热器集热效率低，其热性能驱需改进 1。目前对太阳能平板空气集热器热性能的改进主要集中在强化集热器内部空气与集热板间的对流换热，杨舒婷等人 2 通过改变吸热板的形状，开发了一种新型波纹网型太阳能平板空气集热器，建立数学模型并分析各参数对集热器热性能的影响,结果表明波纹网型集热器热性能明显好于平板型。Romdhane3提出通过设置挡板增强腔内换热，结果表明集热效率高达8 0%。El-Sawi等人4 将人字形金属吸热板应用于集热器，并与普通平板集热器文献标志码：A文章编号：10 0 0 4416(2 0 2 3)0 9-0 A22-05进行了对比,结果表明人字形结构可以使集热效率提高2 0%。胡建军等人 5 对内设挡流板的太阳能平板空气集热器进行了流动和传热分析，结果表明挡流板可以实现冷热流体混合，强化传热。相比于强化太阳能平板集热器内部换热过程的研究，目前对减少透明盖板热量散失的研究很少。叶宏等人 6 将透明蜂窝作为盖板研究了集热器热性能，结果表明带透明蜂窝的平板集热器集热效率明显大于普通平板集热器。董福生等人 7 研究了不同盖板形式下的太阳能平板空气集热器的传热性能,结果表明以PC中空阳光板为盖板的集热器热性能优于以钢化玻璃为盖板的集热器。无盖板渗透型太阳能空气集热器 8 利用均匀分布在集热板上的微小孔口吸入空气，显著降低了集热板表面温度，减少了集热板向周围环境散失的热量。多孔盖板型太阳能平板空气集热器借鉴无盖板渗透型太阳能空气集热器的结构特点，将传统的太阳能平板空气集第一作者简介：张旭龙,男,硕士生,研究方向为太阳能平板空气集热器热性能研究。通信作者简介：高立新，男，教授，博士，研究方向为暖通空调节能技术、建筑一体化太阳能热利用技术。收稿日期：2 0 2 2-0 5-13；修回日期：2 0 2 3-0 3-2 1A22长：9 0 0 热器的透明盖板改为多孔盖板，以期降低盖板温度以减少热损失，提高集热器的热性能。本文利用CFD软件建立了多孔盖板型太阳能平板空气集热器的数值计算模型,对其热性能进行了模拟研究。2集热器模型的建立与验证2.1集热器工作原理多孔盖板型太阳能平板空气集热器工作原理见图1。太阳光通过用聚碳酸酯板（PC板）制成的多孔盖板进入集热器照射到建筑外墙上的集热层，太阳能转化为热能,集热层的温度升高。在风机抽吸作用下，室外空气通过均匀分布在多孔盖板上的微孔进入集热器，被集热层加热，然后流出集热器。保温层太阳辐射阻风机二一热空气出口集热层空腔保温层室外空气人口多孔盖板图1多孔盖板型太阳能平板空气集热器工作原理2.2集热器热性能评价指标空气经过集热器后的温升t（集热器出口空气温度与进口空气温度之差）表征集热器的加热能力，是衡量太阳能空气集热器热性能的重要参数。温升t的计算式为：At=t。-t i式中t温升,t。出口空气温度,t;进口空气温度,集热效率是衡量集热器热性能最重要的参数，为单位时间内太阳能空气集热器获得的有效集热量与投射到集热器上的太阳辐射能之比。集热效率的计算式为：9mc,At?=EA式中一集热效率qm-空气质量流量，kg/sC-空气的比定压热容，J/(kgK），取1 000 J/(kg:K)张旭龙，等：多孔盖板型太阳能平板空气集热器热性能模拟第43卷第9 期E一一太阳辐射照度,W/mA一PC 板(包括小孔)的面积,m2.3数值模型的建立与求解基于以下假设，对集热器进行建模：室外空气经多孔PC板进入集热器后，不会产生回流；室外空气在进人集热器前与集热板换热产生的温升忽略不计；集热器四周保温良好，不与环境产生热量交换。采用ANAYS软件的SCDM模块建立了集热器模型，见图2，集热器内腔尺寸为9 0 0 mm320mm120mm,小孔直径2 mm,孔中心距16 mm,小孔数量5119 个，位于盖板正中央。空气出口的尺寸为200mm50mm。空气从图2 中前面的小孔流入，从右侧面的空气出口流出。利用mesh软件进行了网格划分，经网格无关性验证，计算网格数为16 0 104。边界条件设置见表1,其中将小孔设为速度入口，将多孔盖板设置为半透明介质面，一些辐射通量被其接收，剩下的入射到集热器内部，太阳辐射方向设置为垂直于多孔盖板方向。求解器选择Fluent，基本控制方程由连续性方程、动量方程和能量方程构成，在稳态条件下求解。端流模型选择RNGk-8模型,辐射模型选择DO模型,压力速度耦合计算选择SIMPLE算法，压力项选择Standard,其他项采用二阶迎风微分离散格式（Second orderupwind）。宽：12 0 mm/高：32 0 mm边界名称集热器人口速度人口(Velocity-inlet)集热器出口压力出口(Pressure,-outlet)集热层混合边界(Mixed)多孔盖板混合边界(Mixed)底面和侧面绝热壁面2.4模型验证环境压力为10 1.32 5kPa，空气进口温度为0A23空气出口图2 集热器物理模型表1边界条件边界类型边界条件一0发射率0.0 9透过率0.8 9吸收率0.1第43卷第9 期。进口单位面积系统风量（简称系统风量)分别为7 0、130、18 0 m/（h m）时，集热器模拟工况下与文献 9 中实验工况下空气温升对比见图3。可见，在相同工况下，实验工况空气温升略高于模拟工况。不同系统风量下空气温升的相对误差见表2。由表2 可知，对于全部工况，空气温升的最大相对误差的最大值为8.8 8%，平均相对误差的最大值为7.11%,说明此数值模型具有较高的准确性,能够满足集热器热性能模拟研究需要。40r实验系统风量7 0 m/(hm）模拟系统风量7 0 m/(hm)实验系统风量130 m/（h m）30模拟系统风量130 m/(hm）实验系统风量18 0 m/（h m）模拟系统风量18 0 m/（h m）20100150300450600750 900105012001350太阳辐射照度/(W/m)图3实验工况与模拟工况下空气温升对比表2不同系统风量下空气温升的相对误差系统风量/最大相对m/(hm)误差/%707.801307.401808.883集热器热性能模拟研究3.1系统风量对集热器热性能的影响集热层吸收率为0.9 5条件下，系统风量对集热器热性能的影响见图4。由图4a可以看出,随着系统风量增加,空气温升呈下降趋势。系统风量在3575m/(hm）范围内变化时,空气温升下降趋势很显著，当系统风量大于10 0 m/（h m）以后，空气温升缓慢减小。所以在实际应用中，可以根据需要的集热器出口空气温度合理地选择系统风量。图4b表明随着系统风量增大，集热效率呈现增大趋势。系统风量从35m/（h m）增至7 5m/（h m）时,集热效率随之逐渐增大，当系统风量大于140m/（h m）以后,集热效率非常缓慢地增加。煤气与热力因此，依靠增大系统风量提高集热器的集热效率是不可取的。403530252015105020406080100 120140160180系统风量/m/(hm)a.系统风量对空气温升的影响80r7570F656055504540平均相对3530误差/%20406080100120 140 1601806.20系统风量/m/(hm)b.系统风量对集热效率的影响3.43图4系统风量对集热器热性能的影响7.113.2太阳辐射照度对集热器热性能的影响集热层吸收率为0.9 5条件下，系统风量分别为70、10 5、140、17 5m/（h m）时，太阳辐射照度对集热器热性能的影响见图5。由图5a可以看出，空气温升随着辐射照度增大而升高，并且接近线性增长，原因在于集热器出口空气温度主要取决于集热层表面温度，而太阳辐射照度是影响集热层表面温度最重要的因素之一。由图5b可以看出,随着辐射照度增大，不同系统风量下集热效率的变化趋势基本一致,呈缓慢下降趋势。系统风量为140 m/（hm）时，太阳辐射照度从6 0 0 W/m增大为8 0 0W/m，集热效率仅下降2%左右。3.3集热层吸收率对集热器热性能的影响太阳辐射照度为9 0 0 W/m条件下，集热层吸A一太阳辐射照度30 0 W/m太阳辐射照度6 0 0 W/m一太阳辐射照度9 0 0 W/m1一太阳辐射照度30 0 W/m一太阳辐射照度6 0 0 W/m一太阳辐射照度9 0 0 W/mW30F252015105020030040050060070080090010001100太阳辐射照度/(W/m)a.太阳辐射照度对空气温升的影响8075F706560555045403530200300400500 600700 800 900 1 000 1100太阳辐射照度/(W/m)b.太阳辐射照度对集热效率的影响图5太阳辐射照度对集热器热性能的影响收率对集热器热性能的影响见图6。可以看出，集热层吸收率对空气温升的影响非常大，随着集热层吸收率升高，空气温升不断变大，基本上呈线性变化。集热效率随着吸收率增大而明显升高，且接近于线性增长,吸收率增加0.1,集热效率增加8%左右，因此集热层吸收率是影响集热效率的一个关键因素。4结论系统风量对集热器的热性能有较大的影响,系统风量增大,集热效率相应地增大，而空气通过集热器的压力降也会迅速增大，从而造成系统风机耗电量增加,所以应综合考虑系统的热性能和风机耗电量，合理选择系统风量。2太阳辐射照度是决定空气温升的主要因素，空气温升随着辐射照度增大而升高，并且接近线性增长。集热效率随着辐射照度增大呈缓慢下降趋势。张旭龙，等：多孔盖板型太阳能平板空气集热器热性能模拟系统风量7 0 m/(hm)系统风量10 5m/(hm)系统风量140 m/(hm)系统风量17 5m/(hml)系统风量7 0 m/hm)系统风量10 5m/(hm)系统风量140 m/(hm)系统风量 17 5 m/(hm)第43卷第9 期227一系统风量7 0 m/(hm)20系统风量10 5m/(hm)系统风量140 m/(hm)181614KH1210860.470r65605550454035300.4图6 集热层吸收率对集热器热性能的影响集热层吸收率是影响集热器集热效率的一个关键因素。集热效率随着集热层吸收率增大而显著增大,且接近线性增长。吸收率增加0.1,集热效率增加8%左右。4在适宜的系统风量下，多孔盖板型太阳能平板空气集热器的集热效率在6 5%以上，较普通平板集热器有明显提高。参考文献：1ALDABBAGH L,EGELIOGLU F,ILKAN M.Single andDouble Pass Solar Air Heaters with Wire Mesh as PackingBed J.Energy,2010(9):3783-3787.2杨舒婷，叶天震，马欣桐，等。波纹丝网型太阳能空气集热器热性能特性研究 J太阳能学报,2 0 2 1（1)：130 135.3ROMDHANE B S.The Air Solar Collectors:ComparativeStudy,Introduction of Baffles to Favor the Heat TransferJ.Solar Energy,2007(1):139-149.A25.10.50.6集热层吸收率a.集热层吸收率对空气温升的影响一系统风量7 0 m/(hm)系统风量10 5m/(hm)系统风量140 m/(hml)0.50.6集热层吸收率b.集热层吸收率对集热效率的影响0.70.70.80.80.90.91.01.0第43卷第9 期4 EL-SAWI A M,WIFI A S,YOUNAN M Y,et al.Appli-cation of Folded Sheet Metal in Flat Bed Solar Air Collec-torsJ.Applied Thermal Engineering,2010(8/9):864-871.5胡建军，孙喜山，徐进良太阳能平板空气集热器内部流动与传热分析 J热能动力工程,2 0 11（5）：6 15-620.6叶宏，葛新石，庄双勇，等带透明蜂窝的太阳空气加热器的实验研究(I)一一不同结构空气加热器的性能比较 J太阳能学报,2 0 0 3(1):2 7-31.7董福生，胡明辅，黄小春，等。不同透明盖板整体式太阳能空气集热器性能研究 J节能技术,2 0 14（1)：13-17.8LEON M A,KUMAR S.Mathematical Modeling andThermal Performance Analysis of Unglazed Transpired So-lar Collectors J.Solar Energy,2007(1):62-75.9BASTARACHE S,SAVARY P,DUTIL Y,et al.In SituMeasurements of the Thermal Performance of Several Un-glazed Transpired Solar Collectors in CanadaJ.Bmq,2012(1):56-59.Thermal Performance Simulationof Porous Cover Type SolarFlat-plate Air CollectorZHANG Xulong,WANG Jun,GAO LixinAbstract:A numerical calculation model forporous cover type solar flat-plate air collector is estab-第十五届中国土木工程詹天佑奖获奖工程：上海轨道交通12 号线煤气与热力lished,and the accuracy of the model is verified by theexisting experimental data.Based on the numericalmodel,the effects of unit area system air volume,solarirradiance and heat collection layer absorptivity on thethermal performance of the collector are studied.Theresults show that the thermal performance of the porouscover type solar flat-plate air collector is significantlyimproved compared with the ordinary plate air collec-tor.As the air volume of the system increases,the heatcollection efficiency increases accordingly,and thepressure drop of the air passing through the heat collec-tor will also increase rapidly,resulting in an increase ofthe power consumption of the system fan.Therefore,the thermal performance of the system and the fan pow-er consumption should be considered comprehensively,and the system air volume should be selected reasona-bly.The air temperature rise increases with the in-crease of solar irradiance,and the increase is nearlylinear,and the heat collection efficiency slowly decrea-ses with the increase of solar irradiance.The heat col-lection efficiency increases significantly with the in-crease of the absorptivity of the heat collection layer,and increases nearly linearly.Key words:porous cover plate;solar flat-plateair collector;numerical model;air temperature rise;heat collection efficiency（本文责任编辑：李欣雨）A26.