机械循环模式下太阳能空气集热器送风温度的计算研究

文/陈佳 辽宁省建筑设计研究院 辽宁沈阳 110005

机械循环模式下太阳能空气集热器送风温度的计算研究

文/陈佳 辽宁省建筑设计研究院 辽宁沈阳 110005

采用太阳能空气集热器采暖系统的送风口空气温度直接影响到室内的采暖效果。本文通过对太阳能空气集热器在机械循环模式下的简化模型进行理论分析，得出其送风温度的计算公式，为实现对其运行的优化提供了理论依据。

太阳能空气集热器；机械循环；简化模型；送风温度计算公式

一、引言

国内外对于太阳能空气集热器（后文简称为集热器）的研究很多，但其关注点大多集中在自然循环模式下集热器热性能的影响因素以及集热器的结构优化等方面。然而，针对集热器在机械循环模式下送风口空气温度计算公式的研究却并未见到。众所周知送风温度的高低直接决定了室内采暖效果的好坏。作者在之前的研究中发现，机械循环相比自然循环，空气循环速度更稳定，热输送效果更优越。然而当空气流速大于某个极限值以后，热输送效果反而会降低，于是研究中存在一个最佳质量流率的概念。本文从这个切入点入手，通过建立的简化模型，理论计算出送风温度的计算公式。

二、集热器的结构及温度取样点布置

作者设计了一台壁挂式的太阳能空气集热器，其结构主要包括钢化玻璃盖板，喷涂有黑色选择性吸收涂层（吸收率>0.9，发射率约为0.45～0.5）的金属集热板、外包铁皮的木质背板（做好保温措施）、两台串联的循环风机用以实现集热器内热空气的机械循环。为了实现混凝土楼板的蓄热作用，

在送风口室内侧设置了三通风管，将部分热空气送入顶棚蓄热层，并在两个分支管内设置调节风阀。集热器的结构及温度取样点布置如图1所示。限于篇幅，本文中未讨论顶棚蓄热性能的相关内容。

图1　太阳能空气集热器的结构及温度取样点布置图

三、集热器的简化模型及理论计算

前文中说明，背板已经做好保温措施，从背板向室外的散热量很小，所以在理论分析中可以将背板外表面看作绝热。假定集热板为等温体，自下而上对流换热系数恒定。将集热板和背板之间称为内间层、集热板和玻璃盖板之间称为外间层，两个间层相互不连通，空气计算温度不相同。建立集热器理论计算的简化模型如图2所示。

图2　集热器简化模型

可以看出，集热板的热过程包括其与内外间层空气的对流换热，与背板内表面以及与玻璃盖板的辐射换热，从而得出集热器的供热量由集热板、背板内表面与内间层的空气对流换热提供。

根据以上的分析，建立内外间层空气和集热板沿高度方向上的一维动态热平衡方程如下：

式中， tf(x, τ)为内间层高度x处的瞬时空气温度，tfp(τ)、tfp’(τ)分别为内、外间层瞬时空气平均温度，℃；hp、hp‘分别为集热板与内、外间层空气的对流换热系数，W/(m2·K)；m为空气的质量流率，kg/s；cp为空气的比热，取值为1005J/kg·℃；tp、tb、tg分别为集热板表面温度、背板和玻璃盖板的内表面温度，℃；hb、hg为空气与背板内表面、玻璃盖板内表面对流换热系数，W/(m2·K)；hp-g、hp-b为集热板与玻璃盖板、背板的辐射换热系数，W/(m2·K)；α、β为集热板的吸收率和玻璃盖板的透射率，分别为 0.9、0.7226；G 为太阳辐射照度，W/m2；W为集热板的宽度，m。

由于背板外表面可近似按照绝热处理，则背板内表面与内间层空气的对流换热量等于集热板与背板之间的辐射换热量，有：

经计算，集热器外间层空气的Grg处于105的量级，由文献给出的有限空间自然对流换热量的实验关联式，可得：

式中hpg为外间层的自然对流换热系数，W/(m2·K)，由公式(5)确定，

将公式(4)代入公式(2)，可得：

hp-g、hp-b由公式(7)、(8)[5]确定，

式中，σ=5.67×108 W/(m2·K4)；εp、εb、εg为集热板、背板、玻璃盖板的发射率,分别取0.96、0.9、0.94[7]；考虑到随后的研究中可能涉及到开孔型集热板的内容，这里引入一个孔隙率θ的定义，本研究中采用实心型集热板，故θ=1。

至此，已经将公式(1) 、(2)中除hp以外的所有换热系数用无因次数和一些容易测量点温度的关联式表示出来。于是可以将这些关联式代入公式(1) 、(2)中进行求解。

以集热器下方入口处的空气温度 tr作为边界条件，即tf(0, τ)=tr，解方程(1)得到内间层瞬时空气温度分布以及瞬时平均温度表达式(限于篇幅，本文中未列出复杂的推导过程)，如下：

式中，A=hp+hb，B=hptp+hbtb； L为集热器入口与送风口的中心距离。

最终，将x=L时的公式tf(L，τ)=f(tp、tr、tb、tg、m、G、L)定义为集热器送风口空气温度的计算公式。