空氣集熱器

太陽能空氣集熱器是一種常用的太陽能熱利用裝置，它以空氣作為傳熱介質，將收集到的熱量輸送到功能端，具有結構簡單，造價低廉，接受太陽輻射面積大，可廣泛套用於建築物供暖、產品乾燥等諸多領域的優點。與熱水集熱器相比，太陽能空氣集熱器以空氣作為傳熱介質，其導熱係數遠小於水，所以集熱板溫度較高，熱損較大。此外，由於空氣的密度和比熱遠小於水，其傳熱、蓄熱能力也小得多。詳細介紹了太陽能集熱器的研究現狀、其關鍵部件集熱板、發展趨勢、用料選擇以及其在建築一體化中的套用。

基本介紹

• 中文名：空氣集熱器
• 外文名：Air collector
• 特點：節能、環保
• 類型：集熱設備
• 領域：能源
• 學科：熱力學

簡介

世界各國的理論研究和實踐經驗均表明，建築用能是節能潛力最大的領域，是節能工作的重點。我國北方城鎮採暖能耗占全國城鎮建築總能耗，是建築能源消耗的最大組成部分。同時，由於目前我國採暖以煤為主要能源，因此採暖燃煤造成的環境污染也相當嚴重$另外，隨著節能指標的不斷提高，近年來我國北方新建建築和經過節能改造的既有建築的氣密性有了顯著改善，但由於沒有採取相應的冬季室內通風換氣措施，導致北方冬季室內空氣普遍不新鮮，大多數住宅和辦公建築都採取開窗通風的方式改善室內空氣品質，由此造成的熱量損失非常大$在這種情況下，研究開發高效、低成本、易於推廣的可再生能源建築利用技術就愈加重要和迫切$與太陽能熱水系統相比，太陽能空氣集熱器具有啟動快，不存在防凍問題，結構簡單，成本低廉等獨特優勢，但傳統的平板太陽能空氣集熱器為了減少對流換熱損失，大都加裝了透明玻璃蓋板，使其很難與建築相結合，因此嚴重製約了太
陽能空氣集熱器的推廣套用。

太陽能空氣集熱器是一種常用的太陽能熱利用裝置，它以空氣作為傳熱介質，將收集到的熱量輸送到功能端，具有結構簡單，造價低廉，接受太陽輻射面積大，可廣泛套用於建築物供暖、產品乾燥等諸多領域的優點。

太陽能空氣集熱器一般為平板型集熱器，這種集熱器對太陽直接輻射和漫射輻射均能吸收，投資較小，結構一般相對簡單，故障少，維護管理方便，且易與建築結合。一般而言，根據板型不同可將平板型空氣集熱器概分為非滲透型（無孔集熱板型）和滲透型（多孔集熱板型）兩大類。其中，非滲透型集熱器的工作原理為陽光照射到氣體不能透過的集熱板上，空氣沿集熱板正面或背面流過，與集熱板換熱後被加熱。這種類型的集熱器結構簡單，但傳熱性能較差。在集熱器內部，傳熱過程是在集熱板表面進行的，一部份不能被吸收的輻射能又被反射回去，而且由於氣體和集熱板的換熱係數很低，而集熱板溫度很高，所以輻射熱損大。為了強化換熱，一般採用各種形式的粗糙集熱面來強化傳熱，但若設計不當，不僅會使結構變得複雜，而且運行時阻力會增大，雖然傳熱係數有所提高，但往往得不償失。滲透型空氣集熱器的集熱板一般由多孔板層或網層組成，由於空氣可以滲透集熱板，顯著增強了集熱板和空氣的對流換熱能力，因此，其性能優於非滲透型空氣集熱器。但由於這種集熱器流通截面較大，氣流流速較低，使強化傳熱受到一定限制。另外，這種集熱器往往需要使用性能優越的透明蓋板來減小高溫集熱板通過輻射和對流換熱造成的熱損失，使成本增高。

太陽能空氣集熱器研究現狀

因此，國內外許多學者致力於空氣集熱器換熱能力的改善，主要從增強集熱板與空氣之間換熱、增大換熱面積和減小熱損等幾方面對其進行研究，如集熱板加裝隔板、隔板上附加翅片、倒角、金屬絲網及起皺模組等等，綜合國內、外發展現況，太陽能空氣集熱器的具體形式有以下幾種：

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型空氣集熱器

Ⅰ型空氣集熱器由透明蓋板和集熱板組成，Ⅱ型空氣集熱器由集熱板和底板組成，Ⅲ型空氣集熱器由透明蓋板、集熱板和插入在空氣流道中的隔板組成。毛潤治研究了Ⅰ型集熱器的熱效率隨空氣流量的變化關係；林金清等人研究了 I 型和 II 型太陽能空氣集熱器的熱性能，建立了基於二維假設下的穩態數學模型，得到了穩態條件下集熱效率與空氣流量、進口溫度以及太陽輻射強度的關係圖；夏國泉和魏琪研究了 I 型太陽能空氣集熱器的傳熱性能，建立了基於一維假設下的熱量傳遞的數學模型，導出了準靜態條件下沿程溫度分布、出口溫度和全天集熱效率的近似解，結果表明，全天集熱效率隨工質流速的增大而增大，隨進口溫度的升高而急劇下降，隨流道寬度的增加而迅速增大到最大值後逐漸減少。

V 型空氣集熱器

V 型太陽能空氣集熱器，GAMA 等人對 V 型槽空氣集熱器進行了研究，結果表明，用普通材料的非選擇性 V 型槽集熱板比較合理，且能提高集熱器效率。趙錫偉等人針對 V 型太陽能空氣集熱器提出並建立了鏡漫反射混合模型，並作了計算和研究，求出了任意波槽開口角下的漫射吸收率、長波輻射率及不同入射角下的直射吸收率。

1990 年，張珂理設計了一種鋁板吸熱體的 V 型波紋多孔體空氣集熱器，並對其熱性能和光學性能進行了理論研究，若流道淨空的高度遠小於寬度，則波紋頂角越小，多孔體在流道內的分布就越均勻。從效率實驗的結果來看，頂角為 90º時的集熱效率略高於頂角為 60º時的效率，頂角為 150º時集熱效率比前兩種都低，約低 7～8%。從阻力實驗的結果來看，頂角為 60º時的摩擦阻力係數比頂角為 90º時大得多，並給出了實驗結果的擬合式。雖然V 型波紋多孔體空氣集熱器的熱效率較高，但其流動阻力係數也相當大。

交叉波紋型空氣集熱器

1992 年，YinhuPiao 等人分別對交叉波形蓋板內垂直方向上的自然對流、強制對流和混合對流方式進行了研究。2000 年，高文峰用數值方法研究了正弦波形集熱板—交叉波形底板太陽能空氣集熱器的空氣自然對流，模擬了主要系統參數對自然對流換熱的影響，研究結果表明，波紋板的特性高度比應大於 2，幾何特徵比應大於 1，集熱器傾角應小於 40º，才能有效減少對流熱損失[12]。

帶肋的空氣集熱器

1998 年，Matrawy.K.K 設計了在集熱板和底板之間插入金屬葉片的集熱器，集熱效率比翅片型集熱器高 5%，比普通平板型集熱器高 13%，作者還提出了該集熱器的數學模型，總結了選擇理想葉片數量和空氣流道寬度的方法。

J.L.Bhagoria 在半穩定狀態下對橫向契入的肋片集熱板的傳熱和摩擦數據進行收集，結果發現，與平滑迴路相比，在研究的參數範圍內，Nu 增大到 2.4 倍時，摩擦因子增大到 5.3 倍。Dursun Pehlvan 設計了帶錐體集熱板的太陽能空氣集熱器，集熱效率為 50%左右，並和普通平板太陽能空氣集熱器進行比較。測試結果顯示，當集熱器的傾角為 28.4˚時，該集熱器熱效率與平板集熱器效率之差最大，出口溫度約是平板集熱器的 2 倍。2004 年，呂坤設計並研究了圓柱陣列集熱板的太陽能空氣集熱器，即在集熱板上加裝金屬圓柱陣列，從而增強集熱板的換熱能力和吸收太陽輻射能力，在實驗研究中發現，圓柱陣列太陽能空氣集熱器集熱效率較高。

點播式空氣集熱器

點播式空氣集熱器是在集熱板與流體接觸的一側壓製出半球形的凸起點。當空氣通過這些突起點時，流動方向與速度發生改變，湍流邊界層變薄，流態得到最佳化，減小了邊界對流熱阻，同時增大了有效傳熱面積，達到了強化傳熱的效果。通過實驗研究得到，與普通平板型集熱器相比，這種集熱器的換熱係數提高了 1.7～1.9 倍，熱效率提高了 10～15%，集熱器總熱損減少了 30%左右。

逆平板空氣集熱器

日本的作田宏一等設計了一種非聚焦型太陽能空氣集熱器—逆平板集熱器，該集熱器的集熱板水平放置，集熱面朝下，而具有玻璃窗的圓柱型反射器放置在集熱板下，陽光進入玻璃窗後，經反射器向上反射至集熱板。在其它條件相同的情況下，熱面向下比熱面向上時自然對流換熱係數要小，因而自然對流熱損失小，對 100～150℃的中溫集熱系統尤為合適。

回流式空氣集熱器

1985 年，王崇琦等人對四種不同結構的回流式空氣集熱器進行了研究，結果顯示，由於灰塵極易進入此類集熱器，集熱器表面常受到污染，故一般不採用選擇性塗層，在熱空氣流量較小、熱空氣溫度較低時，最好不使用回流式集熱器，在熱空氣流量非常大時，選用回流式集熱器必須進行合理化設計，否則將導致機械能猛增，1986 年，王恩堂建立了雙流程空氣集熱器的數學模型，分析了各種參數對其性能的影響，並對結構進行了最佳化。

射流板型空氣集熱器

射流板型集熱器是指空氣氣流由風機送入集熱器，經噴口高速射向集熱板，使氣流直接衝擊集熱板，以達到強化傳熱的目的。美國科羅拉多州立大學 Duff 等人利用 Horrel-Bliss 方法建立了該集熱器的 DAYSIM 模型，並對其傳熱係數和總熱損係數作出假定。Choudury 等人在各種幾何參數下，對採用洞式噴嘴的射流板結構參數進行研究，發現該集熱器的集熱效率比普通平板型集熱器高 7.5%。

集熱板構件

在平板型太陽能空氣集熱器系統中，集熱板和流動空氣之間的換熱係數小，向環境的熱損失大，集熱效率低。為了提高太陽能空氣集熱器系統的熱性能，集熱板的形式經過不斷改進，人造粗糙面的使用對於增強迴路中的流體流動傳熱是一種有效的方法。各種形式的粗糙吸熱面如帶有狹長條縫、加裝隔板、隔板上附加翅片、倒角、金屬絲網及起皺模組等等，增加了工作流體與集熱板的換熱面積，使流體流動產生紊流，強迫對流強度提高，換熱係數增大，太陽能空氣集熱器系統效率因而得到明顯的提高。國內外很多研究者對集熱板粗糙面己進行大量的性能研究和最佳化改進，研究表明，與傳統的平板集熱器相比，它們具有較好的熱性能，一般集熱效率可提高10%40%，在表1.1中比較了不同集熱板形式的特點。

空氣集熱器發展趨勢

提高太陽能空氣集熱器的集熱效率

普通的平板型太陽能空氣集熱器系統中，集熱板和流動空氣的換熱係數小，熱損失大，集熱器的熱效率普遍偏低。因此，為了提高集熱效率，減少熱損失，人們在太陽能空氣集熱器系統的流道類型、流道數量、玻璃板數目、流體流態等方面進行著深入的研究，並不斷對其進行最佳化設計，以求找到適合於不同領域、且易於大規模生產的有效廉價方法。

在集熱板方面，增加空氣的擾動可以顯著的提高流體的換熱性能。因此，人們在集熱板上增加肋、金屬網、圓柱體，起皺模組、V 型、波紋型、開縫等各種凸起來增加流體與集熱板的換熱面積，增強流體換熱時的擾動，強迫對流程度提高，換熱係數增大，從而使得太陽能空氣集熱器系統效率得到明顯的提高。此外，人們一直致力於研製集熱板的各種選擇性吸收塗層，選擇性塗層可以使集熱板對太陽光線(波長 0.2～0.3um)的吸收率提高很多(通常>0.9)，而波長>3um 的太陽能輻射率卻很低(通常<0.5)。常用的選擇性塗層有：電鍍黑鎳、電鍍黑鉻、化學沉積氧化銅、化學沉積氧化鐵、化學沉積氧化鈷。另外，如何減少甚至消除透明蓋板的熱損失一直是學者們在研究的熱點問題，如蜂窩狀結構透明蓋板，就可顯著減小蓋板與空氣的對流換熱損失。總之，我們要從集熱器的結構、材料、運行等各個方面入手，提高空氣集熱器的集熱效率

空氣集熱器匹配的蓄熱材料和技術

由於太陽能資源的不穩定性，僅利用太陽能空氣集熱器對建築物進行供暖是不能保證持續加熱的，因此，一個完善的太陽能熱風供暖系統應包括集熱跟儲熱兩部分，我們應該研製適合的儲熱材料和技術，將白天收集的富餘太陽能存入蓄熱裝置，供夜間或陰雨天使用。

根據蓄熱方式不同，可分為顯熱存儲、潛熱存儲和化學能存儲三種方式：顯熱儲存是通過蓄熱材料的溫升來儲存熱量，以達到蓄熱的目的，一般而言，蓄熱材料的比熱容越大，密度越大，可存儲的熱量就越多，目前正在研究的顯熱蓄熱材料有水、岩石、混凝土等；潛熱儲存是利用蓄熱材料發生相變蓄熱的原理製成的，由於相變潛熱較大，所以潛熱儲存有更高的儲能空間，目前潛熱蓄熱相變材料有：無機相變材料，包括結晶水合鹽、熔融鹽、金屬合金等，有機相變材料包括石蠟、酯、多元醇等；化學能儲存是利用可逆化學反應中的吸熱和放熱過程來達到熱能的儲存和提取，這是一種高能量密度儲存的方法，但在套用上還存在不少困難，目前尚難以推廣使用。

太陽能空氣集熱系統與建築相結合

太陽能空氣集熱器與建築一體化是如今太陽能熱風利用在建築領域中的主要潮流和趨勢。對現有建築來說，我們應在儘可能不做較大改變的基礎上，將太陽能熱風供暖系統與現有建築結合，變成主動式太陽房，避免太陽房須從地基蓋起的弊端。在此方面，國外有一些成功的例子，如日本的OM 太陽能房[45-46]，德國的窗系統一體化[47]，加拿大跟美國聯合開發的太陽能牆（Solar Wall）[48]等。

空氣集熱器用料的選擇

①透明蓋板。作用是讓太陽輻射透過並減少吸收吸熱面的對流和輻射損失，面蓋性能決定溫室效應的強弱。首次採用了聚碳酸脂製成的中空板(PC)—陽光板。陽光板重量輕，約為同厚度玻璃的1/12，搬運、安裝非常方便，同時也可以有效節約構架和安裝成本;PC中空板具有良好的隔熱性能，能夠有效地阻止室內外熱量的傳導，保持室內溫度均衡，是現代溫室的理想採光覆蓋材料。國內自90年代初開始套用中空陽光板(又稱不碎玻璃)以來，隨著高科技的生產工藝生產出綜合性能極佳的產品.價格下降幅度較大，其套用領域更廣泛。

②吸熱面。可由各種金屬或非金屬材料製造，表面塗黑，能充分吸收人射的太陽能，並傳給通過其中的工作流體。要使表面塗層達到既有高的太陽吸收比又有低的發射率，使其儘可能多地吸收太陽輻射能，減少吸熱板本身的熱輻射損失。採用在黑漆中加人一定比例的碳粉。

③箱體。對面蓋及吸熱面起支撐固定作用，為減少熱損失在吸熱面背部以及側面加裝絕熱材料。加裝了絕熱材料後，有效減少了箱體骨架的熱導流損失，提高集熱器的熱效率。

太陽能空氣集熱器的建築一體化套用

日本Solar Wall

在日本長野市川合新田的邸住宅樓，安裝使用太陽能空氣集熱器(又叫Solarwall)，並對其在冬天的運行效果進行了測試。測量結果顯示，太陽能空氣集熱器的出口溫度可達60℃，室中央溫度可達20℃，夜間室內溫度約15℃。從而得出，利用太陽能空氣集熱器系統進行節能，其效果是顯著的。

套用情況表明，太陽能空氣集熱器系統利用太陽輻射加熱空氣，對室內供暖，不產生二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體，據估計每台每年可減少200kgC02的產生，才當於60m2森林的吸收量，有效地保護了地球環境;預熱新風，為人們提供健康舒適白室內環境;在經濟上大大減少了供暖和空調的燃料費用，可用太陽能電池驅動，運行;
用幾乎為零:無需維護，使用壽命長。

德國窗系統的一體化

太陽能空氣集熱器在德國等歐洲國家被廣泛用於窗系統，稱為透氣窗(Air windowcollector)。透氣窗可集熱、採光、提供動態保溫、控制過熱和調節光強，套用於商業大樓、學校和住宅建築。
透氣窗由一對間隔式玻璃構成，外層玻璃和內層玻璃之間由空氣間層隔開，為得到更好的保溫和熱舒適性，外層玻璃和內層玻璃通常採用雙層玻璃。空氣間層內放置太陽能集熱板，集熱板可以是軟百葉簾(venetian blind)或太陽能吸熱滾動簾(solar absorbingroller blind)，循環路徑由設計和操作方式決定。

印度乾燥加工廠

印度的一所典型的乾燥加工廠，它充分利用太陽能空氣集熱器系統吸收太陽光為工廠或農場提供乾燥糧食所需的熱空氣。其優點有:與現有的屋頂條件相結合，無需額外的空間，同時太陽屋頂的底部也可作為加工區域和乾
燥區域;可與傳統的乾燥系統靈活的結合;可以控制所需的溫度來提高產品的質量;太陽能集熱板可防腐蝕，提高了系統的生命周期;除吹風機和節氣閥外，無可移動部件，避免裝置的磨損與破壞;成本低，回收期比其他同類系統減少2年以上:無需附加的維護，系統壽命長達20年以上。廣泛套用於香料及調味品的千燥，水果、蔬菜的脫水，藥草、菸草的乾燥，陶瓷、藥用植物的烘乾，土豆、腰果、穀類、蘑菇、茶葉、咖啡豆、海產品、皮革、木料乾燥，化學乾燥等等。

丹麥建築中的太陽能採暖通風系統

在丹麥的建築中，該太陽能採暖通風系統的使用數量達2000台以上。整個系統的開始運行和停止運行完全靠太陽自動控制，不需要公共電網供電，沒有運行成本，且不漏氣和無危害。風機高效廉價，將新鮮的熱空氣送入建築中，並使潮濕的有氣味的空氣排出。適合安裝在建築無遮擋的南向、東南向和西南向，可直接安裝或用支架固定。室內設有調節閥控制空氣流量，由一根特製的柔韌性強的管子連線。整個系統安裝簡便、運行簡單。