文/陳佳 遼寧省建筑設(shè)計研究院 遼寧沈陽 110005

機(jī)械循環(huán)模式下太陽能空氣集熱器送風(fēng)溫度的計算研究

文/陳佳 遼寧省建筑設(shè)計研究院 遼寧沈陽 110005

采用太陽能空氣集熱器采暖系統(tǒng)的送風(fēng)口空氣溫度直接影響到室內(nèi)的采暖效果。本文通過對太陽能空氣集熱器在機(jī)械循環(huán)模式下的簡化模型進(jìn)行理論分析，得出其送風(fēng)溫度的計算公式，為實現(xiàn)對其運行的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

太陽能空氣集熱器；機(jī)械循環(huán)；簡化模型；送風(fēng)溫度計算公式

一、引言

國內(nèi)外對于太陽能空氣集熱器（后文簡稱為集熱器）的研究很多，但其關(guān)注點大多集中在自然循環(huán)模式下集熱器熱性能的影響因素以及集熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。然而，針對集熱器在機(jī)械循環(huán)模式下送風(fēng)口空氣溫度計算公式的研究卻并未見到。眾所周知送風(fēng)溫度的高低直接決定了室內(nèi)采暖效果的好壞。作者在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械循環(huán)相比自然循環(huán)，空氣循環(huán)速度更穩(wěn)定，熱輸送效果更優(yōu)越。然而當(dāng)空氣流速大于某個極限值以后，熱輸送效果反而會降低，于是研究中存在一個最佳質(zhì)量流率的概念。本文從這個切入點入手，通過建立的簡化模型，理論計算出送風(fēng)溫度的計算公式。

二、集熱器的結(jié)構(gòu)及溫度取樣點布置

作者設(shè)計了一臺壁掛式的太陽能空氣集熱器，其結(jié)構(gòu)主要包括鋼化玻璃蓋板，噴涂有黑色選擇性吸收涂層（吸收率>0.9，發(fā)射率約為0.45～0.5）的金屬集熱板、外包鐵皮的木質(zhì)背板（做好保溫措施）、兩臺串聯(lián)的循環(huán)風(fēng)機(jī)用以實現(xiàn)集熱器內(nèi)熱空氣的機(jī)械循環(huán)。為了實現(xiàn)混凝土樓板的蓄熱作用，

在送風(fēng)口室內(nèi)側(cè)設(shè)置了三通風(fēng)管，將部分熱空氣送入頂棚蓄熱層，并在兩個分支管內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)閥。集熱器的結(jié)構(gòu)及溫度取樣點布置如圖1所示。限于篇幅，本文中未討論頂棚蓄熱性能的相關(guān)內(nèi)容。

圖1　太陽能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)及溫度取樣點布置圖

三、集熱器的簡化模型及理論計算

前文中說明，背板已經(jīng)做好保溫措施，從背板向室外的散熱量很小，所以在理論分析中可以將背板外表面看作絕熱。假定集熱板為等溫體，自下而上對流換熱系數(shù)恒定。將集熱板和背板之間稱為內(nèi)間層、集熱板和玻璃蓋板之間稱為外間層，兩個間層相互不連通，空氣計算溫度不相同。建立集熱器理論計算的簡化模型如圖2所示。

圖2　集熱器簡化模型

可以看出，集熱板的熱過程包括其與內(nèi)外間層空氣的對流換熱，與背板內(nèi)表面以及與玻璃蓋板的輻射換熱，從而得出集熱器的供熱量由集熱板、背板內(nèi)表面與內(nèi)間層的空氣對流換熱提供。

根據(jù)以上的分析，建立內(nèi)外間層空氣和集熱板沿高度方向上的一維動態(tài)熱平衡方程如下：

式中， tf(x, τ)為內(nèi)間層高度x處的瞬時空氣溫度，tfp(τ)、tfp’(τ)分別為內(nèi)、外間層瞬時空氣平均溫度，℃；hp、hp‘分別為集熱板與內(nèi)、外間層空氣的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；m為空氣的質(zhì)量流率，kg/s；cp為空氣的比熱，取值為1005J/kg·℃；tp、tb、tg分別為集熱板表面溫度、背板和玻璃蓋板的內(nèi)表面溫度，℃；hb、hg為空氣與背板內(nèi)表面、玻璃蓋板內(nèi)表面對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hp-g、hp-b為集熱板與玻璃蓋板、背板的輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；α、β為集熱板的吸收率和玻璃蓋板的透射率，分別為 0.9、0.7226；G 為太陽輻射照度，W/m2；W為集熱板的寬度，m。

由于背板外表面可近似按照絕熱處理，則背板內(nèi)表面與內(nèi)間層空氣的對流換熱量等于集熱板與背板之間的輻射換熱量，有：

經(jīng)計算，集熱器外間層空氣的Grg處于105的量級，由文獻(xiàn)給出的有限空間自然對流換熱量的實驗關(guān)聯(lián)式，可得：

式中hpg為外間層的自然對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)，由公式(5)確定，

將公式(4)代入公式(2)，可得：

hp-g、hp-b由公式(7)、(8)[5]確定，

式中，σ=5.67×108 W/(m2·K4)；εp、εb、εg為集熱板、背板、玻璃蓋板的發(fā)射率,分別取0.96、0.9、0.94[7]；考慮到隨后的研究中可能涉及到開孔型集熱板的內(nèi)容，這里引入一個孔隙率θ的定義，本研究中采用實心型集熱板，故θ=1。

至此，已經(jīng)將公式(1) 、(2)中除hp以外的所有換熱系數(shù)用無因次數(shù)和一些容易測量點溫度的關(guān)聯(lián)式表示出來。于是可以將這些關(guān)聯(lián)式代入公式(1) 、(2)中進(jìn)行求解。

以集熱器下方入口處的空氣溫度 tr作為邊界條件，即tf(0, τ)=tr，解方程(1)得到內(nèi)間層瞬時空氣溫度分布以及瞬時平均溫度表達(dá)式(限于篇幅，本文中未列出復(fù)雜的推導(dǎo)過程)，如下：

式中，A=hp+hb，B=hptp+hbtb； L為集熱器入口與送風(fēng)口的中心距離。

最終，將x=L時的公式tf(L，τ)=f(tp、tr、tb、tg、m、G、L)定義為集熱器送風(fēng)口空氣溫度的計算公式。