盧漢宇，諾 桑*，盛 敏，王文雅，王萌萌，措加旺姆

(1. 西藏大學(xué)太陽(yáng)紫外線實(shí)驗(yàn)室，拉薩 850000；2. 西藏自治區(qū)能源研究示范中心，拉薩 850000)

0 引言

節(jié)能與環(huán)保是當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)，太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)是其中一個(gè)有待進(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)適用于建筑供暖、除濕、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域[1-2]。

太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)可直接應(yīng)用于建筑空調(diào)、建筑供暖等建筑節(jié)能領(lǐng)域[3-4]，無(wú)需二次轉(zhuǎn)換，其具有性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、初始投資低、無(wú)工質(zhì)泄露、工質(zhì)不凍結(jié)和運(yùn)行維護(hù)方便等諸多優(yōu)勢(shì)[5]。太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，原料均來(lái)自市售材料，成本低，已規(guī)?；可a(chǎn)，易在建筑供暖領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)與建筑一體化。

太陽(yáng)能空氣集熱器可安裝在斜坡屋頂、平屋頂或垂直墻面上，多個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器組裝后整體成為一個(gè)大型太陽(yáng)能空氣集熱器，僅有1 個(gè)進(jìn)風(fēng)口和1 個(gè)出風(fēng)口，安裝方便。國(guó)際上第1 個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器于1881 年由美國(guó)人研制，此后太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)及其應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展[6-9]，但相比利用液體(水、油等)的太陽(yáng)能集熱技術(shù)，太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)仍然處于落后狀態(tài)。

目前，以空氣為熱傳播介質(zhì)的太陽(yáng)能集熱技術(shù)及其應(yīng)用在西藏自治區(qū)(下文簡(jiǎn)稱為“西藏”)較為罕見(jiàn)，但西藏的太陽(yáng)能資源非常豐富[10-12]，是中國(guó)太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的地區(qū)，其比同緯度的平原地區(qū)的太陽(yáng)輻射量高出1 倍左右，日照時(shí)長(zhǎng)也是全國(guó)之最，豐富的太陽(yáng)能資源使太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)非常適用于西藏等高寒地區(qū)的建筑供暖、除濕、農(nóng)產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域，因此，研究和開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能空氣集熱技術(shù)和產(chǎn)品具有重要現(xiàn)實(shí)意義和必要性。本文針對(duì)西藏得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)和太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)，為建筑供暖研發(fā)設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能空氣集熱器，并制造了該太陽(yáng)能空氣集熱器樣機(jī)，然后在拉薩市自然太陽(yáng)光條件下對(duì)其集熱性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 太陽(yáng)能空氣集熱器的設(shè)計(jì)與工作原理

本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)主要由覆蓋于表面的透光材質(zhì)的陽(yáng)光板(聚碳酸酯)，內(nèi)部的金屬絲網(wǎng)格、內(nèi)部的空氣隔板，不銹鋼邊框、背板組成的集熱腔金屬外殼，以及保溫層等部件組成。其中，金屬絲網(wǎng)格、空氣隔板和背板均為吸收陽(yáng)光的部件，涂覆黑色涂料以增強(qiáng)吸收陽(yáng)光效率。

該太陽(yáng)能空氣集熱器的長(zhǎng)為2000 mm、寬為940 mm、高為124 mm，進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的直徑均約為10 cm；集熱器內(nèi)部體積被空氣隔板分成相等的4 個(gè)集熱腔，4 個(gè)集熱腔內(nèi)部均安裝了金屬絲網(wǎng)格。本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的三維設(shè)計(jì)模型如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2 所示。

圖1 本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的三維設(shè)計(jì)模型Fig. 1 3D design model of solar air collector studied and designed in this paper

圖2 本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理Fig. 2 Structure and working principle of solar air collector studied and designed in this paper

該太陽(yáng)能空氣集熱器的工作原理為：冷空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入(由太陽(yáng)電池作為風(fēng)機(jī)工作電源，使風(fēng)機(jī)工作，產(chǎn)生動(dòng)力推動(dòng)空氣)太陽(yáng)能空氣集熱器，空氣逐步進(jìn)入集熱器內(nèi)部的4 個(gè)集熱腔中，流動(dòng)方向如圖2 中虛線所示；每個(gè)集熱腔的空氣進(jìn)、出口(外側(cè)進(jìn)、出風(fēng)口均為圓形孔，內(nèi)部4個(gè)集熱腔之間的進(jìn)、出風(fēng)口均為方形孔)位置設(shè)計(jì)成斜對(duì)稱位置，從而增加空氣在太陽(yáng)能空氣集熱器中的流動(dòng)距離；在每個(gè)集熱腔中逐步獲得熱能(通過(guò)與接收太陽(yáng)輻射的集熱腔金屬碰撞來(lái)獲得熱能)，最終從太陽(yáng)能空氣集熱器的出風(fēng)口排出。

本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的特點(diǎn)是：1)內(nèi)部采用空氣隔板分成了4 個(gè)集熱腔，使集熱器內(nèi)空氣的溫度一腔一腔地逐步提升。為了增加空氣與熱傳導(dǎo)體的接觸面積，每個(gè)集熱腔內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝了1 片傾斜放置的金屬絲網(wǎng)格，以提高太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率，金屬絲網(wǎng)格與氣體流向形成斜度(1:17.09)。金屬絲網(wǎng)格吸收太陽(yáng)輻射被加熱，使金屬絲網(wǎng)格的溫度升高，空氣通過(guò)對(duì)流穿過(guò)金屬絲網(wǎng)格后被加熱，從而增加太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率。2)增加了風(fēng)機(jī)，以太陽(yáng)電池作為風(fēng)機(jī)工作電源，風(fēng)機(jī)工作產(chǎn)生動(dòng)力推動(dòng)空氣，加速了集熱腔熱空氣的產(chǎn)出。

2 太陽(yáng)能空氣集熱器的設(shè)計(jì)與制作

2.1 材料選用

從集熱器蓋板、吸熱板、吸熱涂層、空氣推進(jìn)機(jī)4 個(gè)方面介紹本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的材料選用情況。

2.1.1 集熱器蓋板

太陽(yáng)能空氣集熱器的蓋板(透光板)選用凱力龍科技有限公司生產(chǎn)的聚碳酸酯陽(yáng)光板，使用壽命達(dá)15 年以上，具有抗紫外線涂層，屬于高透光率的陽(yáng)光板，其理論透光率高達(dá)89.00%。

在西藏拉薩市太陽(yáng)光下首次測(cè)試了該種聚碳酸酯陽(yáng)光板的透光特性光譜特征，測(cè)試使用兩臺(tái)同型號(hào)儀器同時(shí)、同地進(jìn)行，其中一臺(tái)不做遮蓋，另一臺(tái)在測(cè)試窗口上方放置聚碳酸酯陽(yáng)光板，測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。圖中：高位的光譜(紅色曲線)為未透過(guò)陽(yáng)光板的光譜，低位的光譜(藍(lán)色曲線)為透過(guò)陽(yáng)光板的光譜。

圖3 聚碳酸酯陽(yáng)光板的透光特性光譜特征Fig. 3 Spectral characteristics of light transmission characteristics of polycarbonate sunlight board

從圖3 可以看出：該種聚碳酸酯陽(yáng)光板除了對(duì)短波(300～400 nm 的紫外線)的吸收較強(qiáng)外，對(duì)其他主要光譜(可見(jiàn)光和紅外光)都有很好的透光效果。測(cè)試結(jié)果表明：該種聚碳酸酯陽(yáng)光板的實(shí)際全波段透光率平均值達(dá)到84.97%，比廠家給出的理論透光率約小4.03%，而一般玻璃的透光率為73.00%～85.00%。

除透光率較高以外，該種聚碳酸酯陽(yáng)光板的其他優(yōu)點(diǎn)還包括：相同厚度的情況下，聚碳酸酯陽(yáng)光板的質(zhì)量只有玻璃的一半，而抗撞擊能力是玻璃的250～300 倍。主要缺點(diǎn)包括：熱脹冷縮較嚴(yán)重，需要預(yù)留3%的膨脹空間；密封時(shí)需要使用膠條。

2.1.2 吸熱板

本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器中，不銹鋼邊框、空氣隔板、背板和金屬絲網(wǎng)格都屬于吸收陽(yáng)光的吸熱板。其中，不銹鋼邊框、空氣隔板、背板均采用厚度為1.2 mm 的不銹鋼板制作。不銹鋼的太陽(yáng)吸收比為0.63～0.86，發(fā)射比為0.23～0.28，在各類金屬之中排名靠前；且不銹鋼的耐性較好，比鐵更難生銹，可以經(jīng)受風(fēng)吹日曬，使用壽命長(zhǎng)。

2.1.3 吸熱涂層

為了增加吸熱板對(duì)太陽(yáng)光的吸收效率，本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器在吸熱板表面噴涂了一般家用黑色噴漆，同時(shí)也可起到防銹的作用。

世界上最黑的涂料為碳納米管黑體，由英國(guó)Surrey NanoSystems 公司研發(fā)，該涂料能夠吸收99.96%以上的光能。本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器采用市面上一般家用黑色噴漆，即平恒牌39 號(hào)黑色噴漆，該噴漆的優(yōu)點(diǎn)是附著力強(qiáng)、不易脫落；涂層吸光率與涂層厚度相關(guān)，經(jīng)過(guò)幾次噴涂后，采用平恒牌39 號(hào)黑色噴漆的涂層可以達(dá)到90%的吸光率，吸光率較高。

2.1.4 空氣推進(jìn)機(jī)

外面環(huán)境的冷空氣需要推入到太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱腔中，并使其在集熱腔中充分流動(dòng)以獲得熱能。本設(shè)計(jì)采用功率為40 W 的風(fēng)機(jī)，工作電壓為220 V(可以使用太陽(yáng)能供電，也可使用市電供電)，靜壓為190 Pa，風(fēng)量為150 m3/h，可以產(chǎn)生足夠強(qiáng)的熱風(fēng)。

2.2 部件組裝

首先根據(jù)太陽(yáng)能空氣集熱器的三維設(shè)計(jì)模型(見(jiàn)圖1)、太陽(yáng)能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)與工作原理(見(jiàn)圖2)，焊接組裝太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱腔金屬外殼吸熱部件，包括進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口；然后把做好的集熱腔金屬外殼內(nèi)部用39 號(hào)黑色噴漆均勻的噴涂3 次，包括內(nèi)部側(cè)面；最后用密封膠條將作為太陽(yáng)能空氣集熱器蓋板的陽(yáng)光板密封固定在集熱腔金屬外殼上方，組裝完成。本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的組裝過(guò)程如圖4 所示，最終成品圖如圖5 所示。

圖4 本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的組裝過(guò)程Fig. 4 Assembly process of solar air collector studied and designed in this paper

圖5 本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器成品圖Fig. 5 Finished product photo of solar air collector studied and designed in this paper

3 太陽(yáng)能空氣集熱器的測(cè)試

太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率是評(píng)價(jià)該設(shè)備性能的主要參數(shù)，影響集熱效率的主要因素包括：蓋板的透光率，以及吸熱板材料、涂層材料、保溫材料的性能。

太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率η是指太陽(yáng)能空氣集熱器產(chǎn)生的熱量Q與照在太陽(yáng)能空氣集熱器上的太陽(yáng)總輻射功率QS的百分比，其計(jì)算式可表示為：

式中：m為太陽(yáng)能空氣集熱器的空氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱，J/(kg·K)，本文取1005；ΔT為太陽(yáng)能空氣集熱器出風(fēng)口空氣溫度與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度之間的差值，K。

太陽(yáng)能空氣集熱器的空氣質(zhì)量流量的計(jì)算式可表示為：

式中：v為太陽(yáng)能空氣集熱器中的空氣平均流速，m/s；S為1 個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器的有效橫截面面積，m2；ρ為空氣密度，kg/m3，在標(biāo)準(zhǔn)條件(0 ℃，1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)下取1.29，拉薩市的空氣密度為0.767 kg/m3。

太陽(yáng)能空氣集熱器出風(fēng)口空氣溫度T2與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度T1之間的差值計(jì)算式為：

根據(jù)式(1)，在照在太陽(yáng)能空氣集熱器上的太陽(yáng)總輻射功率和太陽(yáng)能空氣集熱器的空氣質(zhì)量流量一定的條件下，集熱效率只與出風(fēng)口空氣溫度和進(jìn)風(fēng)口空氣溫度之間的差值成正比，因此，出風(fēng)口空氣溫度與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度之間的差值越大，集熱效率越高。而太陽(yáng)能空氣集熱器的出風(fēng)口空氣溫度與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度之間的差值除了與集熱器結(jié)構(gòu)、材料和密封程度相關(guān)外，最關(guān)鍵的影響因素是照在陽(yáng)光板上的太陽(yáng)輻照度，沒(méi)有太陽(yáng)輻射就沒(méi)有集熱可言。

制作本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器樣機(jī)，然后在西藏大學(xué)進(jìn)行了自然太陽(yáng)光下的集熱性能測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。

圖6 本文研究設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig. 6 Test site of heat collection performance of solar air collector studied and designed in this paper

測(cè)試時(shí)使用風(fēng)量為150 m3/h 的風(fēng)機(jī)；采用荷蘭Kipp & Zonen 公司生產(chǎn)的CMP-11 型總輻射儀測(cè)量太陽(yáng)輻照度，測(cè)量的波長(zhǎng)范圍為285～2800 nm。CMP-11 型總輻射儀安裝在太陽(yáng)能空氣集熱器的一角，其與太陽(yáng)能空氣集熱器均正朝向太陽(yáng)。

測(cè)試時(shí)間為北京時(shí)間2022 年6 月2 日10:25～18:55，該時(shí)間段包括了拉薩當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)刻13:56。測(cè)試當(dāng)天，天氣情況為晴天和離散少云；環(huán)境溫度為20～30 ℃，日均溫度為22.45 ℃；該地的太陽(yáng)輻照度為161.8～1588.0 W/m2，均值為1316.3 W/m2。在此條件下，以太陽(yáng)能空氣集熱器采用跟蹤太陽(yáng)的模式(即根據(jù)太陽(yáng)位置，人為手動(dòng)頻繁調(diào)整太陽(yáng)能空氣集熱器的擺放角度)測(cè)試其集熱性能。

太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能測(cè)試結(jié)果Fig. 7 Test results of heat collection performance of solar air collector

從圖7 可以看出：測(cè)試當(dāng)天，太陽(yáng)能空氣集熱器的進(jìn)風(fēng)口空氣溫度(即環(huán)境溫度)約在20～30 ℃之間，平均值為22.45 ℃；出風(fēng)口空氣溫度約達(dá)到51～85 ℃，平均值達(dá)到68.00 ℃；則太陽(yáng)能空氣集熱器出風(fēng)口空氣溫度均值與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度均值之間的差值約為46.00 ℃。太陽(yáng)能空氣集熱器加熱的空氣最高溫度約達(dá)到85 ℃，已接近拉薩地區(qū)水的沸點(diǎn)(約為86 ℃)，說(shuō)明該太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱效率非常高。

在正常運(yùn)行時(shí)，由于太陽(yáng)能空氣集熱器被嚴(yán)格密封，其送出熱氣的風(fēng)量與風(fēng)機(jī)風(fēng)量相同，可達(dá)到150 m3/h。由于風(fēng)量為風(fēng)道的有效橫截面面積和風(fēng)速的乘積，因此太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速可達(dá)到5.31 m/s。當(dāng)太陽(yáng)能空氣集熱器出風(fēng)口空氣溫度與進(jìn)風(fēng)口空氣溫度之間的最大差值約為60 ℃(17:20 時(shí))，此時(shí)照射在集熱器上的太陽(yáng)輻照度為1522 W/m2、風(fēng)量為150 m3/h，根據(jù)式(1)，可計(jì)算出太陽(yáng)能空氣集熱器的最高集熱效率達(dá)到了89%。而一般平板太陽(yáng)能集熱器在低海拔、自然太陽(yáng)光條件下測(cè)試得到的集熱效率在55%以下[13]。

從圖7 還可以看出：測(cè)試當(dāng)天的環(huán)境溫度基本穩(wěn)定在20～30 ℃之間，太陽(yáng)能空氣集熱器出風(fēng)口空氣溫度隨太陽(yáng)輻照度幾乎同步協(xié)調(diào)變化，具有很強(qiáng)的相關(guān)性和一致性。實(shí)際上，測(cè)試期間太陽(yáng)能空氣集熱器并未做保溫措施，如果采取了保溫措施，這種高度一致性的呈現(xiàn)時(shí)間將會(huì)延后，太陽(yáng)能空氣集熱器的出風(fēng)口空氣溫度不會(huì)迅速隨著太陽(yáng)輻照度的變化而變化，可以改善太陽(yáng)能空氣集熱器輸送熱氣的持續(xù)性。由于西藏陽(yáng)光直射時(shí)吸熱板的溫度會(huì)超過(guò)200 ℃，因此太陽(yáng)能空氣集熱器的保溫措施需要考慮耐高溫的保溫材料。

需要說(shuō)明的是，本次測(cè)試只針對(duì)單個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行了集熱性能測(cè)試，未對(duì)串聯(lián)在一起的太陽(yáng)能空氣集熱器陣列進(jìn)行集熱性能測(cè)試。而在實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)后太陽(yáng)能空氣集熱器陣列的集熱效率是否為單個(gè)太陽(yáng)能空氣集熱器集熱效率的疊加還需要進(jìn)一步研究。另外，在研制和測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該太陽(yáng)能空氣集熱器的密封性存在一定問(wèn)題，主要表現(xiàn)在陽(yáng)光板和不銹鋼邊框之間的密封性方面，由于不銹鋼板和陽(yáng)光板的熱脹冷縮系數(shù)不同，導(dǎo)致局部接口出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)西藏得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)和太陽(yáng)能資源優(yōu)勢(shì)，為建筑供暖研發(fā)設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能空氣集熱器，并制造了該太陽(yáng)能空氣集熱器樣機(jī)，然后首次在拉薩市自然太陽(yáng)光下對(duì)其集熱性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：在拉薩市太陽(yáng)輻射條件下，環(huán)境溫度為20～30 ℃時(shí)，該太陽(yáng)能空氣集熱器采用跟蹤太陽(yáng)模式，可產(chǎn)出溫度在51～85 ℃之間、風(fēng)量為150 m3/h 的熱空氣，集熱效率非常高。

但該太陽(yáng)能空氣集熱器的密封性存在一定問(wèn)題，由于不銹鋼板和陽(yáng)光板的熱脹冷縮系數(shù)不同，導(dǎo)致陽(yáng)光板和不銹鋼邊框之間局部接口出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。另外，由于西藏陽(yáng)光直射時(shí)吸熱板的溫度會(huì)超過(guò)200 ℃，因此太陽(yáng)能空氣集熱器的保溫措施需要考慮耐高溫的保溫材料。