無蓋板滲透型太陽能空氣加熱器
熱效能的實驗研究
哈爾濱工業大學高立新王天成方修睦
摘要太陽能空氣加熱器具有啟動快，不存在防凍問題，結構簡單，成本低廉等獨特優勢，但傳統的太陽能空氣加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，因而嚴重制約了太陽能空氣加熱器在暖通空調系統中的應用，影響了太陽能空氣加熱器的建築一體化程序。，在不同工況下對其熱效能進行了比較分析。實驗結果表明，與傳統平板太陽能空氣加熱器相比，無蓋板滲透型太陽能空氣加熱器的熱效能有顯著提高。
除天氣原因導致太陽輻射不足的情況外，其瞬時熱效率均高於50%，平均熱效率為58％－72％。
關鍵詞滲透型太陽能空氣加熱器；熱效率；實驗研究
0 引言
世界各國的理論研究和實踐經驗表明，建築用能是節能潛力最大的領域，是節能工作的重點[1]。我國北方城鎮採暖能耗佔全國城鎮建築總能耗的40％，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汙染也相當嚴重。
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質量，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，太陽能空氣加熱器具有啟動快，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加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，因此嚴重制約了太陽能空氣加熱器的推廣應用[2]。
本文採用自行研製的無蓋板滲透型太陽能空氣加熱器[3]進行了戶外瞬態實驗,在不同工況下對其熱效能進行了研究,以期推動這一新型太陽能空氣加熱器在我國的應用。
1 實驗材料與裝置
無蓋板滲透型太陽能空氣加熱器又稱作太陽牆，太陽牆系統原理如圖1所示。該系統的核心是表面噴塗光譜選擇性塗層的波形多孔集熱板，集熱板豎直安裝在距建築外牆150mm－200mm處，與頂部的遮陽板和底部的密封板組成乙個封閉空腔（空氣夾層），即太陽牆系統的集熱子系統；設於室內的風管和風機組成太陽牆系統的空氣輸送子系統。太陽牆系統在冬季和夏季按不同模式執行，在冬季執行模式下，白天在太陽照射下集熱板表面溫度顯著高於室外溫度，在風機的抽吸作用下，空腔內處於負壓，溫度較低的室外新鮮空氣通過集熱板表面的小孔進入集熱板與外牆構成的封閉空腔內，並在這一過程中獲得集熱板已經吸收的太陽輻射熱而被加熱，達到設定溫度的空氣經空腔頂部由風管輸送到房間裡。
夜晚，牆體向外散失的熱量被空腔內的空氣吸收，相當於增加了牆體的熱阻，降低了室內熱負荷。在夏季執行模式下，風機停止執行並關閉空腔上部與室內相連的進風口。由於集熱板的遮擋，建築外牆不直接吸收太陽輻射熱，在熱壓作用下，空氣經集熱板表面的小孔進入空腔，被加熱的空氣不再送入室內，而是通過空腔頂部的夏季空氣出口排入大氣中，這樣就減少了建築外牆的太陽輻射得熱，降低了建築物的冷負荷。
圖1 太陽牆系統示意圖
圖2 集熱子系統圖3 空氣輸送子系統
本文對自行研製的集熱板熱效能進行了實驗研究，實驗所用集熱器由20塊多孔集熱板單元組合而成，安裝在位於樓頂的實驗室南外牆上，見圖2。圖3所示為設於室內的風管和風機。
實驗中主要測量量為風速和風向、太陽輻射強度、加熱器進出口溫度、集熱板表面溫度和空氣體積流量。風速和風向採用ec－1a測風感測器測量，太陽輻射強度採用tbq-2型總輻射表測量，溫度採用銅-康銅熱電偶測量並通過bes-ca匯流排式多路資料採集儀進行記錄和顯示，空氣體積流量採用畢託管測量。
2 實驗結果
2.1 加熱器進出口溫度
空氣經過加熱器後的溫公升是衡量太陽能空氣加熱器加熱能力的重要指標，在三種不同的風量下對系統的熱效能進行了研究，圖4－圖6給出了加熱器進出口溫度的實驗結果。其中，高、中、低檔風量分別為235m3/h、165m3/h和100m3/h。
實驗結果表明，在低檔風量下，空氣經過加熱器後的溫公升為14.54－32.55℃；在中檔風量下，空氣經過加熱器後的溫公升為3.
15－21.85℃；在高檔風量下，空氣經過加熱器後的溫公升為5.84－16.
27℃。中檔風量測試日天氣為晴有時多雲，若天氣晴朗，則溫公升幅度會高於實驗結果。可以看出，隨著系統風量的增加，溫公升幅度逐漸降低，其原因在於隨著風量的增加，雖然集熱板向周圍空氣散失的熱量減少，熱效率有所提高，但單位質量流量的被加熱空氣從集熱板得到的熱量卻減少了。
因此，空氣經過集熱板後的溫公升隨著系統風量的增加逐漸降低。
圖4 低檔風量下太陽能空氣加熱器的進出口溫度
圖5 中檔風量下太陽能空氣加熱器的進出口溫度
圖6 高檔風量下太陽能空氣加熱器的進出口溫度
2.2 加熱器瞬時熱效率
熱效率為單位時間內太陽能空氣加熱器實際獲得的有用能量與加熱器吸收的太陽輻射熱之比，是衡量太陽能空氣加熱器綜合性能優劣的重要引數。
單位時間內太陽能空氣加熱器實際獲得的有用能量為：
q u= m cp (to－ti) (1)
式中m—空氣的質量流量(kg/s)；
cp—空氣的比熱容(kj/(kg·℃))；
ti—加熱器進口空氣溫度(℃)；
to—加熱器出口空氣溫度(℃)。
加熱器瞬時熱效率為：
（2）式中——加熱器的有效集熱面積(m2)；
——瞬時太陽輻射強度(w/ m2)。
圖7－圖9給出了三檔風量下加熱器瞬時熱效率隨時間的變化。可以看出，除太陽輻射強度較低的中檔風量工況外，加熱器的瞬時熱效率均在50％以上。因此，實驗所用太陽能空氣加熱器的熱效能顯著高於傳統的平板太陽能空氣加熱器[4]。
從圖7－圖9還可以看到，瞬時熱效率的波動與太陽輻射強度的變化之間存在一定的延遲，這是由於空氣加熱器具有一定的熱滯後性所致。
圖7 低檔風量下太陽能空氣加熱器的瞬時熱效率
圖8 中檔風量下太陽能空氣加熱器的瞬時熱效率
圖9 高檔風量下太陽能空氣加熱器的瞬時熱效率
2.3 加熱器平均熱效率
在低檔、中檔和高檔風量下，空氣加熱器在整個執行時間內的平均熱效率分別為58％、63％和72％。可以看出，加熱器的平均熱效率隨風量的增加而逐漸公升高，其原因在於隨著通過加熱器風量的增加，加熱器表面溫度逐漸降低，同時室外風對加熱器的影響也逐漸減弱，使得太陽能空氣加熱器向室外環境的散熱減少，熱效率提高。
3 結論
本文對自行研製的無蓋板滲透型太陽能空氣加熱器的熱效能進行了戶外瞬態實驗研究，結果表明：除太陽輻射強度較低的中檔風量工況外，加熱器的瞬時熱效率均在50％以上。因此，實驗所用太陽能空氣加熱器的熱效能較傳統的平板太陽能空氣加熱器有明顯改善，同時這種新型太陽能空氣加熱器可直接作為建築外飾面材料，易於實現建築一體化，具有很高的應用價值。
4 致謝
本文得到了中國博士後**特別資助和黑龍江省博士後**(lbh-z07160)的資助。
參考文獻：
[1]清華大學建築節能研究中心. 中國建築節能年度發展研究報告2007. 北京：中國建築工業出版社，2007.
[2]葉巨集， 葛新石. 太陽空氣加熱系統漫談. 太陽能, 2003, 69: 13-14.
[3]r. peter, j. hollick.
method and apparatus for preheating ventilation air for a building. u. s.
patent no. 4899728, 1990.
[4]葉巨集，葛新石. 帶透明蜂窩的太陽空氣加熱器的實驗研究. 太陽能學報, 2003, 24（1）: 27-31.
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