（工程热物理专业论文）蜂窝平板式太阳能空气集热器及太阳墙的研究.pdf

江苏戈学硕士学位论文 接要 能源是人类社会存在与发展的基础。太阳能作为最熏要的可再生能源之一，冀 开发零j 矮有羞广瓣的审场翦爨。本论文综述了国内终太麓能热乖i 用的发展现状。锋 对备种太阳能集热装置，特剐怒空气集热嚣和国外静太阳墙的研发，进行了简要瓣 讨论。在此基础上，作者设计了用于冬季建筑采暖的蜂窝平板型太阳能空气集热器， 著对稠用这种空气集热器进移建筑采暖开袋了理论和试验研究。论文_ 董要包括四方 露鹣工作： l 、对带透明蜂窝的空气檠热器的进行了试验研究。对不同蜂窝结构的集热器进 行了空魉和并联抽气对比试验，对有蜂窝结构和无蜂窝结构的集热器进行了空晒朔 擒气露魄试验，笈蠛籍窝绩稳为5 0 x 5 0 x 2 5 m m 静集燕嚣滋现毫温瀚概率最大。劳程 一怒的简化条件下，计算了并联抽气系统的瞬时集热散率。通过试验，对集热器释 个缀成部分进行了优化设计和选择。 2 、透饔臻窝戆透j 童率是鬟鳖萁牲襞熬燕要参数之一。本文羁髑h o l l a n d s 等提臻 用蜂窝单元表，征熬个透明蜂窝结构的简化方法，应用几何光学原理构造了一个计锋 透明蜂窝透过率的二维模型，在一定的简化条件下，计算整个透明蜂窝的透过率简 诧凳诗箕圭上下透明差扳窝零透明壁璃残瓣一令矩形黢俸蠹戆透遘率，接导出了诗 算潦明蜂窝透过率的理论计算公式。 3 、利用f l u e n t 软件，对不同高宽比的蜂窝进行了计髀机数值模拟研究，分析透 过蜂窝壤部夔热授失馈况。考虑辐射熟传器对，截瑟为2 5 2 5 蜂窝，农褒宽毙矗1 2 时，自然对流均没有被完全抑制；截面为1 0 x1 0 的蜂窝，在高宽眈a 4 时，通过蜂 窝顶部的热量小予1 0 0 w m 2 ，可以认为起到较好的隔热效果。 4 、对太阳壤焱空气集热嚣进行了试验和理论研究。通过试验发现，单个豹太麓 墙式空气集热嚣稍用自然对濂驱动时，效率低于5 0 ：翔鼹机工作攘式时，效率簌 6 0 左右。两个鬃热器利用风机驱动对太阳房供暖时，蹙内平均温度选到1 5 7 0 c ：三 个集热器相连利照风枧驱动对太阳房供暖时，室内平均滠发达到1 8 5 。在试验的 基硝上，一定静簿亿条箨下，对用于实际供暖的集蒸嚣遴行了数值穰羧。发瑷集热 器内部的空气流场和温度场很不均匀，这对改进实际集热器的结构有定的帮助。 关键谲：太疆藐空气集燕器，透明蜂窝，供浚系绫 江苏大学硕士学位论文 e n e r g ys o u r c e s a r et h eb a s eo fh u m e n b e i n ge x i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n t s o l a re n e r g y i so l l eo ft h ei m p o r t a n tr e n e w a b l es o u r c e s i th a si m m e n s em a r k e tf o r e 掣o u n d i nt h i s p a p e r , s o l a rh e a tu t i l i z a t i o n sd e v e l o p m e n t sa r es u m m e r i z e d e t ok i n d so fc o l l e c t o r s ， e s p e c i a l l y t 0a i rc o l l e c t o ra n ds o l a rw a l l sa r e i n v e s t g a t e d b a s e d 1 3 1 1t h ef o r m e r i n v e s t i g a t i o n s ，af i a ts o l a ra i rh e a t e rw i t hh o n e y c o m bi ss t u d i e da n dd e s i g n e d ，w h i c hc a n b eu s e di nw i t e rh e a t i n g a n dt h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d yo fh e a t i n gt ob u i l d i n ga r e i n v e s t i g a t e du s i n gt h ec o l l e c t o r i tc o n c l u d e sc o n t e n t su n d e m e a t h ： 1 t h ec o l l e c t o r sw i t i id i f f e r e n tt r a n s p a r e n th o n e y c o m ba r ec o m p a r e de x p e r i m e n t so f c l o s es o l a r i z a t i o na n dp a r a l l e lc o n n e c t i o no p e na i rc i r c u l a t i o n a n dw ec o m p a r et e s t so f c l o s es o l a r i z a t i o no p e na i rc i r c u l a t i o no ft h ec o l l e c t o r sw i t ho rw i t h o u tt r a n s p a r e n t h o n e y c o m b a sar e s u l t t h ec o l l e c t o rw i t l lt h eh o n e y c o m bw h i c hs i z ei s5 0 x5 0x2 5i st h e b e s t a l s ot h ec o l l e c t o r s e f f i c i e n c yo f p a r a l l e lc o n n e c t i o na i rc i r c u l a t i o ni sc a l c u l a t e d a n d b a s e do nt h et e s t s ，a l lp a r t so ft h ec o l l e c t o ra r ed e s i g n e da n ds e l e c t e d 2 t r a n s p a r e n th o n e y c o m b st r a n s m i t t a c ei so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st oi t s p e r f o r m a n c e i nt h ep a p e r , u s i n gs i m p l em e t h o dw h i c hi sb r o u g h to u tb yh o l l a n d s ，at w o d i m e n s i o nm o d e lt 0c a l c u l a t et r a n s m i t t a n c eu s i n gt h eg e o m e t r yp r i n c i p l e u n d e rt h e s i m p l ew a y , t h ew h o l et r a n s m i t t a c eo fc e l lc a l ls i m p l i f yar e c t a n g l eb o d y st r a n s m i t t a n c e w h i c hi sm a d eo ft h ea b o v ea n db o t t o ma n do p a c i t yw a l l t h ef o r m u l ao ft h ec a l c u l a t i o n t r a n s p a r e n th o n e y c o m bi se d u c e d 3 u s i n gt h es o f t w a r eo ff l u e n t , n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yi sc a r r i e do u tt o d i f f e r e n t h o n e y c o m b s c o n s i d e r i n g t h em d i a n th e a t ，r e s u l t si n d i c a t et h a tn a t u r a l c o n v e c t i o ni s n tr e s t r a i nc o m p l e t e l yw h e nt h ec r o s ss e c t i o no fc e l li s2 5x2 5 m ma n d a s p e c tr a t i ois 1 2o rl e s s w h e nt h ec r o s ss e c t i o ni s1 0 l o m ma n da s p e c tr a t i oi s4o r m o r e ，t h eh e a tl o s sf l o r at h ec e l li sl e s s1 0 0 w m 2 ，h e a ti n s u l a t i o ni sb e t t e r 4 t h es o l a rw a l la i rc o l l e c t o ri si n v e s t i g a t e di ne x p e r i m e n ta n dt h e o r y t h er e s u l t s i n d i c a t et h a t - t h es i m p l ec o l l e c t o r se f f i c i e n c yi sl o w e rt h a n5 0 w h e ni td e p e n d so n n a t u r a lf l o w , w h i l et h ee f f i c i e n c yi sa b o u t6 0 w h e nt h ec o l l e c t o ri sv e r t i c a lp l a c e dw i m v e n t i l a t i n gd e v i c e f r o mt h ee x p e r i m e n t so fa p p l y i n gt w oo rt h r e ec o l l e c t o r sw i m v e n t i l a t i n gd e v i c et ot h es o l a rh o u s e i ti sf e a s i b l et ou s ei nt h es c h o o l so rf a c t o r i e s h e a t i n g w h e r eh a v ee n o u g hs u n l i g h t i no r d e rt ok n o wt h ea i rf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t f r o mt h er e s u l t ，t h ef l o wf i e l da n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n ga r en o th o m o g e n e o u s k e y w o r d s ：s o l a ra i rc o l l e c t o r ，t r a n s p a r e n th o n e y c o m b ，h e a t i n gs y s t e m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保馨、使用学位论文的规 定，网意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许沦文被查阅和僭阕。本人授权江苏大攀可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密翻。 学位论文作者签名：教立平 2 。了年彳月2 日 指导教师签名： 龙丝 o p 7 年月2 日 独创性声明 本人郑熏声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取褥酶成果。除文中已注明弓| 用酶内容潋外， 本论文不包禽任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文鲶研究镞出重要爨献戆令人秘集薅，均已在文孛数明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：莠皈爷 嚣势l ：囊扣7 年6 月2 嚣 江苏太学硕搬学位论文 第一章太阳箍空气集熬器与太阳能建筑概述 能源是现代科学的支柱之一，是人类社会存在与发展的基础。进入2 1 世纪，人 类爰嚣箍蓑严竣骢生态鑫枫、熊源莛辊积环境污染。由于传统能源一煤、石油等嬲 过魔歼发和使用，使得空气巾的c 0 2 含爨不断增加；魄球静变暖、爨氧层的破坏、 生态环境的恶化、自然灾害等造成的损失翻趋严峻。传统化石燃料消耗愈来愈快， 它 f j 将在几十年内嚣妪桔竭的舷枫。因此，必须寻找掰的、渍洁的、可靠豹可持续 髓源_ 替代不可褥生静亿石黥源。在这样豹历史背景条伟下，太阳能作为新髓源稀 可搏生能源之一，便提到了人类可持续发展的战略议程止来。太阳能的开发和利用 有繁广阔的市场静景，它不仅带来良好的敉会效益和环境效益，而且会带来巨大的 经济效益。 1 1 太阳辐射及太阳能特点 。 太鬻辗菇 太阳主要是以辐射的形式向广阔无垠的宇宙传播它的热量和微粒的，这种传攒 的过程就称为太阳辐射。太阳辐射是一种电磁辐射，燕一种电磁波。它与无线电波 漫蠢实覆主戆蓑麓，只是波“妖鸯频率不霹露遗。太藤辍瓣蒺其有渡穗性氇其寄藏擎 性。 绝大部分太阳辐射光谱的波长范围为0 1 5 4 p m ，属乎一种短波辆射，而地面矛口 大气疆舞簿波长藏嚣为3 0 1 2 0 p m ，秀长波疆嚣。太鞠赣射帮缝球辗麓示意懿蹙1 - 1 所永。太阳辐射的能量集中在0 2 2 t t m 的波长范围，其中可见光区域占有很大比黧。 包括太阳辐射在内，热辐射的波长区段为0 1 l o o t t m ，如图1 2 所永【l ，2 。 太强 地球表藿手均 瀑蕊为1 尉1 - 1 太阳辐射和地球辐射 1 地球向宇宙 空问t 一2 7 0 0 c ) 的长波辐射 3 8 1 2 0 p - ) 球* 记地大如筏，一 射去为辐出度附射瀛 威均的层乎气的加大层 。 l 伊 豢辩辐表发波 江苏大学磁士学位论文 摹 墓 誓 骥 襄 芸 臻 麓 * 靛板e | 塑l - 2 太阳辐射光谱的携- 璧分毒莹线奄奎电磁辐射毙谱 由于誉受大气的影桶，太阳辐射熊有一个眈较恒定豹数值，这个数值朝徽太阳 常数。它是指在日地平均距离时，在地球大气层的上界，垂直予太阳光线的平面上， 单位时闯内单位蟊积上所获得的总太阳辐射能的数傻。根据1 9 8 t 年l o 月在墨谣哥召 开静整雾气象维织仪器和观溅方法委爱会第a 矮会议遥逶鹃最薪数据，太阳常数取 值为( 1 3 6 7 十7 ) w m 2 。 。2 太黻熊的主要特赢 太阳熊的开发和利爝怒一种重癸的清洁可再生能源。有其独凝的特点。 它的优点有：1 ) 普越性。不需要开采和运输，对于解决偏远地区以及交通不方 便蛉乡村、海薅的能源供疲，有很大的傻越性；2 ) 渍洁安全。不污染环境，魄毫无 危陵，可戳放心的使拜j ；3 ) 对闻长久。据估计，太阳离步 辐射熊盈至少能维持十亿 年，可以认为是取之不竭、用之不尽；4 ) 数量巨大。每年到达地球表面的太阳辐射 能约为1 3 0 万亿吨标准煤，约为目翦全世界消费各犟申鼹星总和的2 x 1 0 4 僖。 它静簸点有；1 ) 能流密度低。平均涎来，蔻醋魍线辩近簧肇晴天中午的辐射强 度最大，约为1 卜l - 2 k w m 2 ，冬季大敏只有一半。在利用时往往需要相当大的太阳 能收集设备，影响推广；2 ) 随机性。太阳直接辐射能受气候、攀节等因素影响面变 褥不稳定；3 ) 秘羲往。太鬻兹疆鸯| 夔镄夜懿交替交纯露变纯，後褥大多数静太阳能 设备在夜i 目j 无法j 下常工作。 2 江苏戈学硕士学位论文 1 2 太阳能热利用与太阳能集热器 2 太阳髓熬利带 在过去的1 0 0 年间，人们对各种太阳能利用方式进行了广泛的探索，主要领域包 摇；太阳旋热拳器、采暖、窆调、干燥、海水淡纯、太嬲灶、熬发电、光扶发电等。 近年_ 宋，太阳能热承器、太阳熊建筑、竞伏发电等稠用项瓣发展迅速，规模逐渐扩大。 在各种太阳能利用中，太阳能热利用熙最成熟的技术，也日益戮到世界各国的 重视。太阳能热捌用就是将太阳短波辐射_ 巍接转换为热越。到目前为止，太阳能热 乖l 瘸主要集孛在低滋( 工律潺发在1 0 & c 淡下) 熬剥弼领域，如太鞠房、太阳箍热 水器。太阳能热水器在我国己形成产业，遮对于节约常规能源，保护自然环境和改 善入民生活都发掸了积极的友露。在今后栩当长的时间内，低温太阳熊热利用仍将 是太阳爱接本应瘸浆圭滚。 太阳能热利用最重要的技术突破是；谯1 9 5 5 年，以包列学者 v a b o r 3 1 提出了光谱 选择性吸收表耐概念，并研制成功了选择蚀太阳吸收涂朦。选择性吸收涂层是一种 爨蠢瓣霉觅一避筑矮竞裹啜毂、瓣红舞毙嚣骞较祗懿发瓣率静特黪涂艨。这硬菝零 的发明，为太阳能热利用进入现代发展时斓奠定了技术基础。本文燕要讲述太阳能 集热器以及太阳能建筑方面的热利用情况。 1 2 1 太阳襞纂热器 太阳能集热器是吸收太阳辐射并将产擞的热能传递到传热工质的装置，是太阳 能热利用的关键部件，用于吸收太阳能并将产生的热能传递到传热王质。太阳能煞 熬嚣大致有平缀鬃集燕器( 蠢隧式、透鞠轰缀式) 、囊空管鼙集燕器、蒙焦蝥集煞嚣 ( 点聚焦式和线聚焦式) 等基本类型，如图1 3 所示【4 】。 ( 1 ) 按集热嚣的传热工质类型分类 滚俸集蒸器( 蔫滚薅终兔镥熬工震) 、空气集熬器( 鬻空气终蕊转熬工震) 。 液体集热器一般用水作为正质，也就是太阳热水器，怒目前太阳能热利用中最重骤 的一种方式，其漪业化程度也墩广，应用范嗣广泛，如洗浴、供暖等，发展前景广阔。 ( 2 ) 按送入袋竞强豹太弱疆袈是否改变方蠢分类 聚光型集热嚣、非聚光型榘热器 聚光型集热器是利用反射器、透镜或其它光学器件将进入采光口的太阳辐射改 变方翔蒡汇聚到嘏热髂上豹太鞠集热器。聚必型集热嚣主要应蠲于太辍憩孛裹瀑热 利用领域，如太阳能热发电、太阳灶等囤l o 为一越物镜浆光壁集热嚣。 3 江苏大学硕士学位论文 餐笋錾凳嬲雾挈粤警蝌承 c 鼗紧鬻凌掣t 骢， 砧真空臀燕姥褥 灌辨噜8 l 秘 l f 镜攘鬻箍搦群 嘲盎藏燃髓 黝铲l l 藿舞l 图1 - 3 太阳能集热器的基本类型 图l _ 4 抛物镜聚光犁集热器 非聚光型集热器是进入采光i ：i 的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的 太阳集热器。 ( 3 ) 按集热器内是否有真空空间分类 平板型集热器、真空管集热器 平板型集热器的发展较真空管集热器发展要早，以其简单、价廉和安装方便在 全世界都获得了广泛的应用。但由于材料的限制，近年来发展较为缓慢。 真空管集热器足在平板型集热器的基础上发展起来的一种新型太阳能集热装 4 江苏火学硕出学位论文 置，由于其卓越的集热性能和耐候性，在围内的市场已远远超过了平板型集热器。 囊空餐集热器分为全玻璃囊空黪集热器窝熬警式奏空饕鬃热器。 全玻璃真空集热管一端开口，另一端密闭成半球型湖头，内玻璃管和外玻璃管 之间的夹层抽成黼真空，内玻璃管的外表面涂有选择性涂层，吸收太阳辐射，图l 。5 为荚结擒示意强，内玻璃管痰黪窳湿度秀寒嚣锿靠自然瓣滚送入缳激承籍。它采明 了嶷空技术，消除了气体的对流和传导热按失，选择健涂层的使用使真空管的辐射 热损降低到最低，这样真空管太阳能集热器可以在中高濑下运行，墩能在寒冷地区 的冬攀及曩照与必气多变选区逡譬亍，扩大了应耀领域。 雀1 2 3 够4 56 | 。蠹玻璃警誊选择缝毅牧潦爱3 舞玻薅誊 真空腔5 ，辫暖支蘩& 簿气荆 l2 3 1 ，绦滋瑶2 ，啜热嫒 3 。透明盖板4 ，外巍 图1 - 5 全玻璃真空管集热器图1 石平板集热器 热管式真空集热管是真空鬃热管的一种，内有金属吸热体，主要由热管、金属吸热 板、玻璃管、金瓣辩盖、弹簧支架帮清气麓等部分缰藏。置作时，太阳辐射穿遘玻璃管 后投射到金属吸热板上，金属擞将热量传导给热管，热管内工质迅速汽化，工质蒸气上 升到热管冷凝段聪，在较冷的内表面凝结，释放出蒸发潜热，将热量传递给集热器的储 燕王蒺，凝结惹豹液态传燕王麓菝靠自身薹 秀流圈饕蒸发蔽，然嚣重复土透避程。 1 3 太阳能空气集热器及其研究情况 l 。3 。 太辍襞瓷气集热器 太阳能空气集热器( 如图1 3 c 所示) 悬种常用的太阳能热利用装置，可用于建 筑物供暖、农产品干燥以及太阳能制冷等领域。这种集热器主要由透明盖板、吸热 援、僚漫壳髂三辫分缝或熬黧i - 6 蘑示) ，该缍耩筵攀，成本低骧，鬻置接收太黧疆 射的面积大。 太阳能空气集热器的工作原理与太阳能热水器基本相同，都是通过吸热体吸收 太辍疆瓣，转交残热毙嚣麓熬滤经载热工嫒，只是空气袋燕器豹载热王囊是空气， 而热水器的载热工质是水。 5 江苏大学硕士学位论文 太阳能空气集热器以空气作为载热工质，其缺点是：( 1 ) 空气密度低( 仅为水 的1 3 0 0 ) ，且随温度和压强的变化有较大幅度的变化；( 2 ) 空气热容量小( 仅为 水的1 4 ) ； ( 3 ) 空气的导热系数低( 仅为水的1 2 0 - 1 2 5 ) ；( 4 ) 空气流动时与 集热板的对流换热系数较低。由于空气以上的这些特点，空气集热器的结构设计与 热水器有所不同。因而，在设计制造空气集热器是应考虑这些特点，才能在一定的 制造成本上取得较高的经济效益。 与太阳能热水器相比，太阳能空气集热器更有许多突出的优点：( 1 ) 工作温度 范围较广，不存在冬季冻结问题；( 2 ) 空气不会腐蚀集热板和管路；( 3 ) 空气系 统对集热器的承压、密封等要求不太严格，即使有少量泄露，对系统的运行和效率 不会产生较大的影响； ( 4 ) 空气集热器的反应快，受到只照很快就能得到热空气； ( 5 ) 作为建筑供暖用的太阳能空气系统，只要增添一个换热器，在非供暖期可以提 供生活用水；( 6 ) 太阳能空气热气器提供的热空气可直接用于谷物和经济作物的干 燥；( 7 ) 制造成本比较低。由于空气集热器具有以上突出的优点以及在干燥、空调 方面的应用上不需要二次转换而直接采用。因此，在房屋建筑的采暖、空调方面的 应用正在不断扩大。在农业领域的应用，如农产品的烘干、木材的干燥以及温室的 联合运行等方面的发展前景也较为广阔。 目前，太阳能空气集热器种类繁多，基本上可分为非渗透型( 如图1 7 所示) 和 渗透型( 如图l - 8 所示) 两大类。其中，渗透型空气集热器包括多孔网层空气集热器 ( 图1 8 a 所示) 、多通道抽吸式空气集热器( 图1 8 b 所示) 等。 日国 匝囵 围霪 ( 。) 多孔网层空气集热器 ( b ) ：；：鑫主磊吸式空气集热器 江苏火学硕士学位论文 对非渗透型集热器而言，熊工作原理为：阳光照射划一块气体不能透过的吸热 扳主，空气滏吸热叛主瑟或嚣瓣浚过，与驳热扳换热瑟意气羧翱热。茭特点是结掌鼋 简举，成本低，僚传热性能较麓。在这种集热器内，热转换过程是在吸热板表面进 行的。一部分不能被吸收的辐射能又被反射回去，且由于载热气流与吸热板的换热 系数缀羝，吸热叛滠废高，稻麓热损失大。斑了增强传热，霹采驭缀多缮施。如： 加腧、用波纹板释，但这将导致集热器内流动阻力增大，所需风桃功率也增加。 渗透型空气集热器的吸热体一般由多孑l 板或网层组成。冷空气从吸热板上部流 入，吸热螽，温度较袁豹空气囊下部流出，羧吸热扳下酃舱温度比上部蹇，使传热 褥到改善，吸热板的热损失减少。这种集热器可增加对太阳辐射的吸收，增强吸热 体和餐气的对流换热。因此，其性能优于j 渗透型空气繁热器。由予这种集热器流 通截薅较大，气流流速也较低，使强化传热受到一定限制。另外，逸糖集热器结掏 晓较复杂，置需瑟璃双层玻璃蕊叛来减少遴遗盖板酶热镄失，使成零蹭离。鸯予强 前太阳能空气集热器存在的这魑缺陷，使翦朱能得到大范围的推广。 1 。3 2 太疆麓空气羹热器的研究情况 追溯历史，第个获专利的太阳能空气集燕器是1 8 8 1 年由一个美豳入设计并试 制成功，1 8 9 0 年，形成产品销售。上世纪4 0 年代，g l o f 和地t e l k e s 5 教授分别 在秘罗拉多和马塞港塞硼开震了铡用太阳缝窆气加热系绕对建募供暖瓣磺究。g 1 0 f 在5 0 年代建了一艇剐墅式往寒，采用了螽德提出的独特的错位叠层玻璃太阳髓空气 集热器及两个校溅卵石贮热床空气加热器系统，保证擞白】和短期阴阿天的供热。 w h i l l i e r 5 第一次碍 究了空气从集热器平扳背蘑流动盼太阳能空气鬃热嚣的性能。 下文对近麓阑纬内乡 研究空气集燕嚣静馈况傲篱要介缓。 射流板型空气集热器 气流由泵送入集热器起磁，经喷口射向集热板，使高速气流直接冲击集热板， 强识了传熬。该聿争射流叛鳖空气集煞器在嚣秘工盈中已蠢应用。 1 9 9 1 年，c h o u d u r y 等人 6 对射流板空气集热器做了详细的分析，在各种可交 的几何参数下，就射流板上采用洞式喷嘴、洞式喷嘴的囊径、有无横向流及各板间 距繁送行7 臻究。基本结论是：无缦蠢滚条传下熬系统魏戆离子骞骥穗渡条终下戆； 随横向流流率的增大，射流作用减少，换热系数降低。 交叉波纹形蔬板空气集热器 交叉波形盏缀窆气集熬爨怒垂嚣块交义黢翟豹正弦装瓣波形羞叛擒成空气滚邋 的熬热器。1 9 9 2 年，y i n h up i a o 等人 7 分剐对交叉波形盖板内垂誊方向上的自然、 7 江苏大学硕士学位论文 对流、混合三种对流方式的集热器的换热方式进行_ i 过研究。g a m a 等人 8 对这种集热 器敷7 迸一步戆磅究。 装有蓄热材料的空气集热器 1 9 9 5 年，f a t h 和h a s s a ne s 9 用装蓄热材料的圆管组成的吸热板代替酱通平 扳集热器熬吸燕较，该结魏增攘了吸热叛与气流的羧热嚣积，蜜验表露；该聚集热 器的换熟系数增加，热损必减少，集热器豹熬性能比普通平板的集热器有显著的提 高。s o e n i b e 1o l 对带相变蓄能材料自然循环的太阳能空气集热器进行热力学分析， 建立了集热嚣主要构件的熬量平衡方稷，在集热投、玻璃盖板秘空气出口滠度分别 为1 0 0 c 、s 、1 0 对，数值计算缮聚与实验结果符合静很好。 在吸热板和底板之间带有金属叶片的空气集热器 1 9 9 8 年，m a t r a w y k k 11 1 设计了猩吸热板和底扳之间带有属叶片的集热器， 撵高了集热效率，著提爨了该鍪集热器的数学模囊稿选择理葱会璃盱片数量酾逶当 空气流道深度的方法。 正弦波形吸热板一交叉波形底板的空气集热器 2 0 0 0 冬，w e r d n g g a o 1 2 矮数囊方法辑究了霜弦波形疆燕教一交叉波形褒教太 阳能空气集热器的盖板与吸热板间的窀气自然对流。并模拟了燕要系统参数对自然 对流换热的影响，数值研究结果表面：为了有效地减少对流热攒失，波纹板的特性 蕤度魄应大爹2 ，建嚣黪筑院应大手l ，集燕器矮鳎斑套于4 0 。2 0 0 1 ，裹文峰等久 1 3 在与相似结构的平板挺空气集热器作对比模型的基础上，给出了交叉波形集热 板一底板太阳能空气集热器( 如图1 - 9 所示) 系统的热物理模型，并进行了分析，对 交叉波形滚邋瓣尼褥特馁及换热经验公式透露7 讨论。 嘲i - 9 交义波彤吸热板一波 形底数空气集热器截瞧示意鹭 s 空气簿压箍 圈l ，l o 圆柱阵列太r l 能空气集热器 江苏欠学硕毒学位论文 带肋的空气集热器 2 0 0 2 年，a b d u l m a l i k 窝e b r a h i m 1 4 1 设谤了集热蔽豢v 形魏豹蘩热器，实验疆 究了v 形肋的几何参数对传热的影响及集热器内气体的流动特性。实验中，空气雷诺 数( r e ) 变化藏围为2 5 0 0 1 8 0 0 0 ，肋的相对高度( e d h ) 为0 + 0 2 0 0 3 4 。 h d 。a m m a r i 1 5 建立了带壹耢豹太疆藐空气鬃热器的数学模型，研究了空气葵积滚 率、集熟器长度、空气流道商度对空气集热器性能的影响，通过数酸模拟对带壹耢 的空气集热与普通空气集热器进行比较，凝结果显示前器具有较好的热性能。2 0 0 4 年，罄坶【l 胡设谤箨研究了弱糖薄列太阳熊空气集热器( 如图1 1 0 所示) ，在太黻 能空气集热器的集热器板上黼土金属圆柱阵列，飙两增攘集热嚣板的换燕能力和吸 收太阳能辐射的能力，提高集热器的热效率。 嶷热叛带锥体的空气集热嚣 d u r s u np e h l v a n 1 7 为了掇韪太阳能空气集燕器翦热馁能，设谤了簇热羲带镶体 的太阳能空气集热器，并和普通平板太阳能空气集热器进行比较。猩相同条件下测 试时，当集热器的倾角为2 8 。4 0 时，集热器热效率和温度比平扳集热器效率提高的最 多，窭日温度终跫乎叛集燕器懿两倍，集熬教静换燕系数龟有缓大餐灌。 回流式空气巢热器 1 9 8 5 年，王豢琏等人 1 8 对靼种不同结构的回流式空气集热器( 如图1 1 l 所承) 滋移了理论分辑及实验磷究，褥密湿度较l 蕊戆热空气，在流量菲鬻夺辩，最鲟不搜 用醐流式集热器；如果流量非常大，选用阐流式必须进行合理设计，否则将导致耗 散的机械能猛增。并对这种有茏肋的矩形流道长度l 、流道高度d 进杼了实验研究。 二 _ ：己乙、? 0 二二二麟 ：。o ：0 ：? - o _ o ：飘 圈l 1 2v 犁波纹多孔体空气 鬟热器示意翻 图l l l四种吲流式空气集热器原理图 v 形波纹多礼体太阳能空气集热器 1 9 9 0 年，张联理 1 9 对v 形波纹多魏髂太籀能空气鬃热器( 魏霆1 - 1 2 辑示静热 憾熊和光学性麓遴行了理论研究，并得出解析表达式，送行数值诗嚣，得出的理论 9 毫嗨 零雷辩 江苏大学硕士学位论文 效率与试验结果符合得很好，他建议用净能量收益作为衡量空气集热器性能的综合 指标。1 9 9 1 年，赵锡伟等人 2 0 在e l s h e r b i n g 等人实验研究的基础上，在较为广泛 的几何及热力参数变化范围内，利用无量纲涡量一流函数差分方程，对波纹板与平 板空气夹层的自然对流换热进行了计算机模拟计算，并得出一系列数值结果及曲线 圈。 i 型和n 型太阳能空气集热器 2 0 0 0 年，林金清等人 2 1 2 2 研究了i 型( 空气在透明盖板和集热板之间流动) 和i i 型( 空气在集热板背面流动) 太阳能空气集热器( 如图1 1 3 所示) 的集热传热 性能。建立了基于二维假设下的流体流动和热量传递的稳态数学模型，得出稳态下 太阳能空气集热器中的气流速度、温度分布图以及集热效率与空气流量、入口空气 温度、太阳能入射强度的关系图。2 0 0 3 年，夏国泉、魏琪 2 3 研究了太阳能空气集 热器i 型的传热性能，建立了基于一维假设下的热量传递的数学模型，导出了准静 态条件下沿程温度分布、出口温度、全天集 热效率的近似解。计算结果表明全天集热器 效率随工质流速的增大而增大、随进口温度 的升高而急剧下降、随着流道深度的增加， 集热效率迅速增大到最大值后逐渐减少。 发泡蜂窝太阳能空气集热器 ，甲，_ i t t | f ( i ) l 塑 图1 1 3i 型和i i 氆空气集热器截面图 发泡蜂窝结构空气集热器 5 ，用玻璃或透明的塑料做成透明蜂窝结构，可用来 抑制无孔吸热板空气集热器吸热板和玻璃盖板之间的对流，降低了来自吸热平面上 的热损失，有关该类型的集热器研究的详细情况在第二章给出。 太阳能空气集热器结构形式多种多样，但设计成功的空气集热器总是趋向于提 高换热系数或者增大换热面积。同时，在流道、间隙、流率等参数上进行优化，使 设计出的空气集热器有最好的热性能。除本文总所叙述的集热器外，还有许多其它 结构的集热器，如不同形状的吸热板的集热器、各类网孔型集热器等。 对于太阳能空气集热器其它方面的研究，下面给出简要的介绍。 选择性吸热板的作用 1 9 9 9 年，h a c h e m i ，a 2 4 1 对带有选择性表面集热板和非选择性表面集热板的两种 太阳能空气集热器进行了对比研究，选择性表面的太阳能空气集热器减少了辐射热 损失，提过了集热器的热性能，且造价低。 空气集热器的计算机动态模拟 1 9 9 2 年，赵启秋 2 5 根据物体表面热能转变及传递原理，采用容积推导并建立 l o 苹 江苏走学硕奎学位论文 了一个模拟平板式太阳能空气集热器动态的计算机模型，模拟结果和实验数据十分 弼念。 空气集热器的通用数学模懋 嶷旭东等人 2 6 在对太阳能空气集热器传热特性及热平衡分析的基础上，建娆 了念逶豹v 型、警叛型、单流遴、取瀛遵、带与不豢魏麓熬空气集热器豹通用数学 模溅，并根据工稳实际对模鼙作了合理的简化。采用育陵差分法对微分方程离散麟， 可方便地求出空气集热器的瞬时效率。1 9 9 7 年，j a n n o t 2 7 提出了遴明盖板为塑料 貘的太阳毙空气集热器鲸吸热叛与盖层闻的辐射热平衡方程，该型繁热器的吸热叛 和嶷热器底部梅威了空气的流道，吸热板和盖层之闯炎不流动的空气层。实践诞嘴 这种集热器最适禽用于热带地区。 空气集热器热性能的研究 2 0 0 3 年，f k f o r s o n _ 移m a a n a z h a 2 8 通过实验耩数值模掇研究7 单逶道秘联 通邋太阳能空气鬃热器的热性能，数值模拟和实验结果符合很好，所提出的数学模 型为太阳能空气黛热器的优化设计提供了帮助。n i d a lh 和a b u - h a m d e h 2 9 根据热 簧遴瓣基本器毽稻关系薅多耱条律下熬太黧箍空气集熬瓣熬往麓述纷了模藏，搂羧 结聚与实际用于干燥的太阳熊空气集热器进行了对比，并用所建立的数学模型分析 了集热器内空气的流速和风速对集热器效率的影响。1 9 8 9 年，毛润治 3 0 3 对平板型、 謦臻蓑扳窝双菇轰叛豹拉耀羹定气集燕器瓣热性憝与空气痿量滚率熬关系逶孬了试 验研究，得出了遮三种集热器的瞬时效率随空气质量流率变化的非线性曲线。 通过玻璃盏板透过率与吸收率的计算 1 9 9 6 年，簸天红、张镑【3 l 】采瑗簧热分撰法接导凌攀嫠玻璃盏叛秘双瑶玻璃麓 板的平板型太阳能空气集热器有效透过率与吸收率乘积( 讯) 。的计算公式。 1 4 太阳能建筑 太阳房是入袋利用太阳熊昭最早静形式之一，电感隧静太阳能袋暖的重要应用 方察，其应用已经有很长的历史。但是，对于太阳房有目的的科学研究和设计，盥 到2 0 世纪3 0 年代孝歼始。1 9 3 1 年，美国糜餐理工学院建畿了世界上第一痤以太麓能 采蔽为目的的太辩房 1 】。之精，世界上密琨了各种类璧盼太鬻房，功熊也舞趋完蛰， 如采暖、空调、照明等。在释类太阳房中，绝大部分还怒以采暖为主要目标。 通常所说的太阳房，是利用太阳能进行采暖和空气调节的环保熬建筑，它不仪 裁满足建筑携在冬季鹃采暖要求，悉盈在爱季氇麓超巍降溢静终蘑。太鬻房戆撬广 应用对于节约常舰能源、减少环境污染、改善生态环境和人们的生活水平具有十分 1 1 江苏大学硕士学饺论文 蘑耍的意义。 ( 勘冬季运行工况 ( b ) 照季运行工狨 国1 1 4 放动式太鼯魔( 特朗偿墙) 的基本工作原邂 、 ， l 、 ? z z z 瑟 、 n 没 氇 ；佣： 圈1 1 5 被动式太阳房的基本炎璀 ( 8 ) 霞接受盏式( b ) 繁热蓍熬壤式( c ) 蓄热攫疆式 ( d ) 温室一蓄热墙式( e ) 对流一蓄热综合式 江苏大学硕士学位论文 1 4 1 太阳房分类 太阳房主要包括被动式太阳房、主动式太阳房和“零能建筑”。 ( i ) 被动式太阳房 被动式太阳房是一种完全通过建筑物朝向和周围环境的合理布置、内部空间 和外部形体的巧妙处理及材料、结构的恰当选择来实现集取、蓄存、分配、利 用太阳的建筑。这种太阳房构造简单、造价低。 被动式太阳房的基本工作原理如图1 1 4 所示。1 9 6 7 年，法国国家科学研究中心太 阳能研究室主任菲利克斯特朗勃教授，设计了世界上最早的集热一蓄热墙的太阳 房，国际上一般称这种墙为“特朗伯墙”( t r o m b ew a l l ) ，即被动式太阳房，它能 较有效地吸收和贮存太阳能。 按太阳能的采集方式，被动式太阳房主要有直接受益式、集热一蓄热墙式、温 室一蓄热式和对流综合式四种基本类型，如图1 1 5 所示 3 2 - - 3 3 。 ( 2 ) 主动式太阳房 主动式太阳房是一种采用由太阳能集热器、管道、泵或风机、末端装置、蓄热 及辅助热源等设备组成的供热系统或与热驱动型冷机所组成的制冷空调系统的建 筑。主动式太阳房的形式多样，结构复杂，造价较高。 常用的两种主动式太阳房采暖系统是：利用空气作为集热工质的主动式太阳房 ( 如图1 - 1 6 ) 和以水为集热工质的主动式太阳房( 如图1 - 1 7 ) 3 2 ，3 3 。 一内 1 一辅助加热蠢 2 j3 一暖空气曹路及旁通曹 4 - b 一风机 5 一三通阀6 一卵石床储熟嚣 t 一集热嚣 图l 1 6 以空气为集热 质的太阳房采暖系统图 州： 霄饕 嚣 泵 泵 栗 图1 1 7 以水为r 质的主动式太阳房供暖系统图 1 3 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) “零能建筑” 这种建筑由“太阳屋顶”提供全部建筑所需要的能量，一般在屋顶安装2 4 k w 太阳电池，且与电网并网。当晴好天气阳光充足时，太阳电池可满足一个家庭全部 能量需要，富裕的电能可输送给电网；当天气不好阳光不足时，则由电网供电。有 的建筑还装有太阳集热器，为建筑供热。由于这种建筑物的初投资十分昂贵，普遍 推广“零能建筑”还有困难。 1 4 2 太阳能建筑的国内外现状 ( 1 ) 国内太阳能建筑的热利用进展 我国的太阳能热利用技术研究开始于2 0 世纪7 0 年代，重点研究简单低廉的中 低温热利用技术，如太阳能热水器、被动式太阳房、太阳能温室、太阳灶和太阳能 干燥器等。这类技术的推广主要用在农村，为缓解农村能源短缺起到了积极作用。 1 9 7 7 年，我国第一栋被动式太阳房在甘肃民勤县建成【2 】。目前，国内已经建造 了超过1 1 3 0 0 万m 2 的太阳房，这些太阳房绝大部分为被动式太阳房，主动式太阳房 的发展较为缓慢；我国被动式太阳房已经进入规模普及阶段，正向太阳能住宅小区、 太阳村、太阳城发展。 1 9 9 6 年太阳热水器厂商开始与建筑行业结合，促使太阳能热利用与建筑的一体 化成为可能。目前在江苏、浙江、安徽、山东、北京等地，已经有许多太阳能热利 用与建筑一体化的试点和示范。如：由北京太阳能研究所设计的，在北京奥运花园 区内建成的中国首座太阳能综合利用示范楼“桑普一中国太阳能第一楼”，目 l ； 楼内及大院内的能耗全部由太阳能系统自给。这些系统取得了有价值的结果，但 其经济性有待进一步考察。到目前为止，太阳能建筑还未市场化。 近年来，国内在太阳能热利用方面逐渐加强了研究，国内的研究重心是太阳能 热水器。在太阳能建筑方面，也取得了一定进展，国内许多科研机构正致力于与太 阳能供暖相关的研究，主要研究机构有： 1 北京市太阳能研究所：平板式和真空管式太阳能热水系统。 2 中科院广州能源所：独立的绿色能源系统太阳能制冷、供热联合系统，太 阳光谱选择性吸收薄膜的结构与性能。 3 中科院工程热物理研究所：太阳能热水器、用于蓄能式太阳能建筑的太阳 能集热系统研制及热性能研究。 4 。哈尔滨工业大学新能源所：无冻蓄热式太阳能供热装置、跨季储存太阳能 供热系统。 1 4 江苏太学硕毒学位论文 5 中国科学技术大学：高教太阳能利用透明蜂窝的研制、性能优化和应用研究。 6 云惠褥菹大学太强薤硬究辑：太阳戆竞热收集、转换、贮存，农孛重能源技术 领域基础研究。 7 江苏大学能源与动力学院：太阳能热利用( 空气榘热器、建筑采暖、储热) 与空调戆研究。 ( 2 ) 国外太阳能建筑进展 2 0 世纪3 0 年代，太阳房的概念在美国酋先为人们所熟悉。在g k 卡伯特的遗赠 下，黪省理工学院( 瑚f r ) 羿贻了太阳房的突验研究，先聪建残了五种主动式和被幼 式太阳房f l 】。1 9 4 9 年，在美翻觫省多傣市建成了由特竞褥士设计的馓赛上第一座究 全由太阳能采暖的房子，即多佛太阳房。 划7 0 年代以慝，在华盛顿近郊的托马淼秘辩罗拉多州丹镶市的洛失等地建成了 主动式太辩房酶承范建筑褥。这些太窿赛鹃成功运程，说明太阳辘镤煞、窆谲系统 在技术上是完全w 行的，但由于投资较大，朱能普及推广。 2 0 世纪7 0 年代中期，美魁o w e n s 公司首先研制开发出全玻璃真空集热管， 较大缝覆遴了太辫麓热稳躅瓣笈疑。嚣蒸程憩美，秽震太辍麓秀建筑供暖秘多实现 了商业化，较为出名的有美国佛蒙特州的r a d i a n t e c 公弼的供暖系统( 以水为工作 工质) 和加拿大多伦多c o n s e r v a le n g i n e e r i n gi n c 的s o ia r w i 冱，供暖系统( 以 空气必工终工矮 ，薅秘系统墩莛哥靠懿技零、夷努静