第八章 空气太阳能集热器

8.1、概 述 “空气太阳能集热器”是用空气作为传热介质的太阳能集热器，有时亦称为“空气太阳能加热器”，其主要应用范围是太阳能干燥和太阳能采暖。空气太阳能集热器在太阳能集热器中占有重要的位置。 在太阳能干燥的应用中，既可以把空气集热器和干燥室组成一个装置，由空气集热器提供热空气进行物料的干燥；也可以把空气集热器与温室型太阳能干燥器结合起来，共同进行物料的干燥。这两种太阳能干燥器都具有成本低和效率高的优点。 在太阳能采暖的应用中，仅就加热空气以保持舒适的环境而言，空气太阳能集热器是最为合乎逻辑的选择。若由太阳能加热液体再将热量传递到空气，必定引起热量损失；若直接采用空气作为介质，通过空气太阳能集热器进行循环，可以减少系统中所需要部件的数目。

8.1、概 述 空气太阳能集热器与通常用液体作为传热介质的液体太阳能集热器相比，具有以下主要优点： （1）不存在冬季的结冰问题； （2）微小的渗漏不会严重影响空气集热器的工作和性能； （3）空气集热器承受的压力很小，可以利用较薄的金属板制造； （4）不必考虑材料的防腐问题； （5）经过加热的空气可以直接用于干燥或者房屋取暖，不需要增加中间热交换器。

8.1、概 述 空气太阳能集热器与通常用液体作为传热介质的液体太阳能集热器相比，也有以下缺点： （1）由于空气的导热系数较小，只有水的1/25—1/20，因而其对流换热系数远远小于液体的对流换热系数，所以在相同的条件下，空气集热器的效率要比普通平板液体集热器的效率低； （2）与液体相比，空气密度小，只有水的1/300左右，以致在加热量相同的情况下，为使空气能在加热系统中流动，就要消耗较大的风机输送功率； （3）由于空气的比热容量较小，只有水的1/4，因而当以水作为传热介质时，为了储存热能，需要使用石块或鹅卵石等蓄热材料；而当以水作为传热介质时，它同时又可兼作热容量很大的蓄热介质。

8.1、概 述 从收集太阳能并加热流体介质的热过程这一点来说，空气太阳能集热器和液体太阳能集热器十分相似：都是利用经过太阳辐照照射的吸热板来加热空气或者水。但是，由于空气和水的热物理性质差别很大，故这两种集热器的设计有所不同。 提高空气太阳能集热器效率的主要途径是：增加吸热板与空气的接触面积，提高流经吸热板的空气流速，增强空气与吸热板的对流换热，以尽可能地降低吸热板的平均温度。

8.2、空气集热器的分类 8.2.1 非渗透型空气集热器 非渗透型空气集热器，有时亦称“无孔吸热板型空气集热器”，是指在空气集热器中，空气流不能穿过吸热板，而是在吸热板的正面和背面流动，并与经过太阳能加热后的吸热板进行热交换。

8.2、空气集热器的分类 8.2.1 非渗透型空气集热器 非渗透型空气集热器根据空气流动的情况，又可分为三种形式： 8.2.1 非渗透型空气集热器 非渗透型空气集热器根据空气流动的情况，又可分为三种形式： （1）空气只在吸热板的正面流动； （2）空气在吸热板的正、背两面流动； （3）空气只在吸热板的背面流动。 非渗透型集热器

8.2、空气集热器的分类 8.2.1 非渗透型空气集热器 对于空气在吸热板背面流动的形式，有不同的结构型式：无翅片、有翅片、V形波纹板和其他形状波纹板等。 （1）背面有翅片—吸热板背面加上翅片，可以改善空气流与吸热板的传热状况，但同时也会引起额外的压力降。因此，采用翅片的数目和高度存在某个最佳点，超过这个最佳点，就不能改善空气集热器的热性能，因为所需风机功率也将增加。 （2）V形波纹板—增加空气流有效传热面积和吸热板有效吸收比的另一种方法，是采用V形波纹板吸热板。若V形接收角保持在60°以内，则大部分太阳能在经过V形波纹板两侧多次反射后被吸收；若采用接收角为55°的带有选择性吸收涂层的V形波纹板，这样不仅使吸热板传热面积比平面吸热板加倍，而且使吸热板长波辐射产生的热损失保持很小。

8.2、空气集热器的分类 8.2.1 非渗透型空气集热器 综上所述，可以采用以下的一些方法来提高非渗透型空气集热器的性能： 8.2.1 非渗透型空气集热器 综上所述，可以采用以下的一些方法来提高非渗透型空气集热器的性能： （1）将吸热板的背面加工得粗糙些，以增加气流扰动，提高对流传热系数； （2）在吸热板的背面加上翅片或者采用波纹吸热板，以增加传热面积，并相应地增加气流的扰动，强化对流传热。 总之，非渗透性空气集热器的优点是结构简单，成本低廉。缺点是空气流和吸热板之间的热交换不能充分进行，因而集热效率难以有很大的改进；另外，为了减少吸热板的辐射热损失，需要采用选择性吸收涂层，但这会增加空气集热器的成本。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 针对上述非渗透型空气集热器的缺点，有人提出了渗透型空气集热器，有时亦称“多孔吸热板型空气集热器”。 渗透型空气集热器又可分为金属丝网式、狭缝/多孔金属网板式、重叠玻璃板式、碎玻璃多孔床式、蜂窝结构式等不同型式。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 1.金属丝网式 8.2.2 渗透型空气集热器 1.金属丝网式 大多数渗透型空气集热器都采用多层重叠的金属丝网，如右图所示。太阳辐射能首先被金属丝网吸收并转化为热能，使金属丝网的温度升高，然后通过对流加热穿过金属丝网的空气。此外，还有采用发泡蜂窝结构、玫瑰管结构等。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 2.狭缝/多孔金属网板式 8.2.2 渗透型空气集热器 2.狭缝/多孔金属网板式 狭缝/多孔管金属网板式空气集热器，如图所示，其加热过程与金属丝网结构基本相同。狭缝/多孔金属网板式与金属丝网式相比，性能基本相同，但在降低集热器成本上有更大的潜力。影响网板性能的因素可归纳如下： （1）增加空气流量，将提高网板的效率； （2）增加容积传热系数，将改善集热器的性能； （3）增加金属网板的导热系数； （4）空气导热系数不影响集热器的总体性能； （5）整个网板性能不受背面热辐射效应的影响。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 3.重叠玻璃板式 8.2.2 渗透型空气集热器 3.重叠玻璃板式 空气集热器中可采用多层重叠玻璃板，如图所示。在这种结构中，尽管整个空气流动是沿着吸热玻璃板而不是穿过网板，但是多层玻璃平板和空气流的温度，沿着集热器的长度方向以及从顶部到底部都逐渐增加，从而在大幅度降低吸热板的热损失的同时，也使空气集热器的压力降保持很小，因而这也可以看做是渗透型空气集热器的一种结构型式。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 4.碎玻璃多孔床式 8.2.2 渗透型空气集热器 4.碎玻璃多孔床式 空气集热器中中还有一种用碎玻璃吸收太阳辐射和加热空气的独特概念，将打碎的玻璃瓶分层敷设为多孔床，底部为黑玻璃，顶部为透明玻璃。太阳辐射穿过破碎的透明玻璃，被破碎的黑玻璃吸收并转换为热能，使透明玻璃的温度升高，然后通过对流加热穿过透明玻璃的空气。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 5.蜂窝结构式 8.2.2 渗透型空气集热器 5.蜂窝结构式 用玻璃或塑料制作成蜂窝结构，可以用来抑制非渗透型空气集热器吸热板与玻璃盖板之间的对流传热，从而降低来自后面吸热板向上的热损失。在这种空气集热器中，空气可以穿过蜂窝结构，因而属于渗透型空气集热器。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 5.蜂窝结构式 8.2.2 渗透型空气集热器 5.蜂窝结构式 蜂窝结构式空气集热器可以有多种不同的设计，按使用材料分，有透明的和不透明的蜂窝结构；按蜂窝形状分，有方形、六角形、管形、矩形等。

8.2、空气集热器的分类 8.2.2 渗透型空气集热器 综上所述，渗透型空气集热器在以下两个方面，克服了非渗透型空气集热器的缺点： 8.2.2 渗透型空气集热器 综上所述，渗透型空气集热器在以下两个方面，克服了非渗透型空气集热器的缺点： （1）更有效地传热。太阳辐射可更深地穿透到多孔吸热板之中，提高了吸热板的太阳吸收比；同时，冷空气流从多孔吸热板表面进入，首先被较低温度的上层加热，无数小孔增加了吸热板和空气流之间的接触面积，因而可以进行更为有效地传热。 （2）减小压力降。初看起来，似乎由于多孔吸热板阻碍了空气流动，使这种渗透型空气集热器的压力损失增大，但实际上它要比背面流动的非渗透型空气集热器的压力降小，这是因为前者每单位横截面上流通的空气量要比后者低很多。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.1 空气集热器的设计步骤 空气集热器的设计大致可遵循以下步骤： 8.3.1 空气集热器的设计步骤 空气集热器的设计大致可遵循以下步骤： （1）收集当地气象参数资料，包括太阳辐照量、日照时数、平均气温、平均风速和平均雨量等，这一点与其他所有太阳能热利用装置的设计要求是一样的； （2）确定空气集热器所需要的空气流量G、空气温度，从而计算出单位时间内所需要的加热量； （3）确定空气集热器矩形槽道的长度L； （4）计算空气集热器矩形槽道的宽度b和高度a; （5）根据传热计算，求出集热器的各个性能参数； （6）根据阻力计算，由计算得到的压力差△P，求出风机功率Wp; （7）进行空气集热器的结构总设计； （8）进行空气集热器的成本估算。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 空气集热器本体的横截面通常都是一个矩形槽道。为简便起见，以典型的单通道平板吸热板为例，来讨论空气集热器的热计算和设计，空气集热器结构示意图如下图所示，这里，空气流在吸热板和底板之间的矩形槽道中流过。 空气集热器矩形槽道示意图 空气集热器的热计算，与普通平板集热器的热计算及其考虑方法大体上是一样的。因此这里只给出其中几个主要参量的最终表达式。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 设空气流与吸热板之间的对流传热系数为hp，空气流与玻璃板之间的对流传热系数为hg，玻璃盖板与吸热板之间的辐射传热系数为hp-g，气流温度为Tf,玻璃盖板温度为Tg，吸热板表面温度为Tp，环境温度为Ta，空气集热器能量关系图如下图所示。 空气集热器能量关系图

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 根据能量平衡原理，假定空气不吸收辐射热，可得到如下三个能量平衡方程： 8.3.2 空气集热器的传热计算 根据能量平衡原理，假定空气不吸收辐射热，可得到如下三个能量平衡方程： （1）玻璃盖板的能量平衡方程： （2）吸热板的能量平衡方程： （3）空气流的能量平衡方程： 式中，Ut为玻璃板对环境的热损失系数，W/（㎡K）；G为透过玻璃盖盖板入射到吸热板表面上的有效太阳辐照度，W/㎡；qu为单位面积空气集热器的有用能量收益，W/㎡。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 对上述公式进行变换整理，可求得空气集热器的各个性能参数为： 其中

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 式中，hm为吸热板和玻璃盖板之间的对流传热系数；Ts为天空温度；hp-s为吸热板与天空的辐射传热系数；hg-s为玻璃盖板与天空的辐射传热系数；εp为吸热板的发射率，无因次； εg为玻璃盖板的发射率，无因次；τ为玻璃盖板的太阳透射比，无因次。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 在以上分析中，不同结构型式的吸热板有不同的集热器效率因子F’。以下列出几种常用结构型式吸热板的F’。 1.平面吸热板 设空气流在平板吸热板和底板之间通过，吸热板和底板的温度分别为T1和T2，发射率分别为ε1和ε2，两块板与空气流的对流传热系数分别为h1和h2，如图所示。这样，集热器效率因子F’可以表示为：

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 其中 2.带翅片吸热板 8.3.2 空气集热器的传热计算 其中 2.带翅片吸热板 设空气流在带翅片吸热板和底板之间通过，结构图如图所示。设吸热板材料及翅片材料的导热系数分别为k1和k2，吸热板和底板与空气流的对流传热系数分别为h1和h2，根据图示尺寸，可求得吸热板的ηp翅片效率及翅片的翅片效率ηf分别为：

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 其中 这样，集热器效率因子F‘可以表示为： 其中：

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 3.V形吸热板 8.3.2 空气集热器的传热计算 3.V形吸热板 类似这种吸热板的不限于V形吸热板，还有其他一些型式，例如波浪型等。这里，以V形吸热板为例进行分析，其结构尺寸如图所示，其中V形的顶角为 ，吸热板和底板与空气流的对流传热系数分别为h1和h2。集热器效率因子F’可表示为：

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 4.多孔吸热板 8.3.2 空气集热器的传热计算 4.多孔吸热板 下图所示为多孔吸热板型空气集热器结构示意图。根据图示，可分别求得空气流与环境空气之间的对流传热系数Ua，以及吸收板与环境空气之间的对流传热系数Up；

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 这样，集热器效率因子F’可表示为： 其中： 8.3.2 空气集热器的传热计算 这样，集热器效率因子F’可表示为： 其中： 式中，Ug-a为玻璃盖板内表面和环境之间的总传热系数，W/(㎡K)；hp-g为玻璃盖板与吸热板之间的辐射传热系数W/(㎡K)；hg为玻璃盖板与多孔吸热板之间的对流传热系数，W/(㎡K) ；h为多孔吸热板内部之间对流传热系数， W/(㎡K)。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 空气集热器的热转移因子FR，也可以表示成与液体集热器相同的形式，即： 8.3.2 空气集热器的传热计算 空气集热器的热转移因子FR，也可以表示成与液体集热器相同的形式，即： 式中， 为集热器空气流量，kg/s；Ac为集热器面积，㎡。 由于空气的对流传热系数比液体小，故在正常情况下，空气集热器的FR=0.6—0.9，较液体集热器的FR小得多。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 8.3.2 空气集热器的传热计算 在用风机鼓风进行强迫对流的条件下，槽道中的换热过程可以看成管道中完全展开的湍流传热。因此，在温差较小、所有物性都取一个空气温度值时，空气与吸热板之间的对流传热系数可选用下列准则公式进行计算，即： 如果温差很大，则必须考虑物性变化的影响，所有物性均取空气平均温度时的值，空气与吸热板之间的对流传热系数可选用下列准则公式进行计算，即：

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.3 空气集热器的阻力计算 参照空气集热器矩形槽道示意图，槽道中空气流的摩擦系数f为： 8.3.3 空气集热器的阻力计算 参照空气集热器矩形槽道示意图，槽道中空气流的摩擦系数f为： 这样，空气集热器中由各壁面粘性应力而导致空气的压力降△P可以表示为： 式中，△P为空气集热器的压力降；ρ为空气密度；V为空气流速；g为重力加速度；d为槽道的水力学直径，d=2ab/(a+b)；L为槽道长度；b为槽道宽度；a为槽道高度。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.3 空气集热器的阻力计算 8.3.3 空气集热器的阻力计算 上式计算所得压力差，实际上就是确定驱动空气流动所需风机功率Wp的依据。当然，设计时希望这个数值越小越好。 式中，Wp为风机功率，W。

8.3、空气集热器的设计和性能计算 8.3.4 矩形槽道宽、高比的确定 8.3.4 矩形槽道宽、高比的确定 设计中，一般传热量为一定，矩形槽道长度L可以任意选择，则矩形槽道的宽、高比Cb可以表示为： 式中，Cb为矩形槽道的宽、高比，无因次；μ为空气的动力粘度，kg/(m•s)。

8.4、空气集热器的热性能测试 空气集热器的热性能测试方法与平板集热器基本相似，其测试回路如下图所示： 1-空气集热器，2-风机，3-气体流量计，4-隔热层，5-空调器，6-温度传感器，7-混流段，8-二维旋转台架，9-日晷，10-天空辐射表，11-风速计，12-环境温度计

8.4、空气集热器的热性能测试 空气集热器与以液体为传热工质的普通平板集热器相比，热性能试验方法有以下三个主要特点： （1）由于空气密度比液体小得多，所以测试回路中的管道直径应大一些，空气体积流量推荐值为0.01—0.03m³/(s·㎡)； （2）由于空气集热器不可避免地存在空气泄漏，因而当空气集热器内的压力高于或低于30Pa时，其泄露率应不大于某一数值，而且在计算时所选择的流量值不应导致过高评价空气集热器的性能。对于正压运行空气集热器，应选用出口流量来计算热效率；对于负压运行空气集热器，应选用进口流量来计算热效率。 （3）为保证空气进出口截面上各个温度测点之间的温度均匀性，在温度测点前后应增加一定长度的管道混流段。

1-记录仪，2-空气进口管道，3-空气出口管道。 8.4、空气集热器的热性能测试 通常，采用温差热电堆元件来测量空气集热器进出口空气的温差。将若干对反串联接的温差热电偶，串联成一个热电堆元件，可以得到较大的热电势，从而可明显提高测量精度。 对于矩形管道，应将组成温差热电堆的六对热电偶节点分别置于把进出口管道的矩形截面分成等面积的各面积中心处，如图（a）所示。 对于圆形管道，可将六对热电偶节点中的一个置于截面的圆心，其他五个分别置于各相等扇形面积中心处，如图（b）所示。 1-记录仪，2-空气进口管道，3-空气出口管道。

8.5、空气集热器的应用 8.5.1 物料干燥 由空气集热器与干燥室组合而成的集热器型太阳能干燥器，是各种太阳能干燥器中的一种，集热器型太阳能干燥器具有如下特点： （1）由于使用空气集热器，将空气加热到60℃—70℃，因而可提高物料的干燥温度，而且可以根据物料的干燥特性调节热空气温度； （2）由于使用风机，强化热空气与物料的对流换热，因而可增进干燥效果，保证干燥质量。 集热器型太阳能干燥器的适用范围是： （1）要求干燥温度较高的物料； （2）不能接受阳光暴晒的物料； （3）多种农副产品和中药材，此外还有木材、橡胶、陶瓷泥胎等多种原料和产品。

8.5、空气集热器的应用 8.5.2 建筑物采暖 由空气集热器组成的空气太阳能采暖系统，是以空气作为集热器回路中循环的传热介质，以岩石堆积床作为蓄热介质，热空气经由管道输送到建筑物内进行采暖的系统。 空气太阳能采暖系统的优点是： （1）无需防冻措施，腐蚀问题不严重； （2）系统没有过热汽化的危险，热风采暖控制使用方便。 空气太阳能采暖系统的缺点是： （1）所需用管道投资大，风机电力消耗大； （2）蓄热体积大，不易和吸收式制冷机配合使用。

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