太阳能平板型空气集热器系统设计说明书

1、太阳能平板型空气集热器系统设计说明书设计者：黄超，李娜，张洪颖，郝振伟，贾晗指导教师：孙喜山，胡建军（燕山大学建筑工程与力学学院，建筑环境与设备工程专业）作品内容简介此项目主要研究了太阳能平板型空气集热器的集热效果及影响因素进行了实验研究和数值模拟，主要研究了太阳能平板型空气集热器的现实可行性及在一天中随太阳高度角的变化，集热器集热效果的改变。并将实验结果与数值模拟结果相比照，找出其差异所在，分析原因。研究结果表明，太阳能平板型空气集热器完全可以作为辅助热源应用在建筑采暖上；据估计，在晴朗冬日的日间，用一个2平方米的太阳能平板型空气集热器完全可以保证一个面积为20平方米房间的供暖；大气透明度、

2、太阳高度角和太阳方位角的变化对集热效果均有较大影响，一般而言，其有效作用时间约为上午八点到下午四点之间。联系人：黄超，联系电话1、研制背景及意义由于太阳能能源清洁无污染，取之不尽用之不竭，因此在能源紧缺的今天，它理所当然的成为了人们眼中的“黄金能源”，然而，太阳能是否可以有效并广泛的被利用也成为了目前人们普遍关注的问题之一。目前，市面上出现的太阳能产品主要是太阳能热水器和太阳能光伏电池。但我们此次研发的太阳能平板型空气集热器主要应用太阳能热水器的加热原理，对室外冷空气进行加热。采用实验研究和数值模拟的方法，研究了平板型空气集热器的集热效率。由于用太阳能加热空气没有中间

3、的能量转换过程，可以避免过多的热损失，提高太阳能的利用率，还可以解决冬季的防冻问题。2 设计方案本文所研究的太阳能平板型空气集热器的外形如图所示。该集热器的外框由铁板制成，四周及底部以苯板填充用来保温，然后在苯板上覆盖平板型集热板材。此集热板材的翘片由铜-铬合金制成，表面涂层为黑铬，其吸收率高达97%（2%），而其发射率却仅有10%（2%），所以，此集热板材具有很好的的集热效率。表面覆盖的玻璃为双层玻璃，既有一定的抗压性又可以避免热量的过多损失。在集热器内部装有玻璃翅片，既可以避免空气杂乱无章的流动影响效果，又可以延长空气流动的行程以充分换热。在集热器的上下对角处分别开有75毫米的孔径，下部装

4、有鼓风机将室外冷空气引入集热器，通过上部的管子再引入室内。在集热器的进出口及内部测点（二、三、四、五号位）安装不同量程的温度计以便于随时监测温度。3 实验研究实验研究分为两个阶段。第一个阶段为年前的粗略实验阶段，主要研究此设备是否有用，总结需要改进的地方。第二个阶段为年后的对比试验阶段，主要根据年前的经验总结，对设备进行改进并做对比试验，对比试验包括：单层玻璃与双层玻璃的对比、有挡板与无挡板的对比。3.1 粗略实验阶段实验需要测量的数据分别为室外温度、入口温度、出口温度、集热板温度、空气温度以及出入口风速。受初期设备设置场地的限制，集热器的摆放位置为南偏东45，因此到14：00时集热器的效果已

5、经不明显。如果将其摆正，其有效时间应该可以延长一个小时左右。第一阶段所用的风机为离心风机，型号为150FZY-D，风量为192m3/h。天气晴好，室外温度为零下3。8：40将集热器摆放好，南偏东45，使之处于停机状态进行预热。9：00时打开风机，其后每隔一个小时测量一次，其各个测点温度见附录1所示。对数据进行分析可以看出，该太阳能平板空气集热器的效果显著，其平均温差可达二三十度左右。因此确信完全可以进行第二阶段的实验。3.2 对比试验阶段在第一阶段实验取得成功的基础上，我们进行了第二阶段的实验，并对实验器材进行了部分改进。改进一：解决了场地问题，将太阳能平板集热器的位置摆正，使其朝向正南方。其

6、原因在于，追求实验数据的精确性。改进二：将离心风机向设备内鼓风变为由轴流风机从设备抽风。其原因在于，鼓风时设备内为正压，被加热的空气会通过设备周围的缝隙流出，造成热量的损失，而改为抽风后，设备内为负压，热量损失少。改进三：测点增加了一号位。其原因在于，虽然一号位离入口很近，但仍有一定的差别，增加了一号位的测量，也为以后与数值模拟的对比提供了更多的数据。第二阶段还进行了对比试验，其设备分别为单玻无挡板、单玻有挡板、双玻有挡板，对比分析其实验结果，找出既能降低成本又能达到所需效果的设备形式。此次试验分多云和晴天两次进行。用于测量玻璃板和空气温度的温度计量程为0100，精度为1；用于测量集热板温度的

7、温度计量程为0150，精度为1。实验数据分别见附录2和附录3所示。对记录数据分析可知，该设备在晴天时效果很好，在多云天气时仍然可以发挥作用。多云天气时，室外温度在10以下，出口温度达到40左右，足以满足室内供暖需求。 在单玻有挡板和双玻有挡板的对比试验中，两者的差距明显，多云天气下，其温差可达23，晴天天气下，可达45。在单玻无挡板和单玻有挡板的对比试验中，出口温度差距明显，尤其是在晴天天气下。同时各个测点的温度也有明显差异，在单玻有挡板的实验设备中，各个测点的温度呈逐个上升的趋势；但是在单玻有挡板的实验设备中，温度分布并不规律，1、3、5测点的温度偏高，而2、4测点的温度偏低。4 数值模拟为

8、了更进一步的分析实验所得数据的可靠性，在指导教师的帮助下，我们利用FLUENT软件对设备内的温度分布以及流场分布分别进行了模拟，所得模拟图如下所示。双玻有挡板底层温度分布 双玻有挡板中间温度分布单玻有挡板底层温度分布 单玻有挡板空气层温度分布无挡板中间 无挡板单玻无挡板底层温度分布 单玻无挡板空气层温度分布对实验数据以及模拟图形进行分析可知，两者之间略有差别。数值模拟的温度要相对高一些。其主要原因有以下几个方面：（1）制作工艺缺陷：由于目前的国内市场上还没有成型的太阳能平板型空气集热器，因此此次所用的太阳能平板型空气集热器完全是我们手工制作，在制作的精细程度上有所欠缺，所以在实验过程中相较于数

9、值模拟，会有较大的冷风渗透，而且，由于制作不精细，在隔板与玻璃板之间有一定的空隙，致使空气并不是严格按照蛇形路线而走的，对设备内的温度分布造成了一定的影响，使得实验测得的数据温度偏低。（2）温度计的误差：我们所用的温度计都是最普通的酒精温度计，在测量过程会产生仪器本身的误差或者人为误差，致使所记录的温度不准确。（3）太阳辐射强度：由于经费有限，我们没能配备能够测量太阳辐射强度的设备，在数值模拟的过程中所用的太阳辐射强度是秦皇岛地区的平均照度而不是实验当天真实的太阳辐射强度，因此由于天气原因，可能未达到数值模拟所用到的太阳辐射强度，致使实验数据有些许出入。5 创新点及应用创新点：1. 本方案所使

10、用的能源全部为太阳能，不仅能够节约能源，而且环保无污染。能耗仅为风机消耗的30W左右，若能采用太阳能光伏电池提供风机动力，则可实现零能耗。取代了化石燃料提供热量，实现了二氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、粉尘等燃烧产物的零排放，非常环保。2. 用室外空气直接将太阳光的辐射热能送入室内，没有任何能量中间转化过程，提高太阳能的有效利用率，类似于VRV(变制冷剂)空调系统。3. 设备底部和四周都有60mm的保温板，可减少热量散失，顶部有玻璃盖板，具有透短波阻长波的特性，因此它对可见光和近红外线来说几乎是透明的，但却能够有效阻隔长波红外辐射，可保证绝大部分太阳光进入设备，只有很少热量散失。4. 设备底部和

11、周围用双层塑料布包裹，缝隙处都有玻璃胶做密封，不但能够防止漏风，还能够防止漏水。装置中均匀安装有玻璃挡板，在不遮挡太阳光的前提下，增加了空气在设备中的行程，提高了空气的温升幅度。5. 室外空气将热量带入室内的同时也为室内带来了新鲜空气，改善了室内的空气环境，具有一举两得的效果，这是本案的独特之处，具有其他太阳能利用方式所不可比拟的优点。6. 若室外气温太低，则可以考虑引入一部分室内空气和室外新风混合后通入集热器，可在进风口设置温度控制阀，根据室外温度的变化自动调节新回风比例，以确保室内温度。7. 由于是用于冬季采暖，只要能维持室温在25左右即可，因此此设备与其他太阳能设备相比，对阳光的要求偏低

12、，即使在能见度较低的情况下也可正常使用。太阳能平板型空气集热器以太阳能为依托，因此主要应用于太阳能充足的北方地区。这一设备目前主要有两个用途：1、 应用于只在白天有采暖要求的建筑，例如办公室、中小学教室的采暖。2、 应用于农业大棚，沼气池加热。因为该设备的集热板底部本来有几列铜管纵向布置，若在顶部和底部横向布置两个母管，在夏季没有采暖要求时还可以用来加热生活用水，提供淋浴用水，洗涤用水。成为冬季加热空气采暖，夏季加热水淋浴的两用太阳能集热器。若在系统中加上蓄热装置，解决阴天，下雨和夜晚没有太阳光时的采暖问题，该装置的应用则会更加广阔。该装置可以与我国目前大力开展的既有建筑节能改造工程有效结合，

13、广泛地推广应用，必将为我国建筑节能事业的发展起到巨大的推动作用，并产生明显的经济和社会效益。6 与普通能源相比的优势下面我们将根据秦皇岛市的实际情况，具体计算一下太阳能平板型空气集热器与普通能源相比，到底能节约多少能源。现选取单玻有挡板的集热器在2010年4月6号中午十二点三十分的瞬时实验数据进行计算，其室外参数分别为：时间：中午12:30,；室外气温：8.5；出口风速：2.5m/s。下面这一组表格即为各个测点的实测温度。位置一号位二号位三号位四号位五号位出口玻璃385153空气445166769276集热板8088102112126平板型太阳能集热器的吸热表面对太阳辐射的吸收率为0.97，发

14、射率为0.1，玻璃的透光率为0.85，集热器表面积为2，玻璃表面平均温度为47.3，根据秦皇岛地区的气象参数，我们取集热器表面的太阳总辐射照度为700W/，周围空气温度为8.5，出口空气温度为76,出口管道风速为2.5m/s，管径为75mm,空气比热为1.005kJ/kg,密度为1.29kg/m。太阳辐射得热量为2*700=1400W风量为2.5*0.25*3.14*0.075*0.075=0.011m/s空气吸收的热量为1.005*1.29*0.011*(76-8.5)=962.6W则效率为962.6/1400=0.6876现在秦皇岛地区居住建筑节能标准要求的面积热指标为25w/，因此此设备

15、可供38.5的建筑冬季采暖。即每平方米集热板可供19.3。但是此处按照瞬时值计算会偏大一些，实际应该能达到每平方米集热板可供10房间采暖按照每千克标准煤释放的热量为29260千焦，每千克煤转化为热能的效率大概为0.8，该装置一个小时所能提供的热量如果换成用煤燃烧提供，则所需的耗煤量为0.145千克，即每小时该装置可节约用煤0.145千克。秦皇岛地区采暖期为150天，每天此设备工作10小时，按照每个家庭房间面积为100平方米，共需要此设备5台。若秦皇岛地区共有10万家庭使用此设备，则每年可节约用煤108750吨，按每吨煤均价700元计算，则可以省下7512.5万元人民币，每户家庭省下751.25元每吨标准煤释放二氧化碳2.6吨,二氧化硫24千克，氮氧化合物为8千克。则在秦皇岛地区10万家庭使用该装置后可减少释放二氧化碳282750吨，二氧化硫2610吨，氮氧化合物870吨。综上，此太阳能空气集热器不仅具有很高的太阳能吸收率，而且可减少化石燃料的使用和二氧化碳等污染物的排放，若此装置能在全国推广，使全国百分之一的家庭能用上它来采暖的话，他所能带来的经济效益和节能减排作用将是十分巨大的。参考文献1.方荣生，项立成，李亭寒，等.太阳能应用技术M.北京：中国农业出版社，1985.139154；2015942.洪亮，多吉，王海江，等.太阳能空气集热器应用于建筑供暖的研究，