渗透型太阳能集热器(UTC)的可用能分析
摘 要：渗透型太阳能集热器（UTC）是一种直接预热新风的装置。它除了用于预热新风，还可以加热空气以干燥农作物。因为有很好的热性能，UTC会在将来得到广泛应用。自从上世纪90年代，世界上各地已有许多大规模的UTC安装示例。在本文中，首先推导了UTC的可用能效率，并用无因次形式表示。根据可用能效率，计算出最佳出口温度。找到最佳出口温度后，进行经济性分析后得出效率最高且最经济的结构
关键词：UTC；可用能分析；最佳温度；效率
Abstract：The Unglazed Transpired Solar Collector (UTC) is a suitable device for preheating outside air directly. They are used mostly in preheating ventilation air as well as in heating air for crop drying. The thermal performance of UTC promises its popular usage in near future. A number of large scale installations have been used all over the world since 1990s. In this paper, first, the exergy efficiency of UTC is de-rived and expressed with disseminationless form. Based on this efficiency, optimiza-tion outlet temperature can be calculated. After finding the optimum outlet tempera-ture, an economic analysis may be performed to determine the most effective and least expensive geometry
Key words：UTC；Exergy analysis；Optimum temperature；Effectiveness
1 引言
UTC在世界各地被广泛应用，尤其是预热新风，作物干燥以及除湿冷却。据报道，世界各地约有70个大型的系统安装并运行良好，每个系统的集热器面积在500m2到1000m2之间[1]。这些空气加热器由多孔板组成，其孔隙率一般小于5%，大多喷成黑色（吸热板）。把加热器安装在建筑南立面上，以加热通过吸热板与南立面之间的风室而吸入孔洞的室外新风。（如图1）。吸热板吸收太阳能使得板的温度比环境温度高。风室上面的风机抽吸加热的空气然后通过管道送到房间里。
1.1 渗透型太阳能集热器的构造
图2所示为UTC构造示意图，多孔金属板安装在建筑外墙（一般为南墙）上，金属板厚度一般为1-2mm，金属板与墙体之间形成一个10-20cm的空腔，空腔的四个边是密封的并作保温处理。墙体外表面加装保温层以提高集热器的性能。在墙体一侧安装风机，通过风机的抽吸作用使空气穿过集热板进入室内。
图1 UTC运行原理图
图2 UTC结构示意图
集热板的材料一般为镀锌钢板或铝板，集热板上开孔的直径、孔间距、孔隙率及集热板面积应根据建筑的具体功能、所在地区的气候特点及太阳辐射强度等参数来确定。集热板外表面喷涂选择性吸收涂层，其对太阳辐射吸收率很高，有效提高UTC的热性能[2]。
1.2 渗透型太阳能集热器的工作原理
UTC通过微孔集热板吸收太阳能来加热空气，从而达到为室内送新风或供暖的目的。图1展示了UTC的运行原理，冬季工况：白天时，微孔集热板吸收太阳辐射，表面温度不断上升，风机开启，集热板周围空气由于空腔内负压的存在穿过小孔进入空腔，空气穿过小孔时与集热板换热，空气温度会迅速升高，空气进入空腔后沿流道向上流动，此时空气已有较大的温升，然后通过风管送入室内，达到为室内提供新风或供暖的目的。晚间风机停止运行，集热板和外墙之间的空气间层可起到一定的保温作用，减少室内热量损失
夏季工况：在UTC的空腔底部和顶部存在自然通风口，在冬季密封处理，而到夏季自然通风口打开，集热板吸收太阳辐射加热空腔内的空气，后者在高度方向产生密度差，从而出现烟囱效应，空气会从底部自然通风口和集热板下部小
孔进入空腔，从上部自然通风口和上部小孔流出，从而减小室内冷负荷[3]。 1.3 渗透型太阳能集热器的特点
相比于太阳能热水器，UTC的优点也是其他空气集热器所拥有的，所以为了更加突出UTC的特点，将其与传统的平板型空气集热器进行比较，可分析得到UTC的另一些特点。 (1) 较高的集热效率。
美国国家暴露物研究实验室（National Exposure Research Laboratory，NERL）将这项技术评为最高效的节能供暖技术之一，并对UTC的热性能进行了实验研究，NERL实验证明UTC比传统的太阳能空气集热器拥有更高的集热效率[11]。实验结果表明，UTC的集热效率都在50%以上。天气条件较优良时，UTC的集热效率最高可达到75%左右。在调节风量的情况下，集热器出口空气的温升可达到16-40℃，有效的利用了太阳能。 (2) 良好的新风系统。
UTC可以把室外新鲜空气加热后输送至室内，将合理通风与建筑采暖有机的结合起来，为室内带来合理的气流分布组织，提高了室内空气品质，是室内环境更加舒适，有利于使用者的身心健康。 (3) 更好地与建筑物相结合。
UTC不但可以有效地利用太阳能，而且能与建筑的围护结构有机的结合。在一些已完成的UTC的应用项目中，集热板安装在建筑的外立面上，等效于建筑的围护结构，且运行状况良好，很好地满足了建筑一体化要求。 (4) 较广的适用范围。
UTC拥有较广的适用范围，在很多场合得到了应用。首先，UTC可以很好地与建筑相结合，为室内输送预热的新鲜空气、提供热量，可应用的建筑类型包括居住、工业、商业、学校、办公、军用建筑及仓库等。其次，UTC在农业方面也得到了应用，空气被集热器加热后可用于干燥农作物、农产品及动物粪便等。最后，UTC可以与光伏发电系统相结合，流动的空气可以带走光电板产生的热量，有效地提高光伏发电的光电转换效率。 (5) 良好的经济效益。
UTC适宜与建筑结合，集热板可充当建筑的外立面，基本不会影响建筑的外观。UTC结构较简单，虽有一定的初投资，但其在使用期对太阳能的利用率较高，不仅在采暖季节可以参与供暖与新风的预热，在夏季还能起到很好的隔热作用，减少室内的冷负荷，同时在过渡季使用时能节约大量的能耗。此外，UTC抗腐蚀性较强，使用年限比较长，且基本不需要维护，所以UTC的经济效益良好。
2 国内外研究现状
2.1 国外研究现状
已有人做了一些实验和数值研究去评估不同类型孔眼的UTC的热效率。Kutscher等人[4]提出连续吸入空气的分析模型和热损失里理论。他也在0.79mm的铝板上交错布置圆形孔眼，通过做实验来研究UTC的性能。
文献[5]介绍了一个UTC的计算模型，文中对集热器模型各部件列能量平衡方程，参考经验公式来估计各个热交换系数；并且利用计算模型在设计参数给定
的情况下预测UTC的热性能，分析主要影响因素对应用于干燥场合的UTC热性能的影响状况，为集热器的设计者提供了有效的理论指导。
S.J.Arulanandam，K.G.Terry Hollands, E.Brundr等学者对UTC中集热板上小孔的换热状况进行了模拟[6]。Kutscher和Chistensen等专家研究发现，在适当的空气流量和室外风速条件下，从UTC的空气温升状况可以推断出自然对流引起的热损失已不再是影响UTC集热效率的主要因素，但在周围环境温度较低时，工作温度较高的集热板面向环境的辐射损失仍然在各项损失中占据很大比重[7]。
Arulanandam等专家利用CFD软件分析了小孔的孔径大小及排列情况对集热器热性能的影响，提出了在室外风速为零和仅考虑集热板正面对流换热的条件下，UTC中集热板热交换效率ε的表达式[8]。 2.2 国内研究现状
在我国太阳能蓄热与热转换技术研究起步较晚，但已有较多的研究成果，但研究对象主要是平板型空气集热器与太阳能热水器。UTC产生于上个世纪90年代，国内针对于此的研究启始于本世纪初。
2002年，河南建成了第一个应用于农作物干燥的太阳房，推动了太阳能利用技术的发展2004年山东建筑大学与加拿大相关咨询公司合作建成了国内第一个将太阳能采暖技术与建筑相结合的试验工程——生态学生公寓，建筑南向窗间墙及女儿墙位置安装了UTC，集热面积达到157m2，为室内提供热量，实际应用时起到了很好的节能效果[9,10]。
王崇杰教授等人研究了国外无盖板渗透型集热系统的应用现状[11]，并结合山东建筑大学生态学生公寓实验研究了UTC的节能潜力，并模拟了渗流速度、辐射强度对UTC工作效率与空气温升的影响，为UTC的实际应用起到了较大的指导意义。
文献[12]理论分析了UTC内的传热与流动规律，通过建立数学计算模型，利用CFD软件模拟比较了平板集热器、无盖平板集热器以及UTC三者的热性能；分析了在全新风工况下，空气间层厚度、辐射因素及空气流量对UTC空气出口温度与集热效率的影响。
文献[13]从实验和理论两方面着手对UTC在建筑中实际应用时的热性能进行了研究分析；理论分析了UTC的热损失，通过实验，比较风机开启与关闭两个工况下UTC内各组件的温度分布情况，同时分析了墙体在安装UTC后受到的影响。文献[14]中，作者实验分析了UTC的热性能，通过搭建实验台，测算出周围环境温度、空气流量与辐射强度对UTC整体性能的影响；文中实验用的集热板共有三种颜色，从而分析了颜色（即集热板吸收率/集热板发射率）带来的影响；同时文章简单分析了加装玻璃盖板后集热器集热效率的变化。
文献[15]首先以多孔集热板的单个小孔作为研究对象，利用CFD技术数值研究小孔孔径、孔间距等影响因素对集热板换热状况的影响，在分析集热板局部流动换热规律时利用了场协同原理，UTC中空气的整体流动规律也得到了简要分析。
3 UTC的能量分析
当环境空气流过集热器表面、孔眼以及风室吸热板背面时，空气被加热。这种集热器的性能通常表示为热效率，其定义为：
??Tout?T?Tc?T? (1)
其中，Tout为空气出口温度，Tc为集热器平均温度，T∞为集热器表面环境空气温度。热效率取决于集热器的几何形状、流体动力性质、热工特性。
Van Decker等人做了一些实验来研究带圆形孔眼的UTC的性能，提出了一个经验公式来预测这类吸热板的热效率[1]：
?D???0.835???t?????V????s??V??0.737?0.161 (2)
ReD1.482?
(3)
式中Vs为吸热板表面吸入空气的速度，U∞为风速，σ为吸热板的孔隙率，ReD孔眼的特征风速，其定义如下：
Ahole?D24 ???2AplateP(4)
式中P和D分别表示孔间距和孔的直径。
VeD?Vs? (5)
他也指出对齐布置的关系式也可用于交错布置，只需孔间距乘以0.5。
这种集热器，当空气通过孔眼吸入时，太阳入射辐射被吸热板吸收。吸入的空气带走吸热板的热量，空气被加热。这是一种高效的集热器，吸热板前端的对流热损失在空气吸入风室时被回收[11]。基于这个事实，吸热板对环境的辐射热损失是最主要的[1]。因此，在稳定工况下，可用能平衡表示为：
Qin?Qconv,useful?Qrad,loss
(6)
式中，Qin为吸收的太阳能，定义为：
Qin??cIsAc
(7)
式中Ic，αc及Ac分别表示太阳日摄辐射，集热器的吸收率，吸热板的面积。集热器的辐射损失可以表示为：
4 Qrad,loss??c?sbAcTc?T??4?(8)
式中εc为吸热板的发射率。做一个合理的近似，εc=αc。最后，被空气吸收的这
部分太阳能表示为：
Qconv,useful?mCp?Tout?T??
(9)
当空气不流动时（Qcon，useful=0），吸热板达到最大的温度Tmax，其推导如下：
44?cIsAc??c?sbAc?Tmax?T???Tmax?T?4Is?1 4?sbT(10)