平板集熱器傳熱模型及熱性能研究進展

王登甲 王曉文 劉艷峰 劉加平

西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院

0 引言

太陽能集熱器是一種吸收太陽輻射并將其轉化為熱能傳遞給傳熱工質的裝置，是各種太陽能熱利用系統(tǒng)的核心部件，按內部是否有真空空間主要可分為平板型集熱器和真空管集熱器。目前在國內真空管集熱器的市場占有率達到90%以上，而平板集熱器的市場份額不到10%[1]，主要是因為平板集熱器通常以水作為循環(huán)工質，抗凍性能差，在冬天極易造成集熱器管道的堵塞、凍裂甚至破壞。而真空管集熱器由于其較強的抗凍性能和較低的成本成為國內的主流產品。

真空管集熱器雖然抗凍能力較好，但卻存在太陽輻射接受面小、易結垢、清潔困難等問題[2]。目前歐美國家各類集熱器占有率恰巧與國內相反，平板集熱器占有率極高，這與平板集熱器性能、使用環(huán)境、市場價格等多因素相關。為了提高平板集熱器各類性能，近年來國內外學者在平板集熱器的傳熱模型，結構創(chuàng)新，熱性能和增效防凍等方面都進行了大量的研究，本文就國內外對平板集熱器的各方面研究展開綜述。

1 平板集熱器傳熱模型研究

1.1 穩(wěn)態(tài)計算模型

在平板集熱器的熱性能計算過程，長期以來以穩(wěn)態(tài)計算方法居多。它能夠充分有效地預測出較長一段時間內集熱器的穩(wěn)定熱性能，因此在集熱器的可行性研究和初步系統(tǒng)設計等方面，采用穩(wěn)態(tài)計算模型是較為合適的。同時一些文獻表明穩(wěn)態(tài)模型在氣象條件變化較為平緩的短時間內也能具有較高的準確性。

穩(wěn)態(tài)模型中，國內外學者大多聚焦于一維和二維穩(wěn)態(tài)。在詳細考慮了空氣流道，吸熱板，玻璃蓋板，保溫板和風扇功率等因素影響的條件下，SunC[3]等人基于有限差分法對一種強制對流模式下的平板空氣集熱器建立了二維穩(wěn)態(tài)模型，并通過一種雙流道太陽能空氣集熱器的實驗，對模型進行了驗證。同樣基于有限差分法，李憲莉[4]對一種蓋板式沖縫型空氣集熱器建立了一維穩(wěn)態(tài)數學模型，模擬優(yōu)化了集熱器的結構參數和運行參數，隨后作者[5]分別對普通玻璃和真空玻璃蓋板式沖縫型空氣集熱器建立了一維穩(wěn)態(tài)模型，并對兩種集熱器進行了對比研究。在考慮管內層流和邊緣熱損失的條件下，MinnMA[6]等人對一種輕型平板集熱器建立了二維穩(wěn)態(tài)模型，模擬得出了吸熱板和傳熱工質的溫度分布，并對一種采用陶瓷保溫和使用Tedlar薄膜替代傳統(tǒng)玻璃蓋板的輕型集熱器進行了實驗，驗證了模型準確性。Kazeminejad H[7]則通過建立平板集熱器吸熱板的一維和二維穩(wěn)態(tài)導熱方程，對一維和二維方法進行了對比分析，結果表明：對于大多數的工程計算，傳統(tǒng)的一維方法已經足夠精確，而集熱器的優(yōu)化設計則必須考慮二維計算模型，尤其是在較低的工質質量流率下。

穩(wěn)態(tài)計算模型計算簡便，但卻忽略了集熱器中各個部件熱容的影響，因此僅能較為準確地得出一段時間內的平均數據，而不能反映出集熱器的動態(tài)熱性能，也就難以用來實現目前快速發(fā)展的瞬時調控系統(tǒng)的精確控制。

1.2 動態(tài)計算模型

相對于穩(wěn)態(tài)模型，動態(tài)計算模型由于考慮時間的變化和集熱器各部件熱容的影響，因此較為復雜，求解難度也高，但其求解結果更接近于集熱器的真實情況，更能準確地預測集熱器的動態(tài)熱性能，因此近幾十年來，在眾多學者的研究下，平板集熱器的動態(tài)模型得到了迅速發(fā)展。

動態(tài)模型主要可分為集總熱容模型和離散模型。集總熱容模型考慮了整體的熱容，允許熱慣性影響的介入，能夠簡單迅速地對集熱器動態(tài)熱性能進行預測，然而其只適用于輸入變量（太陽輻射，環(huán)境溫度和工質進口溫度）波動較小的條件下，若變量波動較大，熱慣性影響加強，將會影響預測的準確性。而離散模型通過對各個組成部件（如蓋板、吸熱板和流體等）的熱容進行分離，考慮了每個部件的熱慣性影響，能夠達到準確的熱性能預測效果，但是計算時間和成本花費較大[8]。

在集總熱容模型研究方面，Plantier C[9]等人提出了一種基于簡單傳質傳熱方法的集熱器瞬態(tài)模型，通過引入了玻璃蓋板，吸熱板和流體的集總熱容量，開發(fā)了一種三節(jié)點集總熱容模型（圖1）。Taherian H[10]則對封閉式家用太陽能熱水器中的平板集熱器提出了一種考慮蓋板和吸熱板熱容的二節(jié)點集總模型，通過模擬結果與實驗數據的比較，發(fā)現該模型只能準確預測晴朗天氣下集熱器的效率，而對于多云天氣并不能提供準確結果，這也體現了集總熱容模型的局限性。

圖1 文獻[9]集熱器熱網絡圖

針對離散模型，國外學者進行了大量研究。Hilmer F[11]等人提出了一種一維動態(tài)模型來評價安裝于屋頂的平板集熱器在不同工質流速下的短期動態(tài)熱性能，并且重點研究了模型中屋頂熱容的介入對動態(tài)性能預測所造成的影響。Cadafalch.J[12]建立了平板太陽能集熱器的一維瞬態(tài)數學模型，該模型可以針對多層蓋板，透明保溫層，空氣夾層，表面涂層和不透明保溫層等不同結構部件以及水儲熱，相變材料儲熱等的能量計算進行分析。Zima W和Dziewa P[13]對液體平板太陽能集熱器提出了一種一維瞬態(tài)模型（圖2），該模型基于流體側能量守恒方程的求解，考慮了流體管道和流體的熱容?；谟邢奕莘e內的質量和能量守恒方程，Villar N.M[14]等人構建了平板集熱器的三維瞬態(tài)數學模型，該模型可以用來比較不同管道構造對集熱器的影響，從而優(yōu)化集熱器的設計，也可以用來計算集熱器組成部分在任意空間位置的溫度；Rodriguez-Hidalgo M C[15]考慮了集熱器各個組成部分的熱慣性，使用熱阻和熱容的方法建立了平板集熱器的瞬時模型（圖3），結果表明：集熱器管道內水的熱慣性僅占集熱器總熱慣性的30%，因此在瞬時工況下不能忽略集熱器其它部件的熱慣性。

圖2 文獻[13]集熱器管道的控制容積

圖3 文獻[15]集熱器熱過程分析圖

動態(tài)模型計算雖然復雜，但其較高的準確性，相比于穩(wěn)態(tài)模型，更適用于運行條件（如用戶需求，氣象條件等）變化較為劇烈的平板集熱器熱性能分析和預測。另一方面，由于動態(tài)模型能夠準確反映出集熱器內部的傳熱，因此可以用其對平板集熱器進行組成部件和結構上的優(yōu)化設計。在動態(tài)模型中，集總熱容模型具有計算簡單、求解迅速等優(yōu)點，但也存在一定的局限性，相反離散模型適用范圍更廣，準確度更高，但計算復雜，因此應根據集熱器的環(huán)境、運行參數等進行合理的選擇。

1.3 傳熱模型數值模擬分析

國內外許多學者在CFD軟件模擬方面投入了研究，并驗證了模擬的準確性和解決流動換熱問題的有效性。Selmi M[16]通過CFD軟件對單根排管的平板集熱器進行了數值模擬，在有、無循環(huán)水流動的兩種情況下對比分析了集熱器的溫度分布情況，經過實驗驗證，表明了利用CFD軟件模擬集熱器中復雜的流動換熱問題的可行性。Karanth K V[17]在CFD軟件的基礎上，通過加載離散輻射換熱模型的方法對平板集熱器中的對流、傳導、輻射換熱進行了模擬分析，得出了吸熱板和水的溫升系數及溫度隨流道長度和水流速的變化關系。Dovic D和Andrassy M[18]采用Fluent軟件對平板集熱器建立了2維和3維數學模型，該模型可以對諸如管板結合處的尺寸和形狀，板間距，管道直徑和工質流量等一些重要的設計和運行參數進行分析。王勇[19]等人利用CFD軟件對不同排管管徑下的全流道吸熱板內傳熱介質的流動與傳熱進行了模擬。在實驗的基礎上，鄧月超[20-21]建立了微熱管陣列平板太陽能集熱器的CFD模型，結果證明該模型可用于指導該集熱器結構的改進和優(yōu)化設計。

CFD軟件的發(fā)展和應用極大的推進了平板集熱器研究領域的進一步發(fā)展。尤其對于一些無論采用分析法或實驗法都有較大限制的復雜問題，既難以作出分析解，也因費用昂貴或過程復雜而無力進行實驗，而CFD技術恰好可解決這些問題。CFD模擬的精確度，計算速度以及穩(wěn)定性都具有較高水平，再加之成本較低，這就大大提高了科研工作者的研究效率，避免了重復、無謂的工作。

1.4 傳熱過程計算程序

對于平板集熱器中復雜的流動傳熱問題，編程求解也是一種較為常見和簡捷的方法。在集熱器研究領域，常用編程軟件有MATLAB，VB和Visual C++等。

天津大學高騰[22]在對平板集熱器建立傳熱模型和理論計算模型的基礎上，采用Visual Basic 6.0軟件編制了可視化的計算程序，模擬計算了集熱器的出口溫度，吸熱板溫度，吸熱板重量，有用能，效率因子，熱遷移因子和熱效率等性能指標，并經過了實驗驗證。在平板集熱器穩(wěn)態(tài)數學模型的基礎上，孔祥強[23]等人采用Visual C++編制了以蓋板溫度、吸熱板平均溫度和工質入口溫度為迭代判據的模擬程序。車永毅和厚彩琴[24]則利用MATLAB軟件編制了平板集熱器集熱性能的迭代數值計算程序，數值模擬了集熱管內徑，間距和工質入口溫度等關鍵參數對集熱器集熱效率的影響特性。李憲莉[4-5]同樣采用MATLAB軟件對一種新型蓋板式沖縫型空氣集熱器進行了模擬研究。

上述文獻表明采用軟件編程的方法同樣能夠準確地模擬分析出集熱器的熱性能指標以及它的影響因素，這為求解集熱器模型提供了另一種高效簡便的方法。

2 新型平板集熱器結構開發(fā)

平板集熱器的結構創(chuàng)新是平板集熱器領域的熱點研究方向，通過對集熱器進行結構上的優(yōu)化設計，可以有效提高其熱性能和適用性，節(jié)約成本和能源，極大地促進集熱器的進一步發(fā)展。國內外研究者在此方面做了大量工作，成果頗豐。

國內新型平板集熱器以空氣集熱器居多。丁剛[25]將傳統(tǒng)平板空氣集熱器中的對角型進出口流道改為多進出口式流道，實驗結果表明：出口溫度明顯提升，集熱器的瞬時效率增加約20%。洪亮[26]將多流道平板集熱器的進出口改為聯(lián)集箱加配風管的配風結構，原有S折流式翅片結構改為平行直通式翅片結構，進一步強化空氣集熱器的傳熱特性和氣流的均勻性（圖4）。在圓孔式空氣集熱器的基礎上，李憲莉[4]采用沖縫型的突起結構對吸熱板進行了改進，提出了一種蓋板式沖縫型集熱器，從而在增大集熱面積和對流換熱面積的同時，改善氣流組織。莊智[27]對一種新型百葉式太陽集熱器的冬季集熱性能進行了模擬研究，通過對變色集熱板的調節(jié)，可以實現冬季采暖并有望在夏季減少南墻溫度。

圖4 文獻[26]中多流道平板空氣集熱器的改進

通過對平板集熱器內部構造的設計改進，可以同時實現加熱水和加熱空氣兩種功能。季杰[28]等人設計了一種新型L型翅片結構，將加熱空氣與加熱水兩種功能有效結合于一個平板集熱器上（圖5）。Zhang D[29]提出了一種新型雙功能平板太陽能集熱器，共有三種模式：空氣加熱，水加熱和空氣-水復合加熱。Assari M R[30]對增強雙功能平板集熱器空氣側熱性能的三種流道（矩形翅片，三角形翅片和無翅片）進行對比研究，模擬結果表明矩形翅片通道的性能優(yōu)于其它兩種。He W[31]和Ji J[32]則將雙功能平板集熱器分別與建筑物的屋頂和墻體相結合，實現了建筑一體化，并對水加熱模式下的集熱器性能進行了模擬和實驗研究。

圖5 文獻[28]中雙效平板集熱器結構示意圖

在集熱蓄熱一體化太陽能熱水器（ICSSWH）的結構設計與優(yōu)化方面，國外許多學者進行了深入研究。ICSSWH是一種將平板集熱器與蓄熱水箱結合為一體以實現集熱蓄熱一體化的太陽能熱水器，可分為直接式與間接式兩種（圖6），直接式中工質直接流入集熱器內部的水箱中，被集熱器直接加熱，而間接式中集熱器管道浸入水箱中，被加熱的工質與水箱中的水通過管道壁進行間接換熱[33]。Sopian K[34]等人研究了一種新型的非金屬無蓋板ICSSWH，實驗結果表明在平均太陽輻射水平為635W/m2，環(huán)境溫度為31℃時，系統(tǒng)效率可達45%。Khalifa A J N和Jabbar R A A[35]對一種采用6個80mm外徑的銅管同時作為吸熱板與水箱的直接式ICSSWH系統(tǒng)進行了實驗研究，并將其與傳統(tǒng)的家用太陽能熱水系統(tǒng)進行了對比，證明了ICSSWH系統(tǒng)的優(yōu)越性。在實驗的基礎上，Gertzos K P[36-38]模擬研究了一種帶有蛇形管換熱器的間接式ICSSWH，其中采用小型水泵對水箱中的水進行循環(huán)以增強傳熱，并對重要部件進行了優(yōu)化改進。Mossad R和AL-Khaffajy M[33]對間接式ICSSWH系統(tǒng)中單、雙排換熱器結構進行了模擬研究，結果表明采用單排換熱器能明顯地降低成本和能源消耗。

圖6 文獻[33]中直接式（a）和間接式（b）

通過改進吸熱板結構、優(yōu)化流體管道設計等對平板空氣集熱器進行結構創(chuàng)新，可以有效提高集熱器的熱性能。此外針對吸熱板兩側的流道進行改進，可以將加熱水與加熱空氣兩種功能相結合，并有助于建筑一體化的實現。本節(jié)還對 ICSSWH的研究進展進行了簡要總結，ICSSWH實現了集熱蓄熱一體化，具有系統(tǒng)成本低和安裝面積小等優(yōu)點，擁有廣闊的發(fā)展前景，未來在此方面的研究應大大深入。

3 平板集熱器的熱性能研究

不斷提高平板集熱器的熱性能一直以來都是各個學者研究集熱器的目標。而平板集熱器的熱性能（集熱效率，工質出口溫度和熱損系數等）取決于多種因素，其中主要包括運行參數，結構參數和環(huán)境參數。

在研究集熱器運行參數對熱性能的影響方面，Ranjith P V 和Karim A A[39]通過數值模擬和實驗研究了以丙二醇-水作為傳熱工質時丙二醇濃度和質量流率對平板集熱器熱性能的影響。HeQ[40]研究了納米流體作為傳熱工質時其質量分數和粒子尺寸對集熱效率的影響。Moghadam A J[41]等人對以CuO與水混合的納米流體為傳熱工質的集熱器在不同質量流率下進行了測試，結果表明質量流率為1kg/min時集熱器效率增大了21.8%。張威[42]則對平板太陽能集熱器在正常狀態(tài)和漏液狀態(tài)下逐時變化的集熱器溫度和蓄熱水箱進出口水溫度等熱性能參數進行了研究。

許多研究者針對集熱器的不同結構、不同部位，對影響熱性能的結構參數進行大量的研究。Dagdougui H[43]研究了蓋板類型和數量對頂部熱損失和相關熱性能的影響，并在建立雙目標約束優(yōu)化模型的基礎上，評價了不同設計方法的最優(yōu)性以確定最佳的水流量和集熱器面積。盧郁[44]等人模擬研究了吸熱體板芯幾何結構和用材對平板太陽能集熱器性能的影響以降低集熱器耗材量。Hobbi A和Siddiqui K[45]對加入到平板集熱器中的被動傳熱增強裝置（扭帶、線圈彈簧絲和錐形脊）進行了實驗研究。結果表明：利用剪切力產生的湍流來增強傳熱并不能起到良好的效果。Zhang J[46]利用Fluent模擬分析了不同結構參數（吸熱板厚度、排管間距和排管長度等）下集熱器的熱性能，結果表明減少排管間距和增大吸熱板厚度可以明顯提高集熱器效率。施燕華[47]重點研究了吸熱板厚度和材質、管道間距、板間距等結構因素對集熱器熱性能的影響。

大量研究表明，太陽輻射，風速和環(huán)境溫度等環(huán)境參數同樣對集熱器的熱性能有著巨大的影響。CHou 和 L Xu[48]對比研究了蘭州和廣州地區(qū)在夏季和冬季條件下平板集熱器的傾角和朝向對集熱器出口溫度的影響。Rodriguez-Hidalgo M C[49]對影響集熱器效率和有用能的5個因素進行了研究，得出了它們的相關性排名：風造成的對流熱損失（15.6%），集熱器年齡（15%），太陽輻射入射角（7.6%），熱慣性（3.2%）和輻射熱損失（1.3%）?？紫閺奫23]等人詳細分析了環(huán)境參數對集熱器瞬時效率的影響特性，模擬結果表明：環(huán)境溫度的增加可顯著提高瞬時效率，太陽輻射強度對瞬時效率的影響跟集熱器與環(huán)境間的熱交換有關，環(huán)境風速變化對瞬時效率的影響較小。

平板集熱器的熱性能在很大程度上受其運行參數，結構參數和環(huán)境參數的影響，因此要想增強集熱器熱性能，必須從這三方面入手。通過對熱性能影響因素的分析，可以找到集熱器增效的突破口，并由此進行改進，從而實現集熱器的有效利用，為集熱器的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

4 平板集熱器增效防凍研究

平板集熱器長期以來存在集熱效率偏低、熱損失較大等缺點，而且冬季極易發(fā)生凍裂，這大大制約了它的發(fā)展，為此許多學者分別從熱管與平板集熱器結合、集熱器結構優(yōu)化和采用新型材料等角度對平板集熱器進行優(yōu)化設計，以達到增效防凍的效果。

在熱管平板集熱器的基礎上，通過研發(fā)新型熱管或采用聚光器等，可以大幅提高熱管的集熱能力，從而提高集熱器的熱性能。華南理工大學曾社銓[50]設計了一款波紋式熱管集熱片來作為平板集熱器的集熱元件，模擬表明該集熱器在風速為2m/s時，最大瞬時效率可達85.1%。鄧月超[20]對一種采用微熱管陣列作為集熱元件的新型平板集熱器進行了研究，該集熱器具有成本低、抗凍、承壓、不易結垢、易與建筑一體化等優(yōu)點，實驗結果表明該集熱器瞬時效率曲線的截距達83.1%，斜率為-4.77。任云鋒[51]則將復合拋物面聚光器（CPC）和熱管平板式集熱器相結合，提出了一種以平面形吸熱板為接收器的CPC型熱管式太陽能集熱器（圖7），與普通熱管平板式集熱器的對比實驗表明：CPC型熱管式太陽能集熱器不但提高了集熱溫度和集熱效率，而且降低了熱損失。

圖7 文獻[51]中集熱器的結構示意圖

通過優(yōu)化集熱器結構、采用新型材料等可以大幅提高平板集熱器的熱性能，實現集熱器的增效防凍。DoviD和Andrassy M[18]設計了兩種分別采用平行平板和V形波紋吸熱板的無管集熱器，結果表明在相同結構和運行參數下無管集熱器相對于有管集熱器集熱效率提高7%。Manjunath M S[52]在無蓋板平板集熱器的管道中分別設置了鋸齒狀翅片和徑向布置的平面翅片來改善管道內的對流換熱，在降低成本的同時提高了整體熱性能。周炫和代彥軍[53]通過對吸熱板采用管板一體化結構，透明面蓋上增加增透膜和優(yōu)化板間距等方法增強了集熱器熱性能，隨后在此基礎上，賀鵬和代彥軍[54]采取增大板間距，透明蓋板上鍍增透膜，激光焊接，聚氨酯板作保溫層和鋁箔反光面朝向吸熱板等措施使優(yōu)化后的集熱器截距效率提高了15.1%，熱損系數減少了20.3%。在平板集熱器結構抗凍原理的基礎上，魏一康[55]依據流道設計，材料性能和制造工藝，研制出一種鐵索體型不銹鋼結構抗凍平板集熱器。依據順序凍結理論，江希年等[56]對太陽能熱水器的上下集管和循環(huán)管均采用橡膠材料，排管則采用高效銅鋁復合條帶，實現了排管由中部向兩端的凍結順序，達到了抗凍效果。CHEN[57]和趙靜[58]在集熱器吸熱板與保溫層之間增加一層相變材料，實現了集熱蓄熱一體化，避免了工質水的凍結，起到了很好的抗凍作用。

上述幾種方法，均可以達到增效防凍的效果，但或由于制造成本的昂貴或由于特殊條件的限制，并沒有得到大面積的推廣和應用。因此未來平板集熱器的研究應以工程應用為目的，在降低集熱器成本的同時，優(yōu)化集熱器的構造，開發(fā)耐凍高效集熱器的設計、制造、檢測等關鍵技術。

5 總結與展望

國內外學者在平板集熱器的傳熱模型，結構創(chuàng)新，熱性能和增效防凍等方面投入了大量的研究，積累了豐富的經驗，取得了豐碩的成果。

在平板集熱器的傳熱模型方面，穩(wěn)態(tài)模型忽略了集熱器各個組成部分熱容的影響，因此較為簡單，并且能夠有效預測出長時間段內平板集熱器的平均熱性能，有助于集熱器的初步研究，而動態(tài)模型由于考慮了熱容的影響，計算較為復雜，但能夠準確反映出集熱器的動態(tài)熱性能，更符合集熱器的真實情況。同時隨著各種CFD軟件的發(fā)展和應用，建立CFD模型進行模擬，可以在簡化計算和節(jié)約實驗成本的同時，得出與實驗接近一致的結果，這也大大推進了本領域的研究。此外，許多學者也采用編程軟件來進行模擬求解，其準確性同樣得到了實驗的驗證。

國內平板集熱器的結構創(chuàng)新以空氣集熱器的結構優(yōu)化和改造居多，未來隨著太陽能熱水采暖系統(tǒng)的發(fā)展，相信平板液體集熱器的新型結構也會逐漸增多。許多學者致力于開發(fā)雙功能平板集熱器和集熱蓄熱一體化太陽能熱水器，這為我們對集熱器的優(yōu)化創(chuàng)新又提供了新思路。為了進一步推動新型集熱器的發(fā)展與應用，未來應以成本-效率最大化為目標，對平板集熱器進行設計改進。

對于平板集熱器的熱性能研究，多數文獻針對不同類型的集熱器，深入剖析了各種因素（包括環(huán)境參數，結構參數和運行參數等）對集熱器熱性能（集熱效率、工質出口溫度和熱損系數等）的影響規(guī)律，為集熱器的設計改進和運行優(yōu)化提供了理論依據。

在平板集熱器的增效防凍方面，許多學者通過新型熱管的應用，集熱器結構優(yōu)化和采用新型材料等方法，實現了平板集熱器的增效防凍，大大提高了平板集熱器的冬季適用性。然而由于成本昂貴、結構復雜等因素，這些方法并沒有得到進一步的推廣和應用，因此開發(fā)低成本、高效率的防凍平板集熱器將是未來平板集熱器發(fā)展的一個新前景。