太阳能空气/水复合集热受迫对流传热机理及光热转换性能研究

To address the problems of solar air collector used for room heating, such as the single heating function, low utilization rate, and the building overheated in summer, this project proposes the air/water composite solar heating system through extending the function of the active solar air collector. The novel system can provide both room heating in winter for building of big room and hot water for use in other seasons. It can effectively improve the utilization of system throughout the year. The collector adopts flat structure, with flow chambers for air and tubes for water. The absorber in collector is with selective coating. The baffle structure is designed for the enhancement of heat exchange between the absorber plate and the working fluid. This project will investigate the flow field and heat transfer near the surface of the novel designed absorber, explore efficient heat transfer structure applying to both air and water as media. By numerical and experimental studies, this project will investigate characteristics of the flow and temperature field in the collector, thermal and exergy efficiency of the collector under various working conditions, coupling mechanism of structure design and heat transfer performance and the performance of the system throughout the year. The optimization of the structure design is going to be found for the novel collector of large area. The results of the project will provide both theoretic basis and experimental support for application of the air/water composite solar heating system.

针对建筑采暖所用的太阳能空气集热系统功能单一、全年利用率低、夏季易造成建筑过热等问题，本项目提出基于主动式空气集热的太阳能空气/水复合集热系统。系统可在冬季为北向或大空间、纵深长的工商业建筑提供主动式空气采暖，其它季节提供热水，提升全年利用率。拟采用平板结构，内含空气/水流道，镀有选择性吸收涂层的金属薄板作吸热板，并辅以阻流结构和特殊形貌以强化换热。本项目对新型吸热板的近壁流场和传热特性进行深入研究，探索适用于空气和水两种介质的高效换热结构。通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对不同集热模式下系统内部流场、温度场和热性能，系统结构设计与换热性能的耦合机理以及全年综合性能等方面开展研究，提出适用于大面积联用、主动式运行的结构化原则，以期为空气/水复合集热系统在建筑上的应用提供理论依据和实验支撑。

针对建筑采暖所用的太阳能空气集热系统功能单一、全年利用率偏低、在夏季易造成建筑过热等问题，本项目创新性提出一种新型的基于主动式空气集热的太阳能空气/水复合集热系统。系统可在冬季为北向或大空间、纵深长的工商业建筑提供主动式空气采暖，其它季节提供生产生活所需热水，有效降低建筑负荷，并提升集热系统的全年利用率。系统拟采用平板结构，内含空气/水流道，采用选择性吸收涂层的金属薄板作吸热板，并辅以阻流结构和特殊形貌以强化换热。项目调研了平板式空气集热器的各种翅片和流阻结构。利用CFD模拟软件对平板式、翅片式以及翅片和横向阻流结构式的双效复合集热模块进行了数值模拟，研究分析了吸热板壁面流场和温度场分布以及集热性能。建设和改造了集热空气和集热水实验台，对双功能集热进行了性能测试。在集热空气模式下，将铜管看做翅片，分析了它对空气集热效率的影响，推导出了铜管的翅片效率，引入新型的吸热板导热计算模型，构建了双工质集热理论模型。针对与建筑结合的空气/水双效复合集热模块开展了实验和理论研究。将集热模块与建筑南墙结合建立实验测试平台，构建了包含集热模块、建筑房间和室内空气的被动空气集热理论模型，并对理论模型进行实验验证。利用理论模型对集热模块的空气流道高度对热效率影响进行了研究和分析。针对与传统建筑更易结合的青瓦型太阳能空气-水双效复合集热模块开展了研究。搭建了实验平台，并建立了理论模型，对光热性能进行了实验和理论研究。本项目针对双功能集热模块开展了不同模式的实验研究，获得系统的热性能；得到双功能集热系统的换热结构优化方案；获得一套能根据典型气象数据，对不同地区的复合集热系统全年性能进行分析的软件。发表论文11篇，申请专利2项，培养研究生3名。项目为双功能集热系统的性能分析、结构优化以及建筑应用提供了指导性建议，拓展了太阳能在大空间建筑应用的新途径，有重要的学术研究和工程应用价值。