輕質雙層紡織基太陽能空氣集熱器的集熱性能試驗研究

朱婧婧，程小梅，李瑤，郭建生

（1.東華大學紡織學院，上海 201600；2.重慶延鋒安道拓汽車部件有限責任公司，重慶 400000）

0 引言

太陽能空氣集熱器是一種有效的太陽能熱收集裝置，因其結構簡單、成本低廉、易于維護等優點而廣泛應用于農作物干燥、農業大棚、建筑采暖等領域[1]，[2]。為了克服空氣低比熱容和低熱導系數的缺點，提高太陽能空氣集熱器熱性能，國內外學者主要從減小集熱器熱損失和提高空氣與吸熱板的對流換熱兩個方面進行改進[3]～[7]。這些研究在一定程度上提高了太陽能空氣集熱器性能，但目前廣泛應用的集熱器材料多為堅硬的金屬和玻璃，質量大、結構較為復雜，難以大面積推廣應用。制備輕質且便宜的太陽能空氣集熱器引起了部分學者的興趣。

Engelhardt[8]基于北極熊皮毛透明隔熱的原理，首次將三維間隔織物與透明薄膜層復合設計了紡織基太陽能空氣集熱器。透明間隔織物不僅允許太陽光的透過，交叉排列的間隔絲還能阻隔熱量的散失，同時，交叉排列的間隔絲有利于空氣湍流效應的產生，提高空氣與吸熱板的換熱系數，是一種潛在的工業用換熱材料。為了研究間隔織物收集太陽能的可行性，Jia[9]通過試驗及仿真方法，研究了間隔織物作為透明隔熱層時的平板空氣集熱器性能，證明隔熱層能有效減少集熱器上表面熱損失。Zhu[10]進一步將間隔織物復合材料作為通風換熱層，結果表明，間隔絲表面涂有吸熱涂層的空氣集熱器性能高于間隔絲表面無涂層的集熱器。紡織基太陽能空氣集熱器作為新型集熱器，集熱器結構和間隔織物參數對集熱器性能的影響有待進一步研究。

本文在前人研究基礎上，設計了新型的雙層紡織基太陽能空氣集熱器，兩種參數不同的透明間隔織物復合材料分別作為集熱器的通風換熱層和透明隔熱層。通過戶外試驗，對比了單、雙層紡織基太陽能空氣集熱器集熱性能，研究了間隔織物間隔絲密度、入口流量對集熱器性能的影響，為優化高性能紡織基太陽能空氣集熱器提供依據。

1 紡織基太陽能空氣集熱器

紡織基太陽能空氣集熱器的主體部分是中空的三維間隔織物復合材料。試驗所用的間隔織物均在拉舍爾經編機上編織而成。為了最大限度透過太陽光，間隔織物表面設計為六角網眼結構，表面及間隔絲均為透明滌綸單絲。間隔絲將上下兩個表層連接起來，通過調整經編機隔距來控制間隔絲長度，可得到厚度不同的三維經編間隔織物。本文用到的間隔織物1#和2#的結構參數如表1所示。

表1 間隔織物1#和2#的結構參數Table 1 Structural parameters of spacer fabric 1#and 2#

PDMS具有透明、柔韌、抗老化、粘附性好等特點，是優異的柔性透明涂層。因此，間隔織物上表面固化的是厚度為1 mm，太陽光透過率為0.90的PDMS透明層；下表面固化的是厚度為1 mm，吸收率與發射率均為0.95，熱導率為0.51 W/（m·℃）的炭黑與PDMS混合的吸熱層。此外，集熱器保溫層為厚度為50 mm，熱導率為0.03 W/（m·℃）的硅酸鋁保溫棉。間隔織物復合材料及雙層紡織基太陽能空氣集熱器基本結構如圖1所示。

圖1 間隔織物復合材料及雙層紡織基太陽能空氣集熱器基本結構Fig.1 Structure of spacer fabric composites and double layer textile-based solar air collector

2 試驗設備及裝置

圖2為紡織基太陽能空氣集熱器測試系統。為評估紡織基太陽能空氣集熱器，根據GB/T4271-2007《太陽能集熱器熱性能試驗方法》和GB/T26977-2011《太陽能空氣集熱器熱性能試驗方法》標準，搭建并測試集熱器熱性能[11]，[12]。上海地處北緯31°，安裝時集熱器與地面成45°朝南放置；集熱器尺寸為1 000 mm×400 mm；測試系統在風機正壓條件下工作。

圖2 紡織基太陽能空氣集熱器測試系統Fig.2 The setup of textile-based solar air collector

3 太陽能空氣集熱器熱性能評價指標

在穩態條件下，太陽能空氣集熱器的瞬時集熱效率η為該集熱器實際獲得的有用功率與該集熱器表面接收到的太陽能輻射功率之比。在通風集熱試驗中，空氣實際獲得的有用功率Q˙的計算式為

式中：m˙為空氣出口質量流量，kg/s；cpda為平均溫度條件下干空氣的比熱容，J/（kg·℃）；ΔT=（to-ti），ti，to為空氣進、出口平均溫度，℃。

根據標準，基于集熱器輪廓采光面積Ac的瞬時集熱效率η也可由集熱器的進口溫度歸一化溫差Ti*表示：

式中：G為太陽輻照度，W/m2；FR為太陽能空氣集熱器的熱轉移因子；（τα）e為集熱器的有效透射吸收積；UL為集熱器的總熱損系數，W/（m2·℃）；ta為環境溫度，℃。

通過調節集熱器進口溫度，測試得到不同工況下的試驗參數。運用線性回歸分析，擬合出基于進口溫度和輪廓采光面積的單雙層集熱器的η隨Ti*的變化曲線。由于FR，UL和（τα）e均為常數，此時，η與Ti*為線性關系，依據式（2），該直線斜率的絕對值為FRUL，在縱軸上的截距為FR（τα）e，由此可以計算出該條件下，集熱器的熱轉移因子和總熱損系數。

4 結果分析與討論

4.1 單、雙層結構對集熱器集熱效率影響

首先比較當空氣質量流量為0.023 kg/（m2·s）時，單、雙層紡織基太陽能空氣集熱器的集熱性能。為降低太陽輻射變化帶來的誤差，試驗選擇在天氣晴朗、太陽輻照度相對穩定的中午前后，即11：00-14：00進行。兩種結構集熱器的溫度和太陽輻照度隨時間變化情況如圖3所示。由圖可知，空氣出口溫度與太陽輻照度成正比，雙層結構集熱器空氣出口溫度在中午12時達到最大，約為60℃，比單層結構集熱器高約12℃。除測試雙層結構集熱器時太陽輻照度略高的因素外，雙層結構集熱器也在一定程度上提升了空氣出口溫度。

圖3 兩種結構集熱器的溫度和G隨時間變化情況Fig.3 Variation of temperature and solar irradiance with time for single-layer and double-layer solar air collectors

在質量流量為0.023 kg/（m2·s）時，兩種結構集熱器η與Ti*的關系如圖4所示。

圖4 兩種結構集熱器η與T i*的關系Fig.4 Relationship betweenηand T i*for two types of solar air collectors

單、雙層結構集熱器擬合得到的集熱效率方程分別為η=0.58-6.74Ti*和η=0.64-5.69Ti*，已知單、雙層結構集熱器的（τα）e分別為0.86和0.66，由式（2）計算得到單層結構集熱器的FR和UL分別為0.67和10.06 W/（m2·℃）；雙層結構集熱器的FR和UL分別為0.97，5.87 W/（m2·℃）。根據擬合得到的集熱效率方程式，當空氣進口溫度等于環境溫度時，單、雙層結構集熱器的最大瞬時集熱效率分別為0.58和0.64。綜上所述，雙層紡織基太陽能空氣集熱器的上層間隔織物復合材料具有較好的保溫效果，盡管增加一層間隔織物會降低太陽光的透過率，但集熱器總體性能提高優于部分性能降低，因此，雙層結構集熱器總體集熱性能優于單層結構集熱器。

4.2 間隔絲密度對集熱器集熱效率影響

紡織基太陽能空氣集熱器的間隔絲數量會影響集熱器對流換熱強度的大小，因此，探究間隔絲密度對集熱器集熱效率的影響，指導間隔織物設計，是提高紡織基太陽能空氣集熱器性能的方法之一。本文通過調節間隔絲參數，制備了4種不同間隔絲密度的間隔織物作為通風層。4種間隔絲密度不同的空氣集熱器的溫度和太陽輻照度隨時間變化情況如圖5所示。

圖5 不同間隔絲密度的空氣集熱器的溫度和太陽輻照度隨時間變化情況Fig.5 The variation of temperature and solar irradiance of solar air collectors with different spacer filament density

試驗所用的模型為雙層結構，通風層的間隔絲密度分別為24，28，32，36根/cm2。進行戶外試驗時，空氣質量流量為0.023 kg/（m2·s），測試時間為天氣晴朗、太陽輻照度相對穩定的11：00-14：00時。

盡管試驗時天氣相對晴朗，但烏云的存在對太陽輻照度有較大影響，尤其在測試間隔絲密度為32根/cm2的紡織基太陽能空氣集熱器時，13時后太陽輻照度波動較大，但出口空氣溫度波動不大，表明暫時性的太陽輻照度對集熱器進出口溫度影響不大。當太陽輻照度持續下降時，出口溫度會隨著太陽輻照度的降低而下降。另外，太陽輻照度的波動對集熱器瞬時集熱效率影響較大。圖6為4種間隔絲密度不同的空氣集熱器瞬時集熱效率曲線。

圖6 4種間隔絲密度的空氣集熱器瞬時集熱效率曲線Fig.6 Instantaneous thermal efficiency of solar air collectors with four spacer filament densities

由圖6可知，太陽輻照度波動引起間隔絲密度為32根/cm2的集熱器的瞬時效率大幅度波動。總體來看，集熱器的集熱效率在一定范圍內波動，間隔絲密度為36，32，28，24根/cm2的4組集熱器的瞬時集熱效率平均值分別在0.59，0.52，0.47，0.42左右。綜上可知，間隔絲密度影響紡織基太陽能空氣集熱器的集熱性能，集熱器瞬時平均集熱效率隨間隔絲密度的增加而增大。

4.3 空氣質量流量對集熱器集熱效率影響

4種間隔絲密度不同的集熱器分別在質量流量為0.016，0.023，0.030，0.037 kg/（m2·s）的條件下進行戶外試驗。由于數據量大，進出口溫差和太陽輻照度隨時間變化圖不集中在文章中顯示。

圖7為4種間隔絲密度不同的空氣集熱器在空氣質量流量為0.037 kg/（m2·s）時進出口空氣溫差ΔT與G的關系。由圖7可知，4種集熱器的ΔT均隨G的增加而增加，與另外3組空氣質量流量下的結果相同。這是因為高太陽輻照度下，單位時間內集熱器得熱量更多，傳遞到空氣的熱量也更多，故ΔT更高。同時，ΔT隨間隔絲密度的增加而增加，當間隔絲密度為36根/cm2時，集熱器進出口溫差最高，另外3組空氣質量流量下的結果亦是如此。這是因為高間隔絲密度織物增強了吸熱板與空氣的對流換熱強度，延長了吸熱板與空氣對流換熱時間，提高了空氣出口溫度。

圖7 4種間隔絲密度的空氣集熱器ΔT與G關系Fig.7 Relationship betweenΔT and G of air collectors with four spacer filament densities

圖8為4種間隔絲密度的空氣集熱器在不同空氣質量流量下的ΔT和平均集熱效率值。

圖8 4種間隔絲密度的空氣集熱器在不同空氣質量流量下的ΔT和平均集熱效率Fig.8ΔT and average thermal efficiency of the different solar air collectors with four spacer filament densities at different mass flow rates

集熱器ΔT取太陽輻照度為800 W/m2時對應的值，由圖8（a）可知，4種集熱器的ΔT均隨空氣質量流量的增加而減小。這是因為空氣質量流量增加，即空氣流速變快，空氣在集熱器內部停留時間變短，使出口溫度偏低。圖8（b）顯示4種集熱器的平均集熱效率隨空氣質量流量的增加而增加，在空氣質量流量為0.037 kg/（m2·s）時，間隔絲密度為36根/cm2的紡織基太陽能空氣集熱器集熱效率約為0.64。這是因為當空氣流速增大時，空氣與吸熱板之間的湍流作用變強，吸熱板與空氣的對流換熱增強。根據集熱效率式（2）可知，集熱器集熱效率是由空氣流量和進出口溫差共同決定的，因此，雖然空氣質量流量越大，空氣進出口溫差越小，但同時流量越大，單位時間內空氣帶走的熱量越高，故集熱器整體集熱效率是隨著空氣質量流量的增加而增大。

5 結論

本文設計了一種雙層紡織基太陽能空氣集熱器，其在集熱器上表面增加一層三維間隔織物復合材料作為透明隔熱層。通過戶外試驗測試，對集熱器的熱損和集熱效率進行了評估，得到如下結論。

①單、雙層紡織基太陽能空氣集熱器的總熱損系數UL分別為10.06 W/（m2·℃）和5.87 W/（m2·℃），說明間隔織物能提高該柔性集熱器的隔熱效果，是一種優良的透明隔熱材料。與單層相比，雙層結構集熱器結構更加穩定，集熱效率更高。

②雙層紡織基太陽能空氣集熱器的平均集熱效率隨間隔絲密度的增加而增大。在空氣質量流量為0.023 kg/（m2·s）時，間隔絲密度為36，32，28，24根/cm2的4種集熱器平均集熱效率分別為0.59，0.52，0.47和0.42。

③紡織基太陽能空氣集熱器的進出口空氣溫差隨空氣質量流量的增加而減小，平均集熱效率隨空氣質量流量的增加而增大。在空氣質量流量為0.037 kg/（m2·s）時，間隔絲密度為36根/cm2的集熱器的平均集熱效率最大，為0.64。

因此，在高質量流量下，通風層選用高密度間隔織物的雙層紡織基太陽能空氣集熱器集熱性能更佳。與常用太陽能空氣集熱器相比，本文研究的雙層紡織基太陽能空氣集熱器的集熱效率中等，后續設計間隔絲表面有吸熱涂層的間隔織物作為集熱器主體吸熱材料，可更大程度上提高集熱器集熱效率。