摘要
平板太阳能集热器作为重要的太阳能低温热利用装置，包括太阳能空气集热器和太阳能水集热器两种，被广泛应用于建筑采暖领域。然而，夏季时太阳能空气集热器因高温会出现闲置的情况；冬季时太阳能水集热器因低温会出现冰冻的风险，单一集热工质的平板太阳能集热器难以满足不同季节的集热需求，且瞬时集热效率低下，明显降低了系统的经济效益。因此，本文设计了一种平板太阳能空气-水双效集热器，兼具空气、水集热功能，通过多种工作模式的自由切换，有效地提高了平板太阳能集热器的利用率与集热性能。 本文采用数值模拟方法，以工质出口温度、瞬时集热效率和总热损系数作为评价指标，分析了空气集热模式、水集热模式和空气-水双效集热模式时，若干关键参数及不同传热强化措施对太阳能双效集热器热性能的影响。具体研究内容及结论如下： （1）以常规平板太阳能水集热器为基础，构建了平板太阳能双效集热器的主体；分别研究了集热排管间距、玻璃盖板与吸热板间距、吸热板厚度对太阳能双效集热器热性能的影响，研究显示：当排管间距为120.0mm、板间距为22.5mm和吸热板厚度为0.8mm时，太阳能双效集热器的综合性能最佳。基于最优结构参数模型，研究了空气/水进口温度、空气/水进口质量流量、太阳辐射强度、环境风速和环境温度对太阳能双效集热器热性能的影响，同时分析了工质进口参数、环境参数对集热性能影响的显著性。 （2）改变空气、水的相对流向，对比分析了不同流向形式下太阳能双效集热器的热性能，结果表明：当空气、水的流向相反，即“逆流”时，太阳能双效集热器具有更高的热性能，进出口设置的最佳组合是“空气东向-水西向”。 （3）通过对太阳能双效集热器设置双层玻璃盖板进行结构优化，发现双层玻璃盖板之间的最佳空气层厚度为15.0mm。空气集热模式下，相较于单层玻璃盖板太阳能双效集热器，双层玻璃盖板太阳能双效集热的总热损系数下降显著。 （4）采用直肋片、纳米流体分别从空气侧、水侧对双层玻璃盖板太阳能双效集热器进行强化传热研究。研究表明：在空气上流道、空气下流道上加装直肋片，分别起到削弱集热、强化集热的效果，推荐的空气下流道肋片高度值为12.5mm。氧化石墨烯纳米流体代替纯水作为液态集热工质，水得热量和水集热效率明显增大；其浓度越高、集热性能越好，当浓度为0.2%的氧化石墨烯纳米流体综合性能最佳。
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