在國際能源署太陽能供熱與制冷任務(wù)73“PVT供暖系統(tǒng)”中，采用空氣作為工質(zhì)的光伏光熱集熱器正受到評(píng)估。這些集熱器可在發(fā)電的同時(shí)預(yù)熱建筑物內(nèi)的通風(fēng)空氣，如上圖所示位于蒙特利爾康科迪亞大學(xué)約翰·莫爾森商學(xué)院的安裝實(shí)例所證實(shí)。大多數(shù)此類集熱器依靠通過安裝于光伏板后方的穿孔（透氣）面板抽取空氣。然而，這類集熱器的性能受多種因素影響，包括大氣條件和運(yùn)行狀況。因此，產(chǎn)品評(píng)級(jí)和設(shè)計(jì)工具亟需進(jìn)行修訂，以充分考慮上述各種影響因素。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵在于深入理解透氣型空氣集熱器的獨(dú)立運(yùn)行特性，以及是否存在符合公認(rèn)國際標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品表征方法。目前，這類集熱器尚未完全納入集熱器標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 9806或美國標(biāo)準(zhǔn)ICC 901/SRCC 100的覆蓋范圍。

在任務(wù)73中，加拿大公司QSBR Innovations與加拿大女王大學(xué)正攜手填補(bǔ)這一空白。其設(shè)想是制定一種測(cè)試方案，能夠準(zhǔn)確評(píng)估透風(fēng)式空氣集熱器在各種典型工況下的性能。目標(biāo)在于探究是否可對(duì)ISO的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法加以改進(jìn)，以用于表征透風(fēng)式集熱器，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品評(píng)級(jí)及大規(guī)模裝置的性能驗(yàn)證。我們與女王大學(xué)榮譽(yù)教授斯蒂芬·哈里森博士以及任務(wù)73經(jīng)理科爾比尼安·克拉默就這些活動(dòng)進(jìn)行了交流。

為什么無蓋板的開放式透風(fēng)式空氣集熱器并未完全納入EN ISO 9806集熱器標(biāo)準(zhǔn)？

哈里森：ISO 9806規(guī)定了一種針對(duì)“與環(huán)境相通”空氣加熱型WISC（風(fēng)與紅外敏感集熱器）的測(cè)試方法，但并未專門針對(duì)透風(fēng)式空氣集熱器作出規(guī)定。這類集熱器通過細(xì)小孔洞吸入空氣，這些孔洞通常均勻分布于吸熱板表面，與僅通過單一開口從環(huán)境中吸入空氣的“與環(huán)境相通”集熱器有著本質(zhì)區(qū)別。因此，透風(fēng)式吸熱板內(nèi)的氣流狀況及溫度分布均與前者不同，進(jìn)而影響傳熱系數(shù)。隨著通過透風(fēng)式吸熱板的空氣流量增大（即“抽吸速度”提高），外表面的空氣邊界層可能會(huì)被吸入集熱器內(nèi)部，從而削弱風(fēng)的影響，降低熱損失。編譯 陳講運(yùn)

克拉默：除了上述透風(fēng)式集熱器特有的問題之外，“與環(huán)境相通”集熱器還存在一個(gè)顯著缺陷：其并未提供一套完整的集熱器方程參數(shù)來描述其性能。這類集熱器的性能僅在單一運(yùn)行工況下進(jìn)行評(píng)估，這限制了它們?cè)谀M軟件中的應(yīng)用范圍。這是一個(gè)非常明顯的劣勢(shì)。

斯蒂芬·哈里森博士負(fù)責(zé)該研究項(xiàng)目，作為任務(wù)73工作的一部分。圖片來源：QSBR Innovations

那么，您在第73項(xiàng)任務(wù)中的研究目標(biāo)是什么？

哈里森：我們希望填補(bǔ)ISO 9806:2025標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于透風(fēng)式集熱器的空白。具體思路是，對(duì)已獲認(rèn)可的測(cè)試與評(píng)級(jí)方法——尤其是ISO動(dòng)態(tài)測(cè)試方法——進(jìn)行改進(jìn)，以納入適用于開放至環(huán)境空氣的集熱器的關(guān)鍵參數(shù)，包括透風(fēng)式集熱器。另一個(gè)目標(biāo)是，將小型透風(fēng)式集熱器樣品的測(cè)試結(jié)果與大型全尺寸系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。重要的是，要確定能否將實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果外推到大規(guī)模透風(fēng)式空氣集熱器裝置上。不過，還需開展進(jìn)一步研究，以驗(yàn)證這種外推方法的適用性。

皇后大學(xué)戶外測(cè)試設(shè)施，用于在不同氣候和操作條件下測(cè)試小規(guī)模蒸散采集樣本。使用多臺(tái)風(fēng)速計(jì)、輻射計(jì)以及溫度和濕度傳感器，收集春季、冬季和秋季的詳細(xì)性能數(shù)據(jù)。照片：皇后大學(xué)

到目前為止，你采取了哪些步驟來實(shí)現(xiàn)你的目標(biāo)？

哈里森：最初，我們?cè)谑彝獍惭b了小型透風(fēng)式集熱器樣本，這些樣本能夠在廣泛的運(yùn)行條件和天氣條件下正常工作。借助豐富的氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，我們能夠識(shí)別出影響性能的關(guān)鍵參數(shù)，并將這些參數(shù)納入改進(jìn)后的測(cè)試方法與特性表征中，從而提升產(chǎn)品對(duì)比的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)的可靠性。在我們的研究中，特別關(guān)注了風(fēng)速、長(zhǎng)波輻射交換以及流量對(duì)性能的影

集熱器標(biāo)準(zhǔn)既允許穩(wěn)態(tài)測(cè)試，也支持動(dòng)態(tài)測(cè)試方法。對(duì)于透風(fēng)式空氣集熱器，您推薦采用哪一種測(cè)試方法呢？

哈里森：過去，主要使用穩(wěn)態(tài)測(cè)試，但這需要大量投資于測(cè)試設(shè)施以準(zhǔn)確模擬戶外環(huán)境。動(dòng)態(tài)測(cè)試方法可以在戶外實(shí)際條件下進(jìn)行，但可能需要更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試以量化對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的敏感性。如果開發(fā)用于透風(fēng)式集熱器的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，它們既具有成本效益，也能應(yīng)用于全尺寸系統(tǒng)以驗(yàn)證性能。

克萊默：沒錯(cuò)。在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試小樣本時(shí)，邊緣對(duì)氣流模式和能量損失的影響更為顯著。而準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)試方法則能夠?qū)崿F(xiàn)“原位”測(cè)試，即現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。過去幾年，我們?cè)谠徽J(rèn)證方面積累了非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。不過，這仍然是一種頗具創(chuàng)新性的方法論。在此次任務(wù)中，我們計(jì)劃共享來自多家空氣系統(tǒng)集成商的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這無疑是一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)。

您首次進(jìn)行的立面集熱器測(cè)試結(jié)果是否確認(rèn)可以采用動(dòng)態(tài)測(cè)試方法來測(cè)試透風(fēng)式集熱器？

哈里森：是的，確實(shí)如此。我們的初步測(cè)試表明，動(dòng)態(tài)測(cè)試方法是可行的，并且在識(shí)別關(guān)鍵參數(shù)及產(chǎn)品特定性能方面優(yōu)于目前的穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法。該方法的成功依賴于一個(gè)通用表征方程，其系數(shù)可通過針對(duì)全面數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)分析確定。

克雷默：要測(cè)量此類集熱器的能量增益，必須精確平衡所有進(jìn)出的能量通量。由于空氣是一種可壓縮介質(zhì)，與水基測(cè)試相比，考慮非均勻溫度和氣流分布的難度更大。空氣的濕度對(duì)能量容量有著顯著影響；這一點(diǎn)在當(dāng)今發(fā)表的眾多研究中已得到證實(shí)，而且從空氣加熱型太陽能集熱器所獲得的經(jīng)驗(yàn)在這方面也具有借鑒意義。

哪些參數(shù)對(duì)于透風(fēng)式空氣集熱器的測(cè)試至關(guān)重要？

哈里森：初步結(jié)果顯示，透風(fēng)式空氣集熱器的性能強(qiáng)烈依賴于四個(gè)參數(shù)，其中包括空氣流量（即吸風(fēng)速度）、太陽輻射與熱輻射的交換，以及風(fēng)向。此前的研究還表明，諸如空氣通道深度等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)同樣至關(guān)重要。

那么這和空氣型PVT收集器有什么關(guān)系呢？

哈里森：目前，多家透風(fēng)式空氣集熱器制造商正通過在透風(fēng)式集熱器上方安裝光伏板來構(gòu)建光伏光熱一體化系統(tǒng)，以降低光伏組件的溫度并回收熱能。然而，添加光伏組件無疑會(huì)對(duì)位于其下方的透風(fēng)式吸熱器的熱性能產(chǎn)生影響。吸熱板與光伏板之間空氣間隙的大小至關(guān)重要。

但我們樂觀地認(rèn)為，從透風(fēng)式集熱器測(cè)試中所獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)能夠應(yīng)用于這些光伏光熱一體化設(shè)計(jì)。深入理解并準(zhǔn)確表征特定集熱器的設(shè)計(jì)特征，有望進(jìn)一步提升透風(fēng)式光伏光熱一體化集熱器的性能。不過，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還需對(duì)這些具體設(shè)計(jì)特征開展額外的參數(shù)化或分析性評(píng)估。我們期待在未來能夠解決這些問題。

克萊默：是的。在IEA第73任務(wù)——PVT系統(tǒng)中開展這項(xiàng)工作，將極大地推動(dòng)整個(gè)項(xiàng)目以及對(duì)透風(fēng)式PVT集熱器和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與理解。。當(dāng)然，“非PVT”空氣供暖器也將從這一發(fā)展中獲益。

掃碼或加微583769685索取報(bào)告全文

免責(zé)聲明：本公眾號(hào)文章多來源于公開媒體內(nèi)容，整理、翻譯、編輯而成，僅供讀者參考。文中的觀點(diǎn)和內(nèi)容不具有任何指導(dǎo)作用，對(duì)讀者不構(gòu)成任何項(xiàng)目建議或承諾！如果本文不慎侵犯您的權(quán)益，請(qǐng)加微583769685聯(lián)系，將及時(shí)處理。

1、

2、

3、