仿生翅片双通道太阳能空气加热器的火用、可持续性与环境影响分析：全面的第二定律评估

《International Journal of Thermofluids》：Exergy, sustainability, and environmental impact analysis of bio-inspired fin double-pass solar air heaters: A comprehensive second-law assessment

　　

研究人员对仿生翅片双通道太阳能空气加热器（DPSAH）进行了第二定律分析。研究发现，辐照不可逆性导致了近85%的火用破坏。最大热工水力性能因子（THPF）为2.773，出现在雷诺数Re = 3000和相对翅片高度比h/H = 0.50处。尽管在高Re下热效率提高，但火用效率呈下降趋势。研究人员提出了环境影响因子（EIF）用于可持续性分析。

随着全球对可持续清洁能源系统的需求日益增长，太阳能热利用技术受到广泛关注。太阳能空气加热器（SAH）因结构简单、维护成本低、无腐蚀运行以及适用于空间供暖、农产品干燥、木材调湿和工业过程加热等场景而被普遍采用。然而，空气固有的低密度、低导热系数和低对流换热系数限制了传统SAH的热性能，导致吸热板温度升高、向环境的热损失增大、整体热效率下降。为强化换热，研究者探索了多种人工粗糙结构，如肋条、挡板、翅片和涡流发生器。其中，双通道太阳能空气加热器（DPSAH）因工质两次通过集热器而显著增加有效换热面积。近年来，受蜻蜓翅翼波纹结构启发的仿生翅片被引入DPSAH，显示出在低雷诺数下抑制流动分离、改善流体混合的潜力，同时摩擦损失较传统锐边粗糙结构更低。尽管已有大量研究关注热效率提升，但热效率仅反映能量数量，无法揭示能量转换品质。火用分析基于第二定律，通过量化不可逆性评估能量品质，对太阳能系统尤为重要。已有学者对粗糙表面SAH开展火用分析，但针对仿生翅片DPSAH的全面第二定律评估，特别是结合可持续性指标与环境影响因子（EIF）的研究仍较缺乏。因此，本研究旨在填补这一空白。

研究人员将Vyas等人经实验验证的Nusselt数和摩擦系数关联式集成到Hottel–Whillier–Bliss（HWB）热模型中，对仿生翅片DPSAH在Re = 3000–21000、相对翅片高度比h/H = 0.17–0.50范围内进行了系统的热、火用、可持续性和环境影响评估。研究发表于《International Journal of Thermofluids》。主要结论包括：辐照不可逆性为主导损失源，确立平板式太阳能空气加热器的基本热力学极限；热效率随Re增大而提高，但火用效率下降，体现第一定律与第二定律的内在权衡；EIF随Re显著增加，表明单纯热效率提升并不等于可持续性改善；仿生翅片配置始终优于优化机翼构型，火用效率和EIF约改善10–11%；最佳运行工况出现在低Re（3000–6000）和高h/H（0.50）区间。该研究提出了结合火用效率、火用破坏分解和多重可持续性指标的综合评估框架，对高性能太阳能集热器设计具有指导意义。

技术方法方面，研究人员采用HWB集总参数热模型，利用Vyas等人基于三维CFD模拟并经实验验证的Nusselt数和摩擦系数关联式预测集热器性能，其中基础实验数据来源于Nagaraj等人的基准研究。火用输入采用Petela关系式计算，总火用破坏分解为光学火用损失、热损失火用、辐照不可逆性、流体换热不可逆性和摩擦火用损失五个分量。可持续性指标包括可持续性指数（SI）、废物能比（WER）、改善潜力（IP）以及新提出的环境影响因子（EIF）。在上述方法中，未涉及额外样本队列，所有数据均来自已有文献。

研究结果部分如下。相对Nusselt数和相对摩擦因子方面，随着Re增加，两者的比值均单调下降，这是人工粗糙通道的普遍行为。低Re下，粘性底层较厚，翅片可穿透底层产生涡旋和分离再附着现象，显著增强传热；高Re下粘性底层减薄，翅片增益减弱。在Re = 3000时，Nu/Nu_s在h/H = 0.33和0.50时分别为2.46和2.49，接近饱和，表明翅片深度增大到一定程度后会与相对壁面边界层相互作用，产生部分抵消效应。热工水力性能因子方面，THPF在全参数空间内均大于1，最大值为2.773，出现在Re = 3000、h/H = 0.50处，较光滑通道提高177%，且在Re ≈ 9000附近出现斜率变化的双区特征。吸热板温度和热效率方面，吸热板平均温度随Re增大而从347.6 K降至313.6 K，热效率从50.3%升至71.8%，但增速在Re > 10000后放缓。火用损失分解方面，辐照不可逆性几乎恒定为约150 W，占总火用破坏的85.2%–85.5%，是绝对主导项；光学火用损失约28.1 W，占15.97%；热损失火用随Re增大而减小；流体换热不可逆性对Re不敏感；摩擦火用损失始终低于0.10 W。火用效率方面，η_EX随Re增大单调下降，从最高1.38%（Re = 3000，h/H = 0.50）降至0.13%，其原因在于出口空气温度降低导致输出火用品质稀释，以及辐照不可逆性的近恒定性。可持续性指数方面，SI随Re增大而单调上升，从1.0140增至1.0314，表明高Re下单位火用损失所获得的有用火用更多，资源生产率提高。废物能比和改善潜力方面，WER始终在0.986–0.999之间，表明98%以上的输入火用被不可逆破坏；IP则从2.395 W降至0.118 W，反映系统逼近其火用上限。环境影响因子方面，EIF随Re增大呈近一个数量级的增长，在h/H = 0.50下从71.5升至794.7，并且EIF随h/H增大而单调降低，说明高Re运行虽能提高热效率，但环境负荷显著增大。对比分析方面，仿生翅片在所有四个指标上均优于优化机翼翅片，在Re = 3000、h/H = 0.50时火用效率提高10.9%、EIF降低10.2%，优势归因于蜻蜓翅翼启发的波纹轮廓减少了流动分离。综合可持续性评估方面，研究者指出SI与EIF的相反趋势源于两者衡量不同属性：SI衡量资源生产率，EIF衡量单位有用输出造成的火用浪费，因此需要联合报告才能全面反映系统可持续性。

讨论部分指出，热效率提升与火用效率下降的矛盾源于输出能量品质的降低。高Re下大量空气被加热，但出口温度接近环境温度，导致火用含量下降。因此，实际设计需根据具体加热需求权衡热功率与火用效率，可采用变速风机控制，在部分负荷下运行于低Re以改善火用利用，而在需要大加热量时允许高Re运行。研究还指出，工程应用中仿生翅片虽增加一定制造复杂度，但可通过冲压或滚压成型等成熟工艺制造，其热力学优势可抵消部分制造成本。本研究结论的适用范围限于已验证的集热器几何和工况，未来应开展更多几何构型的扩展、不确定性传播分析和生命周期环境评估。

结论部分可概括为：本研究通过集总热模型与火用分析的结合，对仿生翅片DPSAH进行了全面的第二定律评估。辐照不可逆性是主导损失机制，构成平板集热器不可逾越的热力学底线，而流体换热和摩擦不可逆性属于可通过几何优化控制的部分。热效率随Re增大而提高，但火用效率下降，展现了第一定律与第二定律之间不可调和的权衡。EIF随Re急剧增大，说明传统热效率指标掩盖了环境负担的恶化。仿生翅片在火用效率、SI、WER和EIF等指标上全面优于优化机翼翅片，且其优势集中在低Re区域。在Re = 3000–6000、h/H = 0.50范围内可获得热性能、火用利用和可持续性的最佳平衡。超过Re ≈ 15000后，翅片高度的影响逐渐消失，进一步优化收益甚微。所提出的结合火用效率、火用破坏分解、SI、WER、IP和EIF的框架为先进太阳能空气加热器的评价与优化提供了超越第一定律的综合方法论。