太陽能集熱器空氣/水雙循環(huán)換熱特性模擬研究

馬進偉，李 蔥，方 浩，杜 濤

（安徽建筑大學 環(huán)境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

太陽能雙效集熱器將加熱水和空氣的功能相結(jié)合實現(xiàn)光熱利用，廣泛應用于建筑采暖、生活用水、產(chǎn)品干燥等領(lǐng)域[1-3]。

目前，為提高集熱器的工作性能，國內(nèi)外學者對太陽能集熱器展開了大量的研究工作。Saim等[4-6]通過實驗和模擬研究了不同翅片結(jié)構(gòu)對太陽能空氣集熱器集熱效率的影響；胡建軍等[7]利用構(gòu)建的空氣集熱器模型，分析了集熱器內(nèi)部主動旋流和被動旋流的流動及傳熱特性；賈斌廣等[8]提出渦旋型太陽能空氣集熱器并優(yōu)化了擾流板的結(jié)構(gòu)布置，進一步提升集熱效率；劉爽等[9-10]對不同換熱結(jié)構(gòu)的空氣流道進行優(yōu)化，模擬結(jié)果顯示集熱效率最高達到51.29%。Ma 等[11]將雙效集熱器與建筑相結(jié)合，對冬季采暖工況展開實驗研究。結(jié)果表明，室內(nèi)溫度提高明顯，節(jié)能效果顯著；童維維等[12]基于Fluent 軟件平臺對比模擬光電-空氣、光電-水模式下的能效比率。綜上所述，有關(guān)空氣集熱器的研究已較為廣泛，而有關(guān)水集熱、空氣-水復合集熱的模擬研究少有涉及。

針對上述問題，本文提出一種利用太陽能加熱水/空氣的雙效集熱裝置，能夠根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)集熱工況，解決空氣、水單一集熱模塊季節(jié)性適用問題，同時空氣、水集熱模塊的一體化結(jié)構(gòu)可有效節(jié)約占地面積，實現(xiàn)太陽能的綜合利用。結(jié)合夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點，運用Computational Fluid Dynamics（簡稱CFD）技術(shù)數(shù)值模擬集熱器的換熱工質(zhì)在不同工況下，水集熱、空氣集熱和空氣-水復合集熱的換熱特性，拓寬太陽能集熱器的應用領(lǐng)域，為進一步優(yōu)化集熱器性能提供新的思路和理論依據(jù)。

1 雙效集熱器模型

1.1 物理模型

太陽能雙效集熱器物理模型如圖1 所示，空氣流道為下風道式。集熱器尺寸大小為2 000 mm×1000 mm×80 mm，其中，吸熱板長1 950 mm，寬950 mm。吸熱板上側(cè)為高度25 mm 的空氣夾層，高度35 mm 的空氣流道分布在吸熱板下側(cè)。7 根內(nèi)徑8 mm 的銅管均勻焊接在吸熱板的背面，兩端與直徑為22 mm 的集水管相連。集熱器底部和邊框采用玻璃纖維進行保溫。表1 為集熱器的各項物性參數(shù)。

表1 物性參數(shù)表

圖1 下流道式太陽能雙效集熱器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學模型

雙效集熱器中工質(zhì)的循環(huán)流動滿足以下方程：

（1）連續(xù)性方程

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ux，uy，uz為速度在x，y，z方向上分量，m/s。

（2）能量守恒方程

式中，T 為溫度，K；λ為導熱系數(shù)，W/（m·K）；cp為工質(zhì)比熱容，J/（kg·K）；Sk為內(nèi)熱源項，w。

（3）動量守恒方程

式中，?P為壓力梯度，Pa；ψ為粘滯阻力N；v為速度，m/s；φ為體積力，N；其它參數(shù)含義如前。

2 模擬過程及方法

2.1 邊界設(shè)定

（1）環(huán)境溫度設(shè)為300 K，吸熱板作為內(nèi)熱源；

（2）玻璃蓋板設(shè)置對流與輻射混合邊界；

（3）集熱器四周為對流換熱邊界；

（4）水管與空氣接觸面設(shè)為耦合邊界；

（5）空氣及水進口設(shè)為速度入口，出口設(shè)為壓力出口。

2.2 網(wǎng)格劃分

利用SpaceClaim DesignModeler（SCDM）對集熱器模型精細化分割，網(wǎng)格劃分采用Ansys Meshing進行，局部結(jié)構(gòu)采用加密網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)格數(shù)在129 萬時，模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定。因此，本模擬中網(wǎng)格數(shù)選擇為130 萬。

2.3 模型選擇

由于集熱器內(nèi)部工質(zhì)流速較低，溫度變化幅度較大，溫度分層明顯，故選用Boussinesq 假設(shè)考慮浮升力的影響。為更好地解釋渦流、射流、二次流等復雜流動，采用Realizable k —ε 模型考慮流體粘性和耗散率對傳熱過程的影響較為合適。選擇DO 輻射傳熱模型，在空氣集熱，水集熱和空氣-水復合集熱模式下均采用SIMPLIC 算法。動量與能量離散方程采用二階迎風差分格式，壓力離散方程采用Body Force Weighted，湍動能及DO 離散方程采用一階迎風差分格式。

2.4 集熱效率

集熱效率為工質(zhì)熱能的增量與太陽輻照能之比：

其中：m˙ 為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；Δt 為工質(zhì)的進出口溫差，K；Ak為吸熱板的面積，m2；G0為太陽能輻照強度，800 W/m2。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 水集熱模擬

為探究水流速度變化對水出口溫度和集熱效率的影響，當水流入口溫度為300 K 時，改變水流進口流速（0.01～0.1 m/s），水出口溫度及集熱效率變化趨勢如圖2 所示。由圖分析可知，隨著水流速度的增加，集熱效率逐漸提升，但提升幅度不斷減小，流速0.1 m/s 時集熱效率最高，可以達到66.58%。顯然可見，出口水溫隨著流速的增加逐漸降低，當水流速度為0.1 m/s 時，水溫僅升高6.21 K，但集熱效率較0.01 m/s 時提高23.74%。因此，提高水進口流速能有效提高水集熱工況下的集熱效率。

水進口流速0.1 m/s，溫度300 K 時，吸熱板溫度分布云圖如圖3（a）所示。數(shù)據(jù)顯示，吸熱板的平均溫度為317.87 K，最高溫度可以達到344.61 K，吸熱板溫度分布差異較為明顯，這是因為隨著水流沿銅管方向逐漸被加熱，水溫逐漸提升，銅管與吸熱板間的換熱量減少。因此，靠近水出口處的吸熱板相對于進口處具有更高的溫度。圖3（b）反映了水集熱過程中銅管溫度分布，可見水集熱過程中水溫得到有效提升。集水管出口溫度略低于支管水溫，原因在于集水管會與周圍環(huán)境發(fā)生對流換熱，溫度有所降低。

圖3（a） 水集熱工況下吸熱板溫度分布

圖3（b） 水管溫度分布

水流進口溫度對集熱器效率的影響如表2 所示。水流進口速度為0.1 m/s 的工況下，改變進口溫度，隨著進口溫度的提高，水集熱效率不斷降低。當進口溫度為290 K 時，效率最高為74.73%，較進口溫度為310 K 時提高了16.29%。從能量利用效率來看，水集熱更加適用于春秋季節(jié)。其主要原因是在冬季時，雖然能夠容易獲得較低的進口溫度，但外部環(huán)境溫度過低，集管、吸熱板與外界環(huán)境溫差大，會造成大量的熱量損失。在夏季，雖然能夠獲得高溫熱水，但是由于進口水溫較高，效率明顯低于春秋兩季。

表2 水進口溫度對集熱效率的影響

3.2 空氣集熱模擬

圖4 反映了空氣集熱效率、空氣出口溫度隨空氣進口流速的變化趨勢。進口空氣溫度為300 K的工況下，改變空氣進口流速（0.2～1.0 m/s），隨著進口流速的增加，集熱效率逐漸升高，當流速為1.0 m/s 時，集熱效率為51.74%，較流速0.2 m/s 時效率提高了28.94%。結(jié)果顯示，空氣出口溫度隨進口流速的增加逐漸降低，但降低幅度逐漸減小。當空氣進口流速由0.2 m/s 增大到1.0 m/s 時，出口溫度由339.16 K 降低到317.77 K，溫度變化幅度達21.39 K，原因在于隨著空氣流速的增加，空氣與吸熱板換熱時間減少，換熱量降低。

圖4 空氣進口流速對空氣集熱性能的影響

空氣集熱效率隨進口溫度變化趨勢如表3 所示?？諝膺M口流速為0.5 m/s 時，空氣進口溫度從290 K 變化到310 K。數(shù)據(jù)顯示，空氣集熱效率隨進口溫度升高逐漸降低，當進口溫度為310 K 時，其瞬時集熱效率僅為31.68%，較進口溫度290 K時降低了13.39%，且其變化趨勢接近線性變化。從表3 分析可知，空氣集熱適用于冬季建筑采暖，原因在于冬季室外空氣溫度較低，對應著更高的空氣集熱效率。當進口溫度為290 K，流速為0.5 m/s 時，出口溫度可以達到320.96 K，集熱器效率達到45.07%，可以滿足冬季室內(nèi)采暖需求。

表3 空氣進口溫度對集熱效率的影響

空氣進口流速0.5 m/s，溫度300 K 時，空氣出口溫度分布如圖5（a）所示，空氣出口存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，靠近吸熱板一側(cè)的空氣溫度明顯高于底部空氣溫度，原因在于空氣與吸熱板換熱過程中溫度較高的空氣密度較低，在浮升力的作用下逐步聚集在集熱板附近，而溫度較低的空氣，密度較大，在重力作用下，向底部聚集。同時，底部的熱空氣與集熱器背部發(fā)生對流換熱，溫度進一步降低。因此，在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，空氣集熱器的下流道不宜過高，一般取15 mm-25 mm[13]。此工況下吸熱板溫度分布如圖5 （b）所示，當空氣進口流速為0.5 m/s，溫度300 K 時，吸熱板平均溫度為346.95 K，最高溫度為351.83 K，吸熱板溫度較水集熱工況下提高了32.08 K，但溫度分布的均勻性有所提高。

圖5（a） 空氣出口溫度分布

圖5（b） 空氣集熱工況下吸熱板溫度分布

3.3 空氣-水復合集熱模擬

空氣進口流速0.5 m/s 時，改變水進口流速（0.06 ～0.10 m/s），復合模式下的各項集熱效率變化趨勢如表4 所示。水集熱效率、空氣-水復合集熱效率隨水進口流速增加而緩慢提高，空氣集熱效率則略有下降。當水流速為0.1 m/s 時，空氣-水復合集熱效率達到最佳。水進口流速為0.1 m/s，改變空氣進口流速（0.1 m/s～0.5 m/s），各項集熱效率如表5 所示，空氣集熱效率，空氣-水復合集熱效率隨空氣進口流速增加逐漸提高，而水集熱效率緩慢下降。當進口流速為0.5 m/s，空氣-水綜合集熱效率達到最佳，為71.66%。綜合表4 及表5 可以看出，改變單一工質(zhì)的流速能夠提高空氣-水復合集熱的瞬時效率，但會降低另一工質(zhì)的瞬時集熱效率。因此，在空氣-水復合集熱工況下，空氣集熱效率與水集熱效率存在相互制約的現(xiàn)象。

表4 不同水進口流速工況下各項集熱效率

表5 不同空氣進口流速工況下各項集熱效率

空氣進口流速0.5 m/s，水進口流速0.1 m/s，進口溫度為300 K 時，吸熱板溫度分布情況如圖6 所示，吸熱板平均溫度為313.92 K，最高溫度為333.14 K。空氣-水復合集熱工況下，吸熱板溫度明顯低于空氣集熱、水集熱工況下的吸熱板溫度，空氣-水復合集熱效率較水集熱、空氣集熱工況分別提高了5.08%和33.27%。因此，空氣-水復合集熱能有效提高太陽能集熱器的熱性能。其主要原因是復合集熱工況能夠帶走更多的熱量，有效降低吸熱板與玻璃蓋板之間的溫差，減少與周圍環(huán)境之間的輻射散熱，吸熱板溫度分布情況與水集熱工況類似。

圖6 空氣-水復合集熱工況下吸熱板溫度分布

4 結(jié)論

（1）模擬結(jié)果顯示，集熱器空氣進口流速1.0 m/s，進口溫度為300 K 時，集熱效率為51.74%；水進口流速0.1 m/s、進口水溫290 K 時，集熱效率可以達到74.73%。相比于空氣集熱，水集熱效率更高。

（2）空氣-水復合集熱模式下，提高空氣或水的流速可以提高復合集熱效率，但空氣和水的瞬時集熱效率存在相互制約的情況。水流進口速度0.1 m/s、空氣進口速度0.5 m/s 時，復合集熱效率達到最佳，為71.66%。

（3）從能量利用效率來看，空氣集熱模式適用于冬季建筑物采暖，水集熱模式適用于春秋兩季生產(chǎn)生活熱水，空氣-水復合集熱模式適用于夏季同時獲取熱水、熱空氣。