張旭龍, 王 珺, 高立新

(1.哈爾濱工業(yè)大學 建筑學院,黑龍江哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術工業(yè)和信息化部重點實驗室,黑龍江哈爾濱150090;3.鹽城市鹽都區(qū)園林綠化管理所,江蘇鹽城224005)

1 概述

近年來,太陽能熱利用技術取得了飛速發(fā)展。太陽能平板空氣集熱器是一種重要的太陽能熱利用裝置,目前已經(jīng)廣泛應用于建筑供暖、農(nóng)作物種植和木材干燥等領域。由于通過透明蓋板散失大量熱量以及集熱器內(nèi)部空氣與集熱板間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小,導致傳統(tǒng)的太陽能平板空氣集熱器集熱效率低,其熱性能亟需改進[1]。

目前對太陽能平板空氣集熱器熱性能的改進主要集中在強化集熱器內(nèi)部空氣與集熱板間的對流換熱,楊舒婷等人[2]通過改變吸熱板的形狀,開發(fā)了一種新型波紋網(wǎng)型太陽能平板空氣集熱器,建立數(shù)學模型并分析各參數(shù)對集熱器熱性能的影響,結(jié)果表明波紋網(wǎng)型集熱器熱性能明顯好于平板型。Romdhane[3]提出通過設置擋板增強腔內(nèi)換熱,結(jié)果表明集熱效率高達80%。El-Sawi等人[4]將人字形金屬吸熱板應用于集熱器,并與普通平板集熱器進行了對比,結(jié)果表明人字形結(jié)構可以使集熱效率提高20%。胡建軍等人[5]對內(nèi)設擋流板的太陽能平板空氣集熱器進行了流動和傳熱分析,結(jié)果表明擋流板可以實現(xiàn)冷熱流體混合,強化傳熱。

相比于強化太陽能平板集熱器內(nèi)部換熱過程的研究,目前對減少透明蓋板熱量散失的研究很少。葉宏等人[6]將透明蜂窩作為蓋板研究了集熱器熱性能,結(jié)果表明帶透明蜂窩的平板集熱器集熱效率明顯大于普通平板集熱器。董福生等人[7]研究了不同蓋板形式下的太陽能平板空氣集熱器的傳熱性能,結(jié)果表明以PC中空陽光板為蓋板的集熱器熱性能優(yōu)于以鋼化玻璃為蓋板的集熱器。無蓋板滲透型太陽能空氣集熱器[8]利用均勻分布在集熱板上的微小孔口吸入空氣,顯著降低了集熱板表面溫度,減少了集熱板向周圍環(huán)境散失的熱量。多孔蓋板型太陽能平板空氣集熱器借鑒無蓋板滲透型太陽能空氣集熱器的結(jié)構特點,將傳統(tǒng)的太陽能平板空氣集熱器的透明蓋板改為多孔蓋板,以期降低蓋板溫度以減少熱損失,提高集熱器的熱性能。本文利用CFD軟件建立了多孔蓋板型太陽能平板空氣集熱器的數(shù)值計算模型,對其熱性能進行了模擬研究。

2 集熱器模型的建立與驗證

2.1 集熱器工作原理

多孔蓋板型太陽能平板空氣集熱器工作原理見圖1。太陽光通過用聚碳酸酯板(PC板)制成的多孔蓋板進入集熱器照射到建筑外墻上的集熱層,太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,集熱層的溫度升高。在風機抽吸作用下,室外空氣通過均勻分布在多孔蓋板上的微孔進入集熱器,被集熱層加熱,然后流出集熱器。

圖1 多孔蓋板型太陽能平板空氣集熱器工作原理

2.2 集熱器熱性能評價指標

空氣經(jīng)過集熱器后的溫升Δt(集熱器出口空氣溫度與進口空氣溫度之差)表征集熱器的加熱能力,是衡量太陽能空氣集熱器熱性能的重要參數(shù)。溫升Δt的計算式為:

Δt=to-ti

式中 Δt——溫升,℃

to——出口空氣溫度,℃

ti——進口空氣溫度,℃

集熱效率是衡量集熱器熱性能最重要的參數(shù),為單位時間內(nèi)太陽能空氣集熱器獲得的有效集熱量與投射到集熱器上的太陽輻射能之比。集熱效率η的計算式為:

式中η——集熱效率

qm——空氣質(zhì)量流量,kg/s

cp——空氣的比定壓熱容,J/(kg·K),取1 000 J/(kg·K)

E——太陽輻射照度,W/m2

A——PC板(包括小孔)的面積,m2

2.3 數(shù)值模型的建立與求解

基于以下假設,對集熱器進行建模:室外空氣經(jīng)多孔PC板進入集熱器后,不會產(chǎn)生回流;室外空氣在進入集熱器前與集熱板換熱產(chǎn)生的溫升忽略不計;集熱器四周保溫良好,不與環(huán)境產(chǎn)生熱量交換。

采用ANAYS軟件的SCDM模塊建立了集熱器模型,見圖2,集熱器內(nèi)腔尺寸為900 mm×320 mm×120 mm,小孔直徑2 mm,孔中心距16 mm,小孔數(shù)量51×19個,位于蓋板正中央。空氣出口的尺寸為200 mm×50 mm?？諝鈴膱D2中前面的小孔流入,從右側(cè)面的空氣出口流出。利用mesh軟件進行了網(wǎng)格劃分,經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證,計算網(wǎng)格數(shù)為160×104。邊界條件設置見表1,其中將小孔設為速度入口,將多孔蓋板設置為半透明介質(zhì)面,一些輻射通量被其接收,剩下的入射到集熱器內(nèi)部,太陽輻射方向設置為垂直于多孔蓋板方向。求解器選擇Fluent,基本控制方程由連續(xù)性方程、動量方程和能量方程構成,在穩(wěn)態(tài)條件下求解。湍流模型選擇RNGk-ε模型,輻射模型選擇DO模型,壓力-速度耦合計算選擇SIMPLE算法,壓力項選擇Standard,其他項采用二階迎風微分離散格式(Second order upwind)。

圖2 集熱器物理模型

表1 邊界條件

2.4 模型驗證

環(huán)境壓力為101.325 kPa,空氣進口溫度為0 ℃。進口單位面積系統(tǒng)風量(簡稱系統(tǒng)風量)分別為70、130、180 m3/(h·m2)時,集熱器模擬工況下與文獻[9]中實驗工況下空氣溫升對比見圖3?？梢?在相同工況下,實驗工況空氣溫升略高于模擬工況。不同系統(tǒng)風量下空氣溫升的相對誤差見表2。由表2可知,對于全部工況,空氣溫升的最大相對誤差的最大值為8.88%,平均相對誤差的最大值為7.11%,說明此數(shù)值模型具有較高的準確性,能夠滿足集熱器熱性能模擬研究需要。

圖3 實驗工況與模擬工況下空氣溫升對比

表2 不同系統(tǒng)風量下空氣溫升的相對誤差

3 集熱器熱性能模擬研究

3.1 系統(tǒng)風量對集熱器熱性能的影響

集熱層吸收率為0.95條件下,系統(tǒng)風量對集熱器熱性能的影響見圖4。由圖4a可以看出,隨著系統(tǒng)風量增加,空氣溫升呈下降趨勢。系統(tǒng)風量在35～75 m3/(h·m2)范圍內(nèi)變化時,空氣溫升下降趨勢很顯著,當系統(tǒng)風量大于100 m3/(h·m2)以后,空氣溫升緩慢減小。所以在實際應用中,可以根據(jù)需要的集熱器出口空氣溫度合理地選擇系統(tǒng)風量。圖4b表明隨著系統(tǒng)風量增大,集熱效率呈現(xiàn)增大趨勢。系統(tǒng)風量從35 m3/(h·m2) 增至75 m3/(h·m2)時,集熱效率隨之逐漸增大,當系統(tǒng)風量大于140 m3/(h·m2)以后,集熱效率非常緩慢地增加。因此,依靠增大系統(tǒng)風量提高集熱器的集熱效率是不可取的。

圖4 系統(tǒng)風量對集熱器熱性能的影響

3.2 太陽輻射照度對集熱器熱性能的影響

集熱層吸收率為0.95條件下,系統(tǒng)風量分別為70、105、140、175 m3/(h·m2)時,太陽輻射照度對集熱器熱性能的影響見圖5。由圖5a可以看出,空氣溫升隨著輻射照度增大而升高,并且接近線性增長,原因在于集熱器出口空氣溫度主要取決于集熱層表面溫度,而太陽輻射照度是影響集熱層表面溫度最重要的因素之一。由圖5b可以看出,隨著輻射照度增大,不同系統(tǒng)風量下集熱效率的變化趨勢基本一致,呈緩慢下降趨勢。系統(tǒng)風量為140 m3/(h·m2)時,太陽輻射照度從600 W/m2增大為800 W/m2,集熱效率僅下降2%左右。

3.3 集熱層吸收率對集熱器熱性能的影響

太陽輻射照度為900 W/m2條件下,集熱層吸收率對集熱器熱性能的影響見圖6?？梢钥闯?集熱層吸收率對空氣溫升的影響非常大,隨著集熱層吸收率升高,空氣溫升不斷變大,基本上呈線性變化。集熱效率隨著吸收率增大而明顯升高,且接近于線性增長,吸收率增加0.1,集熱效率增加8%左右,因此集熱層吸收率是影響集熱效率的一個關鍵因素。

圖6 集熱層吸收率對集熱器熱性能的影響

4 結(jié)論

① 系統(tǒng)風量對集熱器的熱性能有較大的影響,系統(tǒng)風量增大,集熱效率相應地增大,而空氣通過集熱器的壓力降也會迅速增大,從而造成系統(tǒng)風機耗電量增加,所以應綜合考慮系統(tǒng)的熱性能和風機耗電量,合理選擇系統(tǒng)風量。

② 太陽輻射照度是決定空氣溫升的主要因素,空氣溫升隨著輻射照度增大而升高,并且接近線性增長。集熱效率隨著輻射照度增大呈緩慢下降趨勢。

③ 集熱層吸收率是影響集熱器集熱效率的一個關鍵因素。集熱效率隨著集熱層吸收率增大而顯著增大,且接近線性增長。吸收率增加0.1,集熱效率增加8%左右。

④ 在適宜的系統(tǒng)風量下,多孔蓋板型太陽能平板空氣集熱器的集熱效率在65%以上,較普通平板集熱器有明顯提高。