多孔蓋板型太陽(yáng)能平板空氣集熱器熱性能模擬

張旭龍, 王 珺, 高立新

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院,黑龍江哈爾濱150090;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái),太陽(yáng)能熱利用技術(shù)取得了飛速發(fā)展。太陽(yáng)能平板空氣集熱器是一種重要的太陽(yáng)能熱利用裝置,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑供暖、農(nóng)作物種植和木材干燥等領(lǐng)域。由于通過(guò)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(dǎo)致傳統(tǒng)的太陽(yáng)能平板空氣集熱器集熱效率低,其熱性能亟需改進(jìn)[1]。

目前對(duì)太陽(yáng)能平板空氣集熱器熱性能的改進(jìn)主要集中在強(qiáng)化集熱器內(nèi)部空氣與集熱板間的對(duì)流換熱,楊舒婷等人[2]通過(guò)改變吸熱板的形狀,開(kāi)發(fā)了一種新型波紋網(wǎng)型太陽(yáng)能平板空氣集熱器,建立數(shù)學(xué)模型并分析各參數(shù)對(duì)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(guò)設(shè)置擋板增強(qiáng)腔內(nèi)換熱,結(jié)果表明集熱效率高達(dá)80%。El-Sawi等人[4]將人字形金屬吸熱板應(yīng)用于集熱器,并與普通平板集熱器進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明人字形結(jié)構(gòu)可以使集熱效率提高20%。胡建軍等人[5]對(duì)內(nèi)設(shè)擋流板的太陽(yáng)能平板空氣集熱器進(jìn)行了流動(dòng)和傳熱分析,結(jié)果表明擋流板可以實(shí)現(xiàn)冷熱流體混合,強(qiáng)化傳熱。

相比于強(qiáng)化太陽(yáng)能平板集熱器內(nèi)部換熱過(guò)程的研究,目前對(duì)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(yáng)能平板空氣集熱器的傳熱性能,結(jié)果表明以PC中空陽(yáng)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(wú)蓋板滲透型太陽(yáng)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(yáng)能平板空氣集熱器借鑒無(wú)蓋板滲透型太陽(yáng)能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將傳統(tǒng)的太陽(yáng)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(yáng)能平板空氣集熱器的數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)其熱性能進(jìn)行了模擬研究。

2 集熱器模型的建立與驗(yàn)證

2.1 集熱器工作原理

多孔蓋板型太陽(yáng)能平板空氣集熱器工作原理見(jiàn)圖1。太陽(yáng)光通過(guò)用聚碳酸酯板(PC板)制成的多孔蓋板進(jìn)入集熱器照射到建筑外墻上的集熱層,太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能,集熱層的溫度升高。在風(fēng)機(jī)抽吸作用下,室外空氣通過(guò)均勻分布在多孔蓋板上的微孔進(jìn)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(yáng)能平板空氣集熱器工作原理

2.2 集熱器熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

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

Δt=to-ti

式中 Δt——溫升,℃

to——出口空氣溫度,℃

ti——進(jìn)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(shí)間內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)輻射能之比。集熱效率η的計(jì)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(yáng)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(shè),對(duì)集熱器進(jìn)行建模:室外空氣經(jīng)多孔PC板進(jìn)入集熱器后,不會(huì)產(chǎn)生回流;室外空氣在進(jìn)入集熱器前與集熱板換熱產(chǎn)生的溫升忽略不計(jì);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(jiàn)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(gè),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(jìn)行了網(wǎng)格劃分,經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為160×104。邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1,其中將小孔設(shè)為速度入口,將多孔蓋板設(shè)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(yáng)輻射方向設(shè)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(dòng)量方程和能量方程構(gòu)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(jì)算選擇SIMPLE算法,壓力項(xiàng)選擇Standard,其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)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(yàn)證

環(huán)境壓力為101.325 kPa,空氣進(jìn)口溫度為0 ℃。進(jìn)口單位面積系統(tǒng)風(fēng)量(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)風(fēng)量)分別為70、130、180 m3/(h·m2)時(shí),集熱器模擬工況下與文獻(xiàn)[9]中實(shí)驗(yàn)工況下空氣溫升對(duì)比見(jiàn)圖3?？梢?jiàn),在相同工況下,實(shí)驗(yàn)工況空氣溫升略高于模擬工況。不同系統(tǒng)風(fēng)量下空氣溫升的相對(duì)誤差見(jiàn)表2。由表2可知,對(duì)于全部工況,空氣溫升的最大相對(duì)誤差的最大值為8.88%,平均相對(duì)誤差的最大值為7.11%,說(shuō)明此數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確性,能夠滿足集熱器熱性能模擬研究需要。

圖3 實(shí)驗(yàn)工況與模擬工況下空氣溫升對(duì)比

表2 不同系統(tǒng)風(fēng)量下空氣溫升的相對(duì)誤差

3 集熱器熱性能模擬研究

3.1 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)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(fēng)量對(duì)集熱器熱性能的影響見(jiàn)圖4。由圖4a可以看出,隨著系統(tǒng)風(fēng)量增加,空氣溫升呈下降趨勢(shì)。系統(tǒng)風(fēng)量在35～75 m3/(h·m2)范圍內(nèi)變化時(shí),空氣溫升下降趨勢(shì)很顯著,當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量大于100 m3/(h·m2)以后,空氣溫升緩慢減小。所以在實(shí)際應(yīng)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(fēng)量。圖4b表明隨著系統(tǒng)風(fēng)量增大,集熱效率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。系統(tǒng)風(fēng)量從35 m3/(h·m2) 增至75 m3/(h·m2)時(shí),集熱效率隨之逐漸增大,當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)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(fēng)量提高集熱器的集熱效率是不可取的。

圖4 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)集熱器熱性能的影響

3.2 太陽(yáng)輻射照度對(duì)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(fēng)量分別為70、105、140、175 m3/(h·m2)時(shí),太陽(yáng)輻射照度對(duì)集熱器熱性能的影響見(jiàn)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(zhǎng),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(yáng)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(fēng)量下集熱效率的變化趨勢(shì)基本一致,呈緩慢下降趨勢(shì)。系統(tǒng)風(fēng)量為140 m3/(h·m2)時(shí),太陽(yáng)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(duì)集熱器熱性能的影響

太陽(yáng)輻射照度為900 W/m2條件下,集熱層吸收率對(duì)集熱器熱性能的影響見(jiàn)圖6?？梢钥闯?集熱層吸收率對(duì)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(zhǎng),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(gè)關(guān)鍵因素。

圖6 集熱層吸收率對(duì)集熱器熱性能的影響

4 結(jié)論

① 系統(tǒng)風(fēng)量對(duì)集熱器的熱性能有較大的影響,系統(tǒng)風(fēng)量增大,集熱效率相應(yīng)地增大,而空氣通過(guò)集熱器的壓力降也會(huì)迅速增大,從而造成系統(tǒng)風(fēng)機(jī)耗電量增加,所以應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的熱性能和風(fēng)機(jī)耗電量,合理選擇系統(tǒng)風(fēng)量。

② 太陽(yáng)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(zhǎng)。集熱效率隨著輻射照度增大呈緩慢下降趨勢(shì)。

③ 集熱層吸收率是影響集熱器集熱效率的一個(gè)關(guān)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(zhǎng)。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(fēng)量下,多孔蓋板型太陽(yáng)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。