吸熱板涂層對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器性能的影響

蔡慶峰, 劉 芳, 王澤林, 李佳琪

(山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

太陽(yáng)能空氣集熱器廣泛用于室內(nèi)空氣除濕、建筑輔助供暖、農(nóng)業(yè)干燥[1-2]等領(lǐng)域。吸熱板涂層是影響太陽(yáng)能空氣集熱器集熱性能的重要因素,為提高太陽(yáng)能空氣集熱器的集熱性能,眾多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)吸熱板涂層材料進(jìn)行了研究。Vishnoi[3]通過(guò)研究最新太陽(yáng)能熱技術(shù),強(qiáng)調(diào)太陽(yáng)能選擇性涂層的應(yīng)用是太陽(yáng)能空氣集熱器性能改進(jìn)的重要方法。趙桐等人[4]采用掃描電鏡和X射線衍射儀對(duì)CoCo2O4尖晶石型涂層的結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行觀察,得知該涂層的高溫穩(wěn)定性優(yōu)良。Poobalan等人[5]探究了太陽(yáng)能NbB2基串聯(lián)涂層的性能,發(fā)現(xiàn)該涂層具有較好的熱穩(wěn)定性。楊魯偉等人[6]利用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法分析了3種涂層的熱性能,得知黑鉻涂層的熱穩(wěn)定性優(yōu)于氮氧化鈦藍(lán)膜涂層。Senthil等人[7]實(shí)驗(yàn)研究了石墨烯基涂層對(duì)吸熱板的影響,發(fā)現(xiàn)采用石墨烯基涂層的平板太陽(yáng)能集熱器的熱效率有所提高。Qiu等人[8]制備了一種TiB2-ZrB2復(fù)合陶瓷基涂層,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該涂層的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)82.6%。Li等人[9]建立了彩色涂層與普通涂層的對(duì)比實(shí)驗(yàn),得知彩色涂層對(duì)太陽(yáng)輻射更加敏感。

綜上所述,現(xiàn)有研究大多集中在不同吸熱板涂層對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器熱性能的影響,而不同涂層應(yīng)用于太陽(yáng)能空氣集熱器的經(jīng)濟(jì)性分析比較少。為此,本文以渦旋形流道太陽(yáng)能空氣集熱器(簡(jiǎn)稱集熱器)為研究對(duì)象,采用模擬方法,對(duì)5種涂層集熱器的熱性能和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2 模型建立與求解

2.1 物理模型

渦旋形流道太陽(yáng)能空氣集熱器由殼體、吸熱板、折流板、透明蓋板、保溫層組成。保溫材料為巖棉,集熱器底部及四周保溫層厚度均為50 mm。透明蓋板為單層平板玻璃,厚度為3.2 mm。集熱器進(jìn)出口尺寸長(zhǎng)×寬均為60 mm×40 mm,流道寬為100 mm。集熱器外框尺寸為2 000 mm×1 000 mm×100 mm。集熱器物理模型見(jiàn)圖1。

1-流道進(jìn)口; 2-保溫層; 3-流道出口; 4-吸熱板; 5-透明蓋板; 6-折流板。圖1 集熱器物理模型

涂料僅噴涂在吸熱板迎著太陽(yáng)光的一側(cè)和折流板兩側(cè),各種涂層的吸收率、發(fā)射率及價(jià)格見(jiàn)表1[10]。根據(jù)市場(chǎng)平均單價(jià),吸熱板和折流板成本為149.7 元,保溫層成本為42.9 元,透明蓋板成本為42.3 元。

表1 各種涂層的吸收率、發(fā)射率及價(jià)格

2.2 數(shù)學(xué)模型

為了便于對(duì)集熱器進(jìn)行數(shù)值模擬,進(jìn)行以下設(shè)定:忽略由黏性力做功引起的耗散熱。僅透明蓋板與吸熱板吸收太陽(yáng)輻射。流道內(nèi)空氣為黏性不可壓縮流體、輻射透明介質(zhì)?？諝庠诩療崞髦械牧鲃?dòng)狀態(tài)和換熱過(guò)程為穩(wěn)態(tài)。忽略相鄰流道間空氣傳熱。忽略殼體厚度。

根據(jù)上述設(shè)定,建立通用控制方程。由于空氣在流道內(nèi)為湍流流動(dòng),且在流道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生角隅渦、分離渦,因此,本文選用RNGk-ε模型,該模型在模擬復(fù)雜二次流動(dòng)具有較大優(yōu)勢(shì)。輻射模型選擇適用于半透明介質(zhì)的DO輻射模型。

2.3 邊界條件

集熱器各組件物性參數(shù)見(jiàn)表2[11]。集熱器物理模型的邊界條件:集熱器入口為速度入口,進(jìn)口空氣溫度與環(huán)境溫度一致。集熱器出口為壓力出口。集熱器與水平面夾角為50°。透明蓋板、保溫層與環(huán)境空氣接觸面均為對(duì)流傳熱邊界,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為15 W/(m2·K)。環(huán)境溫度、太陽(yáng)輻照度根據(jù)室外逐時(shí)氣象參數(shù)選取。

表2 集熱器各組件物性參數(shù)

2.4 模擬軟件與相關(guān)設(shè)定

采用Fluent軟件進(jìn)行模擬,計(jì)算采用三維雙精度、穩(wěn)態(tài)壓力基求解器,速度與壓力基的耦合選用SIMPLE算法,壓力插值方案選擇PRESTO!。動(dòng)量、能量方程均選用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散,收斂精度為10-6。

2.5 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用Gambit軟件建立集熱器模型,由于集熱器流道內(nèi)空氣流動(dòng)情況復(fù)雜,并存在90°轉(zhuǎn)彎,因此選用TGrid網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在流道部分進(jìn)行了網(wǎng)格加密。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證在黑鎳涂層、入口風(fēng)速為5 m/s情況下進(jìn)行,環(huán)境溫度為20 ℃,太陽(yáng)輻照度為756.09 W/m2。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由114×104個(gè)增加到180×104個(gè)時(shí),集熱器進(jìn)出口溫差、集熱效率非常接近。綜合考慮模型的計(jì)算精度與計(jì)算量,網(wǎng)格數(shù)量取114×104個(gè)。

表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

2.6 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[12]以土耳其阿克希薩爾地區(qū)2017年8月15日的室外氣象參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)集熱器出口空氣溫度進(jìn)行了測(cè)試。筆者采用相同的進(jìn)口空氣溫度和氣象參數(shù),利用本文的模型算法模擬集熱器出口空氣溫度。模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖2。由圖2可知,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)一致,相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi),說(shuō)明本文模型算法的模擬結(jié)果可以接受。

圖2 模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 集熱器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

計(jì)算熱評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),環(huán)境溫度為20 ℃、太陽(yáng)輻照度為756 W/m2。

① 集熱效率

集熱器集熱效率η的計(jì)算式為:

式中η--集熱器集熱效率

Φ--空氣得熱功率,W

A--集熱器集熱面積(透明蓋板面積),m2

E--太陽(yáng)輻照度,W/m2

cp--空氣比定壓熱容,J/(kg·K)

q--空氣流量(即進(jìn)風(fēng)量),m3/s

ρ--空氣密度(根據(jù)流道平均溫度確定),kg/m3

to--集熱器出口空氣溫度,℃

ti--集熱器進(jìn)口空氣溫度,℃

② 熱損系數(shù)

集熱器與外界存在對(duì)流和輻射傳熱,熱損系數(shù)綜合考慮了頂部、底部、四周散熱。熱損系數(shù)表示集熱器的散熱強(qiáng)度,熱損系數(shù)越高,集熱器散熱強(qiáng)度越大,集熱能力越差。熱損系數(shù)UL的計(jì)算式為[13]:

UL=Ut+Ub+Ue

ξ=520(1-0.000 051β2)

f=(1+0.089 2hw-0.116 6hwεp)(1+0.078 66N)

式中UL--集熱器熱損系數(shù),W/(m2·K)

Ut--集熱器頂部熱損系數(shù),W/(m2·K)

Ub--集熱器底部熱損系數(shù),W/(m2·K)

Ue--集熱器四周熱損系數(shù),W/(m2·K)

N--透明蓋板層數(shù),取1

ξ、f、x--系數(shù)

Tp,m--吸熱板平均溫度(由模擬結(jié)果輸出),K

Ta--環(huán)境溫度,K

hw--透明蓋板、保溫層外壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K),取15 W/(m2·K)

σ--斯忒藩-玻耳茲曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)

εp--吸熱板涂層發(fā)射率

εc--透明蓋板發(fā)射率,取0.900

β--集熱器傾角,(°),取50°

λ--保溫材料熱導(dǎo)率,W/(m·K)

δ--保溫層厚度,m

Ae--集熱器四周表面積,m2

3.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)

計(jì)算經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),采用2021年全年的逐時(shí)氣象參數(shù),僅取每日有太陽(yáng)輻射時(shí)間的氣象參數(shù)。

① 單位空氣得熱量成本

單位空氣得熱量成本是衡量集熱器經(jīng)濟(jì)性和熱性能關(guān)系的重要指標(biāo)[14]。單位空氣得熱量成本Cue的計(jì)算式為:

式中Cue--單位空氣得熱量成本,元/(kW·h)

Cc--集熱器總成本,元

i--年利率,取0.05

n--集熱器壽命,a,取20 a

Qu--年空氣得熱量,kW·h/a

集熱器總成本包括吸熱板和折流板成本、保溫層成本、透明蓋板成本、涂層成本,年維護(hù)成本按集熱器總成本的2%計(jì)算。年空氣得熱量為空氣得熱功率Φ的年逐時(shí)累加值。

② 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益及投資回收期

集熱器節(jié)約了相同條件下熱泵機(jī)組加熱消耗的電量,并且無(wú)二氧化碳產(chǎn)生,由此產(chǎn)生了一定環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益(即二氧化碳減排效益)。環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益ZCO2的計(jì)算式為[14]:

式中ZCO2--環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益,元/a

PCO2--二氧化碳交易價(jià)格,元/t

mCO2--煤電二氧化碳排放強(qiáng)度,kg/(kW·h)

ICOP--熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù),本文取2.5

由北京市碳排放權(quán)電子交易平臺(tái)公布的行情可知,2022年碳交易成交價(jià)波動(dòng)范圍為41.51～149.00元/t,筆者按100.00 元/t進(jìn)行計(jì)算。煤電二氧化碳排放強(qiáng)度按華北地區(qū)電網(wǎng)二氧化碳排放強(qiáng)度0.884 3 kg/(kW·h)進(jìn)行計(jì)算。

投資回收期t的計(jì)算式為:

式中t--投資回收期,a

PE--電價(jià),元/(kW·h),取0.55 元/(kW·h)

4 結(jié)果分析與討論

4.1 對(duì)集熱器熱性能的影響

各涂層集熱器集熱效率、出口空氣溫度隨進(jìn)風(fēng)量的變化分別見(jiàn)圖3、4。由圖3可知,集熱器集熱效率隨進(jìn)風(fēng)量增大而增大。從整體來(lái)看,集熱器因涂層改變帶來(lái)的集熱效率變化率小于5%。由圖4可知,集熱器出口空氣溫度隨進(jìn)風(fēng)量增大而降低。主要原因?yàn)榭諝饬髁吭龃髲?qiáng)化了吸熱板與空氣傳熱。在5種涂層集熱器中,相同進(jìn)風(fēng)量下黑鉻涂層集熱器出口空氣溫度最低,其他4種涂層集熱器出口空氣溫度接近。這是由于在5種涂層中黑鉻涂層的發(fā)射率最高,吸收率最低。

圖3 各涂層集熱器集熱效率隨進(jìn)風(fēng)量的變化

圖4 各涂層集熱器出口空氣溫度隨進(jìn)風(fēng)量的變化

各涂層集熱器熱損系數(shù)隨進(jìn)風(fēng)量的變化見(jiàn)圖5。由圖5可知,各涂層集熱器熱損系數(shù)均隨進(jìn)風(fēng)量增大而減小。主要原因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)量較小時(shí),吸熱板的平均溫度比較高,導(dǎo)致吸熱板散熱量增加。隨著進(jìn)風(fēng)量增大,吸熱板與環(huán)境溫差減小,吸熱板散熱情況得到改善,熱損系數(shù)減小。5種涂層集熱器熱損系數(shù)相差較小,在進(jìn)風(fēng)量變化范圍內(nèi),黑鉻涂層集熱器熱損系數(shù)僅比氮氧化鈦藍(lán)膜涂層集熱器熱損系數(shù)高4.67%～4.94%。綜上所述,涂層對(duì)集熱器熱性能影響比較小。

圖5 各涂層集熱器熱損系數(shù)隨進(jìn)風(fēng)量的變化

4.2 對(duì)集熱器經(jīng)濟(jì)性的影響

① 單位空氣得熱量成本

各涂層集熱器單位空氣得熱量成本隨進(jìn)風(fēng)量的變化見(jiàn)圖6。氮氧化鈦藍(lán)膜涂層集熱器單位空氣得熱量成本隨進(jìn)風(fēng)量增大的變化最明顯,黑鎳涂層集熱器單位空氣得熱量成本隨進(jìn)風(fēng)量增大的變化并不顯著。進(jìn)風(fēng)量一定時(shí),氮氧化鈦藍(lán)膜涂層集熱器的單位空氣得熱量成本最高,黑鎳涂層的單位空氣得熱量成本最低。

圖6 各涂層集熱器單位空氣得熱量成本隨進(jìn)風(fēng)量的變化

整體來(lái)看,5種涂層集熱器的單位空氣得熱量成本均低于常規(guī)電價(jià),常規(guī)電價(jià)為0.45～0.80 元/(kW·h)[15],這表明集熱器是一種節(jié)能設(shè)備。

② 環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益及投資回收期

各涂層集熱器環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益、投資回收期隨進(jìn)風(fēng)量的變化分別見(jiàn)圖7、8。由圖7可知,各涂層集熱器的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益均隨進(jìn)風(fēng)量增大而上升。氮氧化鈦藍(lán)膜涂層集熱器的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益最高,黑鉻涂層集熱器的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益最低。由圖8可知,各涂層集熱器的投資回收期均隨進(jìn)風(fēng)量增大而降低。受涂層價(jià)格、性能影響,氮氧化鈦藍(lán)膜涂層集熱器的投資回收期最長(zhǎng),黑鎳涂層集熱器的投資回收期最短。綜上所述,相同條件下,涂層對(duì)集熱器投資回收期的影響比較明顯。

圖7 各涂層集熱器環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益隨進(jìn)風(fēng)量的變化

圖8 各涂層集熱器投資回收期隨進(jìn)風(fēng)量的變化

4.3 涂層優(yōu)選

雖然氮氧化鈦藍(lán)膜涂層具有較低的發(fā)射率、較高的吸收率,但較高的價(jià)格導(dǎo)致其經(jīng)濟(jì)性不佳。綜合考慮集熱器熱性能、經(jīng)濟(jì)性,黑鎳涂層是理想的選擇。

5 結(jié)論

① 涂層對(duì)集熱器熱性能影響比較小,對(duì)集熱器投資回收期的影響比較明顯。

② 5種涂層集熱器的單位空氣得熱量成本均低于常規(guī)電價(jià)。

③ 綜合考慮集熱器熱性能、經(jīng)濟(jì)性,黑鎳涂層是理想選擇。