太阳能供热系统储热水箱散热机理分析研究

张 森，程伟良，孙东红，梁晓文

（华北电力大学能源与动力工程学院，北京 102206）

0 引言

随着传统能源储量的不断减少和人们对环保要求的不断提高，新能源的高效清洁应用越来越受到人们的重视。在建筑能耗中，生活热水及供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年生产能力达到1 500万m2，在用太阳能热水器总集热面积达1亿m2，生产量和使用量居世界第一。

我国太阳能供暖技术的发展十分迅速，但还有许多关键技术需要改进，目前的问题主要是解决冬夏热量平衡难题，它也是太阳能采暖系统发展的重要技术问题。基于此，我们提出了地下保温措施改进方案，利用地下温度的相对稳定性，将太阳能系统的保温水箱置于地下，可大大减少热量散失。我们利用FLUENT6.0对太阳能储热水箱散热问题进行数值计算，其中的网格模型由GAMBIT2.0生成后导入FLUENT，分析保温水箱的散热状况，检验保温措施的合理性，这将对太阳能供暖系统的设计改造提供技术支持，对相应的保温技术提供参考。

1 太阳能供热地下保温系统

太阳能供暖系统主要包括用位于住户屋顶，花架等上方安装的太阳能加热器，夏秋季晴天时加热器给热水加热，并将热水储存在埋于地下的储热水箱中，在循环水路中安装温差控制器，当太阳能加热器处水温与水箱内水温温差超过一定阈值时，启动循环水泵使太阳能加热器对水持续加热。

太阳能供暖系统地下保温部分的关键部件是储热水箱，保温水箱埋于地下土壤中，然后在水箱周围填充聚氨酯作为保温层，最外层与土壤接触的地方填充防水材料。在夏季的时候，利用太阳能热水器不断给水加热，然后储存在水箱中，使水一直保持在一定的温度以满足冬天供暖需要，这样就能很好地解决冬夏热量平衡问题，它是太阳能采暖系统发展的重要攻关技术问题之一。

2 储热水箱散热的数值模拟

2.1 模拟对象

这里模拟的是某别墅的太阳能供暖系统保温水箱。该保温水箱埋于地下，水箱周围填充聚氨酯作为保温层，最外层与土壤接触的地方填充防水材料。该水箱的尺寸为4 m×3 m×2.5 m；有效容积30 m3；水箱材质Q235B钢板，侧面厚度6 mm,顶面厚度4 mm。它采用复合保温，内层采用聚氨酯保温，厚度100 mm,外层为聚苯板[1-3]。

2.2 几何模型

对储热水箱在土壤中进行的传热实现数值求解时，需将半无限大的土壤介质简化为有限的求解区域，因此，需引入管道热力影响范围的概念，即认为在管道附近的区域内，土壤温度场受到管道热力变化的影响，而在此区域之外，这种影响可以忽略。因此可把半无限大空间简化为矩形或环形的有限区域[4-5]。

储热水箱热力影响区是该水箱长期稳定散热的结果，其范围可通过现场实际测量或通过数值计算得到。如某文献[6]中测得某埋深为1.7 m、Φ426 mm管径的非保温管道其全年最大影响热力区域的范围是水平方向5 m。

根据以上热影响区域规律分析，在GAMBIT绘制的本模拟对象的三维模型如图1所示，最内层为4 m×3 m×2.5 m水箱；其外为保温层，保温层几何中心与水箱几何中心相同，保温层根据计算需要有400 mm、600、内100 mm+外500 mm、内100 mm+外700 mm、顶200 mm加厚3种情况分别加以绘图建模，整个水箱和保温层埋于地下，保证保温层顶面与地面间有100 mm厚土壤；最外层为土壤，土壤尺寸为12 m×11 m×10 m。

图1 几何结构及网格划分图

因在散热时温度梯度主要存在于水箱内壁面附近、保温层和与保温层相邻的土壤区域，因此对以上区域划分网格时进行了加密处理[7-8]，具体情况如图2所示。

图2 剖面网格加密情况

2.3 数学模型和边界条件

2.3.1 数学模型

经初步计算，发现水箱内存在的自然对流情况较弱，在水箱内水温90℃，土壤温度15℃进行计算时，水的自然对流速度，其量级仅为10-12，非常小可以忽略，因此计算时仅需计算导热微分方程即可。

对于管道各层及土壤，采用导热微分方程[9]，即

2.3.2 边界条件

内部水和保温层、保温层间、保温层和土壤间边界层均设置为热耦合边界层，其中水和保温层间边界材料设置为钢，厚度如计算要求。土壤底面边界层设置为恒温15℃。当计算夏秋季节时取地面平均温度15℃，冬季时地面平均温度-4℃。因此当夏秋季节，土壤侧面边界层设置为恒温15℃。

根据数学模型，埋地管道外土壤求解区域的地面边界处应采用对流热传导边界[10-11]，其对流换热系数即为地表对大气的放热系数α2[12-13]，对于华北地区，取值为16.5 W/(m2·℃)。温度则冬季为恒温-4℃，夏秋季为恒温15℃。

冬季，对于华北地区，可取2.5 m/s，冬季地面平均气温取为-4℃。确定空气的物性参数为：νa=13.2×10-6m2/s，λa=2.4×10-2W/(m·℃)。 可以按辐射放热公式计算，由于架空管道外表与大气温差较小，因而可取为2~5 W/(m2·℃)。通过计算，得40 mm直径水管管外壁与大气之间的复合换热系数为：30.2 W/(m2·℃)此数据在计算架空水管散热量时将用到。

3 模拟分析

将上述的几何及数学模型建立mesh文件并导入fluent后并设定各模型参数。通过迭代计算即可得到模拟结果。在计算某一温度下散热时用稳态模型，而在计算散热温度随时间变化时可采用非稳态模型，其非稳态计算时时间步长选用可选为5秒。

3.1 温度边界条件对水箱散热的影响

图3所示为采用400 mm苯板保温，初始水温为80℃时，分别经过冬季和夏秋季60 d后的温降曲线比较情况。冬季和夏秋季计算时的差别在于温度边界条件，即整个环境温度场。冬季时取地表平均温度-4℃，而夏秋季地表平均温度取为15℃。从计算结果可以看出，季节因素对保温效果影响较大，即两者的散热效果不同，不同季节温降最大相差3.2℃，因此，计算分析中应该将夏秋季和冬季分别加以考虑。不能笼统地用一个温度边界条件来分析散热问题。

3.2 材料种类与厚度对水箱散热的影响

将400 mm聚苯泡沫、600 mm聚苯泡沫、内层100 mm聚氨酯+外层500 mm聚苯泡沫、800 mm聚苯泡沫、内层100 mm聚氨酯+外层700 mm聚苯泡沫+上层200 mm苯板加厚、1 000 mm聚苯泡沫共6种工况进行模拟，计算出冬季初始温度为80℃时，储热水箱经过60 d自然散热后，各种工况下温降如表1，可看出材料导热系数越低，保温效果越好；保温层越厚，保温效果越好。但随着材料导热系数的降低，其经济成本迅速上升；同时保温效果并不与厚度呈正比关系，即当厚度足够厚之后再增大保温层厚度其保温效果不会显著增强。因此最经济的方案是，综合考虑保温效果、材料成本、施工可行性，以便选择一种内层用聚氨酯或其他保温材料的高效保温层，外层用足够厚度的价格低廉保温材料。

表1 不同保温材料的温降情况

3.3 材料保温性能对水箱散热的影响

为了考察材料保温性能即导热率对保温效果的影响，计算了500 mm厚，在冬季时初始水温为80℃时，聚氨酯保温层在不同聚氨酯导热率时经60 d天后的温降情况。取聚氨酯导热率为0.023、0.025、0.027时进行计算，储热水箱的保温层内外温降数据如表2所示，可以看出这3种情况对比的温降相差1.3℃和0.8℃，因此，当聚氨酯材料导热率变化在8%以内时，最终保温效果的温降变化在6%~8%范围。由此可以得出，由于生产厂家因素和制造工艺等因素，保温材料的导热率微小变化对保温效果的影响并不是很大。

表2 保温层在不同导热率时的温降表

3.4 土壤湿度对水箱散热的影响

以上的计算均是在土壤湿度20%的情况下进行的。在导热率为1.394 6 W/m·K、苯板保温厚600 mm及冬季初始水温为80℃时，其总散热量392.52 W，温降13.66℃。为分析土壤湿度对水箱散热的影响，计算了土壤湿度为30%、导热系数为1.622 2 W/m·K、苯板厚600 mm，冬季初始水温为80℃的情况，通过模拟计算后，得出其散热量为394.63 W，温降为13.77℃。由以上结果对比，发现土壤导热率改变对散热影响不大。由于土壤湿度与其导热系数成依赖关系。因此，可以说土壤湿度对储热水箱散热的影响不大，一般情况下可以忽略土壤湿度的影响。但是当土壤种类发生变化，尤其是土壤变为砂岩等导热系数较大（此时导热系数约为土壤2倍）的岩土时就必须考虑其所必然引起的散热量增大。

4 结语

本文通过对太阳能供热保温系统中地下储热水箱散热的模拟计算，得出了各种物性参数对水箱散热的影响以及实际工程应注意的问题，该计算结果在某别墅的供暖工程中进行了应用，取得了很好的效果。运用模拟计算方法对其在不同情况下的散热效果进行了计算和对比分析，以储热水箱的内外散热温差为衡量标准时，发现不同季节、不同材料及不同性能对水箱的散热都是有影响的，而土壤的湿度对散热的影响程度不大，一般情况下可以忽略不计。通过模拟计算分析和比较，较好地解决了一直困扰太阳能供热工程的冬夏热量平衡问题，对太阳能供热系统的设计和运行有很好的指导意义。

[1] 马庆芳,方荣生.实用热物理性质手册[M].北京：中国农业机械出版社,1976:128-1119.

[2] 陕西省建筑设计院.建筑材料手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,1984.

[3]GB/T10801.1-2002绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料[S].

[4] 曾和义,方肇洪.双U型埋管换热器的传热模型[J].山东建筑工程学院学报，2003,3：11-17.

[5] 孙纯武,张素云,刘宪英.水平埋管换热器地热源热泵实验研究及传热模型[J].重庆建筑大学学报，2001,(12):49-55.

[6] 吴国忠,曲洪权.埋地输油管道非稳态热力计算数值求解方法[J].油气田地面工程,2001,20(6):6-7.

[7] Eltimsahy A H,Copass C H.Solar Heating System Simulation Model[C]//Modeling and Simulation.Volume 7-Proceedings of the Seventh Annual Pittsburgh Conference,Pittsburgh,Pa.,April 26,27,1976.Part 2.(A77-38176 17-66)Pittsburgh,Pa.,Instrument Society of America,1976:1092-1097.

[8] 刘欧子,胡欲立，刘训谦.套室内气流的三维数值模拟[J].空气动力学学报，2002，3.

[9] 章熙民,任泽需.传热学[M].4版.北京:中国建筑工业出版社，2001：102-103

[10]Lozza G，Merlo U．An Experimental Investigation of Heat Transfer and Friction Losses of Interrupted and Wavy Fins for Fin-and-Tube Heat Exchangers[J]．International Journal of Refrigeration，2001，24(5)：409-416．

[11]Wang C C，Chi K Y，Chang C J．Heat Transfer and Friction Characteristics of Plain Fin-and-tube Heat Exchangers，part II：Correlation[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43(15)：2693-2700.

[12]张国忠.埋地热油管道准周期运行温度研究[J].油气储运,2001，20(6)：4-7.

[13]杨筱衡,张国忠.输油管道设计与管理[M].东营：石油大学出版社,1996：173-492.