太阳能蓄热水箱的温度分层研究

■ 朱宁 王占恒 王大水 李继民

一 引言

在能源与环境问题日益突出的当今社会，太阳能作为一种取之不尽的清洁能源，正得到越来越广泛的应用，引领着节能与环保的时代步伐。太阳能利用中一个重要领域就是光热技术，最常见的就是太阳能热水和采暖系统，利用平板或真空管集热器吸收太阳辐射并将其转化成热能。由于太阳辐射强度具有周期性变化的特点，而且集热过程与用热过程存在着不一致性，因此在太阳能热水采暖系统中通常都采用蓄热水箱来存储热能，经集热器加热后的热水进入水箱顶部，水箱中较低温的水从底部进入集热器加热。

随着水箱内整体温度上升，水温自上而下呈现由高到低的分层现象，这是因为水温越高其密度越小，热水在浮升力作用下往上流，冷水向下沉。在平均温度相同的条件下，相较于温度均匀分布的水箱，具有温度分层功能的水箱对集热器回水温度更低，有利于降低集热器中的热损失，提高集热效率。另外，温度分层为太阳能热水采暖系统的多用途应用提供了良好条件，不同温区的热水用于不同的加热对象，例如按照温度由低到高可分别用于热泵蒸发器热源、加热生活用水、直接供暖热水、加热洗澡水等。

温度分层的好坏受水箱进口热水流速、温度、高度以及水箱高径比等因素的影响。Darci Luiz Savicki和Hor‡cio A Vielmo研究了不同流速对卧式水箱温度分层的影响，发现流速在0.5～2L/min范围内不会对分层造成明显破坏，需要指出的是，以上结论是在进出口均位于3/4底面直径高度的情况下得出的。王登甲、刘艳峰对高2m、底面半径1m的正圆柱体蓄热水箱进行了CFD仿真研究，水箱热水进口位于水箱2/3高度处，发现流速在0.01～0.05m/s范围内对分层的形成最有利，而降低流速至0.01m/s以下时则对分层效果的进一步提升作用不大。

目前，对水箱温度分层研究的理论分析模型主要有两种：插栓模型(plug flow)、多节点模型(multinode)。

二 实验与仿真结果对比

本文实验对象为一个长方体的太阳能蓄热水箱，去除保温层后净尺寸为400mm×400mm×1800mm，采用真空管集热器加热。

1 实验工况

进水口在离顶部1/3处，进口流速为0.22m/s，出水口距底部100mm。集热器面积为4m，太阳能集热的瞬时效率为

其中，Ti为集热器内水的平均温度，Ta为环境温度，I为太阳辐射瞬时强度。

以北京地区2011年5月某天为例，其太阳辐射强度在全天内变化情况如图1所示。

图1 北京地区2011年5月某天辐射强度变化规律

2 非稳态参数设定

水的物性参数随温度的变化规律如下：

其中，t是摄氏温度，℃。

水箱热水进口温度Ti与出口（即集热器进口）温度To、质量流量m、集热效率η、集热面积A、太阳辐射强度I等因素有关。

3 长方体水箱的仿真结果

基于浮力模型(Buoyancy Model)，利用CFD软件对水箱内水的对流换热过程进行了变物性的非稳态数值求解，时间步长取3s。图2依次为1h、3h、5h、7h四个时刻的仿真结果。

从图2可见，随着集热过程的进行，水箱内的整体温度是在不断上升的。由于5h时刻为下午一点钟，此时的太阳辐射强度达到最大，所以(c)中的进出口温差最大，为6.2℃。1h时刻顶部和底部之间的温差大约为2.5℃，3h时刻为3℃，5h时刻为3.3℃，7h时刻则略降至2.7℃，这是因为随着进口温度的升高，水箱内湍流强度加剧，促进了冷、热水之间的混合，可见，这对温度分层是不利的。此外，由图2可知，水箱内温度最高点是在高度方向2/3处，即进口附近，这使得该温度层尚未得到充分加热之前，受热的流体在浮升力作用下掺混到顶部，显然这也对分层极为不利。因此，只要不影响水箱的加工工艺，进口位置应尽量靠近顶部。

数值仿真还得到了水箱顶部、中部和底部的温度值，与实验结果进行比较，如图3、4、5所示。顶部温度的仿真结果与实验结果吻合得很好，中部温度有较小偏差，底部温度则相差较大。

三 改进水箱设计

由以上的计算可以得出，简单结构的蓄热水箱很难形成明显的温度分层，有必要在结构设计和工作工况上采取一些改进措施。以下提出一种新的设计方案及其模拟的蓄热结果。

圆柱形水箱尺寸为φ600mm×1400mm，在其内部安置一根低导热率的套筒，顶部贯通，离水箱顶部距离为200mm，沿套筒高度方向均匀布置两列连通孔。集热器流出的热水从上部进入水箱内套筒，水箱低温出水从底部流出进入集热器，如图6所示。

图6 一种加内套筒的蓄热水箱结构示意图

对该套筒水箱进行CFD仿真计算，计算结果如图7所示。从1h～4h温度分布的变化情况来看，水箱上部的水经过充分加热后才将热量传递至下面，于是就出现了非常明显的温度分层。套筒的设置使得水箱主体区域受进口水流的影响很小，纵使套筒内存在较强的湍流，但水流经套筒顶部和各连通孔分流后进入水箱主体区域时其流速已经降至很低，而且低导热率的筒壁也阻隔了套筒和水箱主体区域的导热。

同时实验结果也证明了，改进套筒结构的水箱会得到较好的分层结果，如图8所示。

四 结论

基于浮力模型、采用CFD数值仿真方法，对水箱蓄热时的温度分层过程进行了模拟计算，模拟结果动态显示了水箱内水的温度分层现象。若水箱不采取特殊设计，在入口热水0.22m/s进口流速条件下，水箱顶部与底部基本只能维持2℃～3℃的温差，分层效果不理想；随着进口温度的升高，水箱内湍流强度增大，冷、热水之间掺混加剧，对分层的维持更为不利。实验结果验证了该模拟结果的正确性。

本文的模拟计算方法经实验验证切实可行，因此可以通过此方法指导集热水箱结构的设计和优化，如提高热水进口位置、降低热水进口流速、设计特殊的热水通道等，抑制水箱内水的湍流形成，从而获得更大的温度分层。

本文最后提出的一种改进方案利用低导热率的套筒削弱水箱主体区域的流动强度，以避免冷、热水之间的掺混，CFD仿真的结果显示出明显的温度分层效果。该方案为今后的分层蓄热水箱设计提供了一个很好的参考。