风量对太阳能集热器热性能影响的实验研究

魏新利，郭春杰，孟祥睿，赵晓丽

(郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001)

0 引言

太阳能供暖系统能够把被太阳加热的空气有组织地输送到室内，从而起到采暖和输送新风的双重作用.集热器是整个系统的核心部件，目前国内外学者［1-6］关于系统风量对其热性能的研究较少，缺乏为太阳能集热器实际工程中运行风量选取提供参考的数据，为此笔者搭建了太阳能集热器实验台并对0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下集热器的热性能进行实验研究，利用CFD软件对集热板模型进行模拟研究，以探究辐射强度为300～700W/m2、室外环境温度为6～12℃范围内各工况下的最佳运行风量.

1 太阳能集热器实验台简介

太阳能集热器实验台由太阳辐射模拟装置(超高压短弧氙灯)、集热器和实验测试系统三部分组成，如图1所示.实验选用额定功率为350 W的超高压短弧氙灯(简称球形氙灯)作为太阳辐射模拟装置，集热器由集热板、外壳和风机等部件组成.为增强空气与集热板的换热过程，集热板表面加工有向内侧凹陷且两侧有孔缝的结构单元体，其横向和竖向间距均为0.012 m.集热板的材质为钢板，几何尺寸为0.21 m×0.31 m×0.000 6 m，外表面涂有吸收率α=0.94的选择性涂层.外壳的材质为有机玻璃，用来封装和固定集热板并形成空气流道，几何尺寸为0.5 m×0.2 m×0.6 m.风机用来为空气流道提供负压，经测量风机可提供的3种风量分别为0.94，1.41，1.87 m3/h.

实验所需的测试参数有太阳辐射强度、集热板表面温度、进出口空气温度，测试仪器及其参数如表1所示.

2 集热性能分析

太阳能集热板吸收到的太阳辐射能绝大部分用来加热过流空气，此外还有小部分热量通过对流和辐射的方式散失到周围环境中，故其热平衡方程为

表1 实验测试仪器及其参数Tab.1 Experimental test apparatus and parameters

集热效率是单位时间内太阳能集热器实际获得的有用能与集热板吸收的太阳辐射能之比，其计算式为

式中:α为集热板的吸收率;I为太阳辐射强度，W/m2;A为集热板的集热面积，m2;mair为流经集热器空气的质量流量，kg/s;Cp为空气的定压比热容，J/(kg·K);Texit为集热器出口处的空气温度，K;Tamb为室外空气温度，K;Qconv和Qrad分别为对流和辐射热损失，W.

3 实验结果分析

参照郑州地区晴朗天气(12月7日～9日)12:00～14:00期间内太阳辐射强度和室外环境温度的监测数据，选取太阳辐射强度I=300 W/m2、环境温度Tamb=10℃作为实验研究工况.

3.1 集热板表面温度

在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 种风量下，集热板表面温度随时间的变化如图2所示.

图2 3种风量下集热板的表面温度Fig.2 The tem perature of collector plate under the three volumes

从图2可以看出，集热板表面温度在开机运行后迅速升高，约经10 min后进入稳定状态.在0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下稳定运行时，集热板表面温度分别为39.74，36.99，35.19℃，即集热板表面温度随系统风量的增大而降低.

3.2 出口空气温度

在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 种风量下，集热器出口空气温度随时间的变化如图3所示.

图3 3种风量下空气出口温度Fig.3 The outlet air temperature under the three volumes

从图3可以看出，与集热板表面温度变化相比，出口空气温度达到稳定状态有一定的滞后性.在3种风量下稳定运行时，出口空气温度分别为32.45，27.57，24.37℃，因进口空气温度为10℃，故空气温升分别为22.45，17.57，14.37℃，即空气温升随系统风量的增大而下降.

3.3 集热效率分析

将各参数在稳定运行时的数值代入计算式可知，集热效率在 0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下分别为38.56%、45.13%和49.06%，即集热效率随系统运行风量的增大而升高.这是由于随着系统风量的增大，集热板表面温度是降低的，集热板与周围环境的传热温差减小，相应的对流和辐射热损失减小，由热平衡方程知，太阳能集热器获得的实际有用能增大，因而集热效率随风量的增大而升高.

4 最佳风量的确定

因集热板上结构单元体的横向和竖向间距均为0.012 m，为简化模型的计算量和加快求解速度，在利用Gambit软件建立集热板的几何模型时仅选取包含4个单元体结构的局部集热板及前后一定范围内的空气作为研究对象，如图4所示.

在对求解域网格划分时，采取分区域划分、结构化网格和非结构化网格相结合的方式.为消除网格数量对模拟结果的影响，共划分了5种类型的网格进行独立性考核，最终确定模型的网格数量为462 789.

利用 Fluent软件对模型计算求解时，文献［7］表明:过流空气与集热板内表面及孔缝处的换热过程可以忽略，因此模型的边界设定为质量流量进口、自由流出口、集热板外表面为热流率边界、内表面及孔缝处为绝热边界、四周为对称边界，求解器的设定为3D、稳态、层流(Re≈138)和DO辐射模型，其它采用默认设置.

图4 集热板结构及几何模型Fig.4 The structure and model of the collector p late

由于模型仅包含4个单元体结构的局部集热板，其集热面积为0.002 76 m2，而实验中集热板面积为0.065 10 m2，因此在验证模型可靠性时，需将实验中的3种风量按面积折算为相应的系统风量，折算后 0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下性能参数的实验值和模拟值对比如表2所示.

表2 性能参数的实验值和模拟值对比Tab.2 The com parison of performance parameters’experimental and sim ulated values

从表2可以看出，在3种风量下集热板表面温度、出口空气温度和集热效率的实验值和模拟值的相对误差均小于5%，故该模型是可靠的、可用于下一步的模拟研究.

在太阳能集热器实际工程应用中，确定系统运行风量时应综合考虑系统风量对出口温度和集热效率的影响.根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》［8］的有关规定，夏热冬冷地区室内供暖宜采用的设计温度为16～22℃，由于集热器出口温度要比室内设计温度高5℃左右，集热器的出口空气温度应在22～26℃范围内为宜.

为得到单位面积集热板上的最佳运行风量，笔者对太阳辐射强度为300～700 W/m2、室外温度为6～12℃、风量为7.2～108 m3/h范围内各工况下的热性能参数进行了模拟分析.现仅以太阳辐射强度I=300 W/m2、环境温度Tamb=10℃工况下，出口空气温度和集热效率随系统风量的变化为例进行说明，如图5所示.

由图5可知，太阳辐射强度I=300 W/m2、室外环境温度Tamb=10℃工况下，单位面积集热板上的最佳运行风量为25.2～36 m3/h，此时出口空气温度为22～26℃，集热效率为47.76% ～52.78%.

图5 出口空气温度和集热效率随风量的变化Fig.5 The variation of the oulet air temperature and the thermal efficiency with the air vulumes

根据太阳辐射强度为300～700 W/m2、室外温度为6～12℃、风量为7.2～108 m3/h范围内各工况下出口空气温度和集热效率的模拟数据，可以得到相应工况下单位面积集热板上的最佳运行风量，如表3所示.

表3 各工况下最佳运行风量汇总表Tab.3 The summary tab le of optimal volum e under different conditions m3/h

太阳辐射强度在300～700 W/m2、室外温度6～12℃范围内各工况下，单位面积集热板上最佳运行风量的数据表明，其数值随太阳辐射强度的增大而增大，随室外环境温度的升高而增大.表3中的数值为各工况下单位面积集热板上的最佳运行风量，在太阳能集热器的工程应用中，由集热板的实际有效集热面积与相应工况下单位面积集热板上最佳运行风量的数值，得出实际太阳能集热器的实际系统运行风量值.

5 结论

笔者搭建了太阳能集热器实验台并对0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下集热器的热性能进行了实验研究，利用CFD软件建立了集热板的几何模型并对太阳辐射强度在300～700 W/m2、室外温度6～12℃范围内各工况下的性能参数进行了模拟分析，得到以下结论:

(1)集热板表面温度在开机运行10 min后进入稳定状态，在0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下稳定运行时分别为39.74，36.99，35.19℃，即集热板表面温度随系统风量的增大而降低;

(2)相较于集热板表面温度，出口空气温度达到稳定有一定的滞后性.在0.94，1.41，1.87 m3/h 3种风量下稳定运行时，空气温升分别为22.45，17.57，14.37 ℃，即空气温度随系统风量的增大而降低;

(3)集热效率在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 种风量下稳定运行时分别为38.56%、45.13%和49.06%，即集热效率随系统运行风量的增大而升高;

(4)根据辐射强度为300～700 W/m2、室外温度6～12℃范围内各工况下性能参数的模拟数据，提出了相应工况下单位面积集热板上的最佳运行风量，为工程上运行风量的选取提供参考数据.

［1］ GUNNEWIEK L H，BRUNDTETT E，HOLLANDS K G T.Effect of wind on flow distribution in unglazed transpired plate collectors［J］.Solar Energy，2002，72:317-325.

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［6］ 高立新，王天成，孙绍增.无盖板渗透型集热器热性能的对比试验［J］.可再生能源，2012(6):1-4.

［7］ KUTSCHER C F.An investigation of heat transfer for air flow through low porosity perforated plates［D］.Colardo:University of Colardo，1982.

［8］ 中国建筑科学研究院.GB 50736—2012，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.