新型双风道太阳能空气集热器的数值模拟研究

2018-04-13王亮满意

山东建筑大学学报 2018年1期

王亮，满意，2，*

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东济南250101）

0 引言

太阳能是一种清洁的可再生能源，从广义的角度，太阳能不仅包括直接投射到地球表面的辐射能，还包括像生物质能、水能、风能、海浪能等同样起源于太阳辐射的间接的太阳能量，在所有的可再生能源中，太阳能分布最广，最容易获取［1］。目前，太阳能的热利用无论在理论上还是在实践中都是一种成熟的、成本低的且应用广泛的太阳能利用模式。太阳能空气集热器在冬天可以加热空气为建筑供暖，在夏天能遮挡部分墙面，降低建筑物吸收的太阳辐射［2］。与水相比，空气具有不结垢、不结冰、泄露无害等优点，太阳能空气集热器可广泛应用于建筑供暖、食品干燥等领域［3］。

提高集热器的性能和效率是国内外学者研究的重点。现有研究中的具体措施包括在集热器中加入翅片、折流板以及改变吸热板的形状，这些方法主要是通过增强空气扰动来提升集热器集热效率［4-6］；而加入双层玻璃、将传统平板式改进为热管式、板管式等措施，主要是通过减少集热器的散热、增强空气的换热能力等方法以提高瞬时集热效率［7-9］；改变集热器的进出口、改变波纹板整体结构、采用穿孔型吸热板以及平板微热管阵列等，主要是通过改变空气流道的结构以提升集热器的集热效率［10-13］；研究渗透式有无盖板的对比、设计波纹穿孔吸热板与导流板的结合、开孔参数与入口流量对于集热器的影响，主要是分析影响集热器集热效率的因素［14-16］。文献调研发现，对于太阳能空气集热器的研究集中于通过对吸热板的结构优化来提高单风道出风温度及瞬时效率，而对于双风道风道空气集热器的研究较少。

文章将太阳能空气集热器与我国北方农村冬季清洁供热需求结合起来，提出了一种新型半圆形吸热板的双风道空气集热器，使用半圆形吸热板将集热器分为上、下两层风道，通过调节两层风道的流量，可实现其不同的出口温度，在冬季供热的同时保障室内的空气品质。文章通过详细地传热分析建立了数学传热模型，并且根据计算结果，分析了在空气进口温度相同的条件下，不同的空气流速对于出风温度以及集热器瞬时集热效率的影响，比较了上、下风道不同速率时的集热器瞬时效率。

1 新型双风道太阳能空气集热器设计

文章设计的新型半圆吸热板双风道集热器的模型如图1所示。

图1 新型集热器模型图

如图1所示，集热器通过半圆形吸热板分为上、下2个风道。上风道为PC盖板与半圆形吸热板之间分割成的10个独立通道，采用10个进口和对应的10个出口，每个进出口直径均为20 mm。下风道为半圆形吸热板与隔热保温层构成的一个连通空间，采用1个左侧进口和对应的1个右侧出口，进出风口直径均为25 mm，流动方向为对角线流动。吸热板、PC盖板及隔热层的尺寸、材料见表1。

表1 集热器部件尺寸与材质表

2 新型双风道太阳能空气集热器模型构建

2.1 模型的基本假设

对于新型集热器的基本假设有：

（1）PC盖板与吸热板之间的辐射换热忽略不计，只存在吸热板与上风道中空气的对流换热；

（2）保温层的保温效果很好，无散热；

（3）忽略集热器的侧面散热；

（4）忽略PC盖板与天空之间的辐射换热。

（5）上、下风道中空气的流动视为常物性流体的稳态流动。

由于PC盖板的发射率很低，模拟中忽略PC盖板与吸热板之间的辐射换热。此外，模拟中只考虑PC盖板与外界空气间的对流换热，而忽略其与天空及周围环境间的辐射换热。当空气集热器的上层盖板发射率较大，或空气集热器用于天空及周围环境的等效辐射温度与盖板之间温差较大的地点时，必须对模型的计算结果进行修正。

2.2 控制方程与网格划分

对于常物性流体的稳态流动，上、下风道中的控制方程包括连续性方程、动量方程以及能量方程，通用形式由式（1）表示为

式中：ρ为密度，kg／m3；u为x轴方向的速度，m／s；v为y轴方向的速度，m／s；当用于纳维—斯托克斯方程时，φ为速度u、v，m／s；当用于能量方程时，φ为温度T，K；Iφ为广义扩散系数；Sφ为广义源项。

对于常物性流体的稳态湍流流动，控制方程还包括K方程和ε方程，其中K方程由式（2）表示为

式中：K为紊动能，J；t为时间，s；uj为速度，m／s；αKμeff＝，其中CK＝0.09～0.11；μt为动力粘性系数，kg／（m·s）；ε为紊动能耗散率，%。ε方程由式（3）表示为

式中：αsμeff＝，Cε＝0.07～0.09；Cε1＝1.41～1.45、Cε2＝1.91～1.92。

辐射传热DO模型方程由式（4）表示为

式中：λ为辐射波长，μm；αλ为光谱吸收系数；Ibλ为黑体辐射强度，W／（m2·μm）。

依据以上数学模型，运用GAMBIT软件建模并进行建立网格划分，采用分块结构性网格，对吸热板附近壁面以及出口处进行加密，经网格性无关验证，集热器模型计算网格选取65万。

2.3 物性参数以及边界条件设定

太阳能空气集热器内部空气流动速度较低，按不可压缩流体处理，其物性参数采用 Boussinesq假设，空气密度为 1.225 kg／m3，空气比热容为1008 J／（kg·K）。

气象参数模拟条件根据Fluent软件，采用标准气象年TMY数据，时间设定为1月19日13：00，地点为北纬36°、东经117°，时区为东八区。流道内空气的流动方向不受地域条件的影响，均为沿z轴负方向流动；进口温度以及温度初始条件根据地域条件的不同而设置为相同的初始条件。考虑到北方雾霾天气的影响，设定大气透明度为0.3。利用Fluent软件所提供的太阳计算器计算得到太阳辐射强度与方向向量。其边界条件设定见表2。

表2 边界条件设定表

2.4 模型求解方法

计算过程采用三维双精度压力基求解，选用标准K-ε模型，由于考虑散射对于模拟结果的影响，而且考虑到太阳作为局部热源，所以辐射模型选择DO模型，入、出口存在压力降，所以速度与压力基的耦合采用SIMPLE算法，为了使模拟结果更加准确，差分格式采用二阶精度差分格式离散。计算模型按照稳态过程求解。

3 数值模拟结果与分析

3.1 不同进口风速下空气集热器的出口温度

以1 m／s为进口速度边界条件，273 K作为进口温度边界条件，上、下层风道内空气的温度沿着风道的方向逐渐增大，单位风道长度的温升逐渐减小。下层流道低温空气流经吸热板时，温度逐渐上升，换热温差沿流动方向减少，在吸热板上带走的热量逐渐减少，下层流道会出现一条低温带。而且下层流道会影响上层空气温度层会出现不均匀现象。由于进出口尺寸相同，同时有压力差的作用而产生气流涡旋。经过模拟计算得出，上层空气出口温度为311.14 K，下层空气出口温度为329 K。截取参考面模拟结果如图2所示。

图2 速度为1 m／s的风道温度、速度分布图

将进口速度调整为1.5 m／s，上、下层流道空气入口初始温度均为273 K作为进口边界条件进行数值模拟计算，得出结果如图3所示。与进口速度为1 m／s时的计算结果相比，上层空气风道的出口温度降低，原因是由于速度增大，空气的质量流量增大，导致出口温度较低。下层空气风道流量增加，同时上层风道空气从吸热板上带走热量增大，导致下层出口温度降低幅度大，经过模拟计算得到上、下层出口温度分别为301.6、307.4 K。由于模拟中设定的工作介质空气不循环使用，不同地区气温会对出口温度有影响。

图3 速度为1.5 m／s的风道温度分布图

经比较可以看出，当进口风速由1 m／s增大至1.5 m／s时，上、下风道出口温度的温差减小，所以将风速分别调整为 2.0、2.5 m／s，用来分析进口风速对上、下层出口温度以及温差的影响。计算结果见表3。

结果分析：进口风速增大时，由于上层空气的质量流量大于下层空气，在吸热板上带走的热量增多，在半圆形吸热板吸收热量一定的情况下，导致下层空气风道带走的热量减少，从而下层空气风道的温度减小的程度大于上层风道。

表3 进口温度273K不同进管口风速下的出口温度表

3.2 不同进口风速下空气集热器的集热效率

空气集热器的瞬时集热效率定义为集热器利用的能量与投射到集热器上的太阳辐射量的比值。空气集热器的瞬时集热效率计算由式（5）、（6）表示为

式中：η为集热器的瞬时集热效率，%；Q为空气所获得的能量，W；A为采光面积，m2；I为单位面积集热器上吸收的辐射量，W／m2；c为空气定压比热容，J／（kg·K）；m为空气的质量流量，kg／s；t为空气的进出口温差，K。

根据式（5）、（6）与数据计算集热器的瞬时效率。空气的质量流量与集热效率见表4。

表4 空气质量流量与集热效率表

对应不同进口风速下的空气集热器的瞬时效率如图4所示。可以看出，当速度缓慢增加时，瞬时效率也随之增加。当速度到达2.5 m／s时，瞬时效率达到最高值60.47%。当速度继续增加时，瞬时效率上升的幅度缓慢。说明在2.5 m／s之后，速度对集热效率的影响变小。

图4 进口温度273 K集热器瞬时集热效率曲线图

3.3 不同上、下层风速下空气集热器的集热效率

改变上、下层风道的风速，分别以1、1.5 m／s作为进口速度边界条件。经过模拟计算得到上、下层出口温度分别约为309、312.9 K。集热器上、下层风道温度分布图如图5所示。

图5 集热器上、下层风道温度分布图

保持上层风速为1 m／s不变，将下层风速逐渐调整为2和2.5 m／s，观测空气流道的出口温度以及计算集热效率，得到的结果见表5。

表5 上层风速1m／s时的效率表

进一步将上层风速改变为 1.5、2.0、2.5 m／s，下层风速依次从1.0 m／s调整为2.5 m／s，计算出的空气出口温度以及集热效率列于表6中。

表6 集热器出口温度以及瞬时集热效率表

结合表5、6可知，上、下层风速分别为2.5、1 m／s时，集热器的集热效率最高为62.19%；上、下层风速分别为 1、2.5 m／s时，集热效率最低为47.20%。

根据表6中的模拟结果，当集热器上层风速一定时，随着下层风速的增大，集热器的出口温度减小，集热效率会缓慢降低，并且上层风道出口温度降低的幅度要小于下层出口温度的变化幅度。这是由于上层流量大于下层，并且当上层速度处于略小值时，空气带走的热量较多，导致下层空气带走热量较小，从而出口温度以及集热效率都有下降趋势。不同速度的集热效率曲线图，如图6所示。

图6 不同速度的集热效率曲线图

结合表6与图6可以得出，当下层风速相同时，随着上层风速增大，出口温度降低，集热效率提高，这是由于上层风道流量大，速度大时带走热量多，符合流量越大，集热效率越高的推论。集热器的瞬时集热效率不高，主要原因是由于进出口流量低，可以从改进流量着手来改进集热器，提高集热器集热效率。

3.4 不同入口温度下空气集热器的出口温度和集热效率

为了考虑不同地域气温的影响，需要模拟空气集热器在不同空气入口温度下的出口温度和集热效率。由表6可知，上、下层风速分别取2、1 m／s时，集热器的出口温度以及集热效率为最佳配比。将集热器上、下层进口温度均调整为 263、268、278、283和288K作为进口温度的边界条件。采用Fluent软件进行模拟计算得出计算数据，见表7。

表7 不同进口温度下的出口温度以及集热效率表

根据表7中的数据做出相对应的曲线图，不同进口温度下的出口温度及集热效率图如图7所示。

图7 不同进口温度下的出口温度及集热效率图

由表7中的数据与图7的曲线可知：集热器的上、下层出口温度随着进口温度的增加而上升，下层出口温度高于上层出口，这是由于上层空气不仅和吸热板进行对流换热，而且还与盖板进行对流换热，热损失较大；集热器的集热效率随进口温度的增加而下降，这是由于当进口温度升高时，空气与吸热板之间的温差减小，换热强度下降。进口温度为288 K时，集热效率最低为47.69%。

考虑到北方地区冬季出现的雾霾天气条件，文章中的数值计算初始条件中所设置的大气透明度较低，导致该双风道空气集热器的出口温度不是太高。该双风道空气集热器的优势在于上、下层风道可以送入不同参数的进风，实现不同的出风温度满足不同需求；而且下层流道中的空气由于与半圆吸热板的扰流大，与吸热板的换热充分，能够有效的降低能耗，在一定程度上达到节能的目的。通过流量调节，双风道空气集热器能实现上、下层风道的不同出口温度，可在供热的同时加热新风，符合北方农村的清洁供热需求。后续研究中在保证集热效率的前提下可以通过适当增大集热器的流道截面面积、进出口尺寸、增设扰流板来增加空气流量以及空气与吸热板的换热以提高空气的出口温度。