太阳能热水器D形水箱温度场的模拟及验证

山东华宇工学院山东省洁净空调工程技术研发中心 ■ 孔德霞 赵玉磊

0 引言

按结构不同，我国的太阳能热水器可分为分体式和整体式2种。分体式太阳能热水器主要安装在用户的南面阳台上，所以也被称为阳台分体式太阳能热水器，其可有效解决高层用户在使用太阳能热水器产品时楼顶没有安装场所的问题；但分体式太阳能热水器的结构复杂、价格偏高、效率偏低。整体式太阳能热水器的加热部件(真空管、平板)和储热水箱固定在一起，具有安装方便、价格低、储水量大的优点。其中，真空管太阳能热水器(见图1)因具有升温快、降温慢的特点，得到了广大用户的认可，尤其是在长江以北地区，其市场份额更大。

现在市场上的真空管太阳能热水器及平板太阳能热水器的储水水箱大多为圆形水箱，该种水箱的结构简单，便于生产加工。但也有厂家设计了新型的D形水箱结构，其产品外观如图2所示。本文利用Phoenics软件对真空管太阳能热水器的D形水箱和传统圆形水箱内的温度场进行了模拟，并对2种水箱进行了测试。

图1 真空管太阳能热水器(圆形水箱)的外观图

图2 真空管太阳能热水器(D形水箱)的外观图

1 利用Phoenics软件模拟

Phoenics是世界上第一套计算流体与传热学的商业软件，笔者利用此软件对真空管太阳能热水器的2种水箱结构的传热效果进行了模拟。

1.1 物理模型

图3为D形水箱的结构图，图4为传统圆形水箱的结构图。

图3 D形水箱结构图

图4 传统圆形水箱结构图

真空管太阳能热水器的加热原理是利用流体温差引起的其自身密度变化形成自然对流循环，从而进行换热。本文以空气代替水来进行热流场模拟。模拟条件中，时间步长取10 s，网格分布为204×194。2种水箱的绝热材料均为酚醛泡沫(Phenolic foam)；模拟的外界环境温度为20 ℃，真空管出口处热水温度恒定为80 ℃。针对水箱内自然循环有旋涡回流的特点，选用KE湍流模形试算，经调试，收敛情况较好。计算10 min内2种水箱的温度分布，具体分布云图如图5、图6所示。

图5 D形水箱的温度分布云图

图6 传统圆形水箱的温度分布云图

1.2 模拟结果分析

从图5、图6可以看出2种水箱内温度场各时刻的变化。图5中，D形水箱的热水沿内筒上升时，在内筒D形平面内壁面上产生了1个逆时针的漩涡，随着流体温度的升高，漩涡不断被强化，且沿内筒面向中心方向蔓延，上升的热水离开内筒面向中心流动，加速了热水与中心温度较低的水的混合与换热。图6中，传统圆形水箱的热水沿内筒面顺时针向上流动，并向内筒中心处导热和扩散；高温区先出现在内筒面，这是因为内筒与外界温差较大，所以在相同的保温条件下，散失的热量也较多。

通过对水箱结构进行调整，产生了2个积极的效果：1)水箱中的水混合的更快；2)降低了水箱与外界换热的温差，在相同的保温条件下，减少了对外散失的热量。

从图5、图6中指针所示温度可以看出，D形水箱中的温度要比传统圆形水箱的高。图中所示平均温度为水箱内和水箱外整个计算域的平均温度。

2 试验验证

2.1 试验对象

为了验证Phoenics软件的模拟结果，选择2台分别带有D形水箱和传统圆形水箱的真空管太阳能热水器进行对比试验，具体规格参数如表1所示。

表1 规格参数

2.2 系统日有用得热量试验

日有用得热量是判断家用太阳能热水器热性能好坏的重要参数之一[1]。本试验根据《家用太阳热水系统热性能试验方法》[2]对太阳能热水器日有用得热量进行测试，具体试验参数如表2所示。测试时间段为08:00～16:00，系统工作时间为8 h，为太阳正午时的前后4 h。

表2 太阳能热水器日有用得热量试验参数表

根据表1、表2的数据，以及文献[3]中给出的单位面积日有用得热量的计算公式，可以得出：采用D形水箱的太阳能热水器的日有用得热量为9.28 MJ/m2，采用传统圆形水箱的太阳能热水器的日有用得热量为8.65 MJ/m2，二者相差0.63 MJ/m2，前者比后者提高了7.3%。与国家标准要求的系统日有用得热量7.7 MJ/m2[4]相比，采用D形水箱的太阳能热水器的日有用得热量提高了20.5%。

2.3 太阳能热水器平均热损因数试验

根据《家用太阳热水系统热性能试验方法》[2]对太阳能热水器平均热损因数进行测试。测试时间段为20:00～次日04:00，水箱降温8 h；测试时的环境初始温度为31.6 ℃，终止温度为25.3℃，风速为1.0 m/s。具体的试验参数如表3所示。

表3 太阳能热水器平均热损因数试验参数表

根据表3中的数据和文献[3]给出的平均热损因数公式，可以得出：采用D形水箱的太阳能热水器的平均热损因数为8.98 W/(m3·K)，采用传统圆形水箱的太阳能热水器的平均热损因数为 9.58 W/(m3·K)，二者相差 0.6 W/(m3·K)，前者比后者降低了6.3%。与国家标准要求的系统平均热损因数16 W/(m3·K)[4]相比，采用D形水箱的太阳能热水器的平均热损因数降低了43.9%。

通过试验发现，采用D形水箱的太阳能热水器与采用传统圆形水箱的太阳能热水器相比，热性能指标有明显提升。这与利用Phenics软件模拟分析的结果相吻合。

3 结论

本文对采用D形水箱的太阳能热水器和采用传统圆形水箱的太阳能热水器的传热效果进行了模拟，并对2种水箱的热性能指标进行了测试。从模拟结果和实际测试可以看到，与采用传统圆形水箱的太阳能热水器相比，采用D形水箱的太阳能热水器的日有用得热量提高了7.3%，平均热损因数降低了6.3%，热性能指标有明显提升。D形水箱改变了传统太阳能热水器水箱的圆形外观，不仅提升了传热效果，还增加了视觉效果，可以与建筑物的斜屋顶进行更好的结合；并且方便布置光伏组件，增加了其附加功能。