新型雙風(fēng)道太陽能空氣集熱器的數(shù)值模擬研究

王亮，滿意，2，*

（1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101）

0 引言

太陽能是一種清潔的可再生能源，從廣義的角度，太陽能不僅包括直接投射到地球表面的輻射能，還包括像生物質(zhì)能、水能、風(fēng)能、海浪能等同樣起源于太陽輻射的間接的太陽能量，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，最容易獲取［1］。目前，太陽能的熱利用無論在理論上還是在實(shí)踐中都是一種成熟的、成本低的且應(yīng)用廣泛的太陽能利用模式。太陽能空氣集熱器在冬天可以加熱空氣為建筑供暖，在夏天能遮擋部分墻面，降低建筑物吸收的太陽輻射［2］。與水相比，空氣具有不結(jié)垢、不結(jié)冰、泄露無害等優(yōu)點(diǎn)，太陽能空氣集熱器可廣泛應(yīng)用于建筑供暖、食品干燥等領(lǐng)域［3］。

提高集熱器的性能和效率是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。現(xiàn)有研究中的具體措施包括在集熱器中加入翅片、折流板以及改變吸熱板的形狀，這些方法主要是通過增強(qiáng)空氣擾動來提升集熱器集熱效率［4-6］；而加入雙層玻璃、將傳統(tǒng)平板式改進(jìn)為熱管式、板管式等措施，主要是通過減少集熱器的散熱、增強(qiáng)空氣的換熱能力等方法以提高瞬時集熱效率［7-9］；改變集熱器的進(jìn)出口、改變波紋板整體結(jié)構(gòu)、采用穿孔型吸熱板以及平板微熱管陣列等，主要是通過改變空氣流道的結(jié)構(gòu)以提升集熱器的集熱效率［10-13］；研究滲透式有無蓋板的對比、設(shè)計波紋穿孔吸熱板與導(dǎo)流板的結(jié)合、開孔參數(shù)與入口流量對于集熱器的影響，主要是分析影響集熱器集熱效率的因素［14-16］。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于太陽能空氣集熱器的研究集中于通過對吸熱板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提高單風(fēng)道出風(fēng)溫度及瞬時效率，而對于雙風(fēng)道風(fēng)道空氣集熱器的研究較少。

文章將太陽能空氣集熱器與我國北方農(nóng)村冬季清潔供熱需求結(jié)合起來，提出了一種新型半圓形吸熱板的雙風(fēng)道空氣集熱器，使用半圓形吸熱板將集熱器分為上、下兩層風(fēng)道，通過調(diào)節(jié)兩層風(fēng)道的流量，可實(shí)現(xiàn)其不同的出口溫度，在冬季供熱的同時保障室內(nèi)的空氣品質(zhì)。文章通過詳細(xì)地傳熱分析建立了數(shù)學(xué)傳熱模型，并且根據(jù)計算結(jié)果，分析了在空氣進(jìn)口溫度相同的條件下，不同的空氣流速對于出風(fēng)溫度以及集熱器瞬時集熱效率的影響，比較了上、下風(fēng)道不同速率時的集熱器瞬時效率。

1 新型雙風(fēng)道太陽能空氣集熱器設(shè)計

文章設(shè)計的新型半圓吸熱板雙風(fēng)道集熱器的模型如圖1所示。

圖1 新型集熱器模型圖

如圖1所示，集熱器通過半圓形吸熱板分為上、下2個風(fēng)道。上風(fēng)道為PC蓋板與半圓形吸熱板之間分割成的10個獨(dú)立通道，采用10個進(jìn)口和對應(yīng)的10個出口，每個進(jìn)出口直徑均為20 mm。下風(fēng)道為半圓形吸熱板與隔熱保溫層構(gòu)成的一個連通空間，采用1個左側(cè)進(jìn)口和對應(yīng)的1個右側(cè)出口，進(jìn)出風(fēng)口直徑均為25 mm，流動方向?yàn)閷蔷€流動。吸熱板、PC蓋板及隔熱層的尺寸、材料見表1。

表1 集熱器部件尺寸與材質(zhì)表

2 新型雙風(fēng)道太陽能空氣集熱器模型構(gòu)建

2.1 模型的基本假設(shè)

對于新型集熱器的基本假設(shè)有：

（1）PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱忽略不計，只存在吸熱板與上風(fēng)道中空氣的對流換熱；

（2）保溫層的保溫效果很好，無散熱；

（3）忽略集熱器的側(cè)面散熱；

（4）忽略PC蓋板與天空之間的輻射換熱。

（5）上、下風(fēng)道中空氣的流動視為常物性流體的穩(wěn)態(tài)流動。

由于PC蓋板的發(fā)射率很低，模擬中忽略PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱。此外，模擬中只考慮PC蓋板與外界空氣間的對流換熱，而忽略其與天空及周圍環(huán)境間的輻射換熱。當(dāng)空氣集熱器的上層蓋板發(fā)射率較大，或空氣集熱器用于天空及周圍環(huán)境的等效輻射溫度與蓋板之間溫差較大的地點(diǎn)時，必須對模型的計算結(jié)果進(jìn)行修正。

2.2 控制方程與網(wǎng)格劃分

對于常物性流體的穩(wěn)態(tài)流動，上、下風(fēng)道中的控制方程包括連續(xù)性方程、動量方程以及能量方程，通用形式由式（1）表示為

式中：ρ為密度，kg／m3；u為x軸方向的速度，m／s；v為y軸方向的速度，m／s；當(dāng)用于納維—斯托克斯方程時，φ為速度u、v，m／s；當(dāng)用于能量方程時，φ為溫度T，K；Iφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

對于常物性流體的穩(wěn)態(tài)湍流流動，控制方程還包括K方程和ε方程，其中K方程由式（2）表示為

式中：K為紊動能，J；t為時間，s；uj為速度，m／s；αKμeff＝，其中CK＝0.09～0.11；μt為動力粘性系數(shù)，kg／（m·s）；ε為紊動能耗散率，%。ε方程由式（3）表示為

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

輻射傳熱DO模型方程由式（4）表示為

式中：λ為輻射波長，μm；αλ為光譜吸收系數(shù)；Ibλ為黑體輻射強(qiáng)度，W／（m2·μm）。

依據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用GAMBIT軟件建模并進(jìn)行建立網(wǎng)格劃分，采用分塊結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對吸熱板附近壁面以及出口處進(jìn)行加密，經(jīng)網(wǎng)格性無關(guān)驗(yàn)證，集熱器模型計算網(wǎng)格選取65萬。

2.3 物性參數(shù)以及邊界條件設(shè)定

太陽能空氣集熱器內(nèi)部空氣流動速度較低，按不可壓縮流體處理，其物性參數(shù)采用 Boussinesq假設(shè)，空氣密度為 1.225 kg／m3，空氣比熱容為1008 J／（kg·K）。

氣象參數(shù)模擬條件根據(jù)Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)氣象年TMY數(shù)據(jù)，時間設(shè)定為1月19日13：00，地點(diǎn)為北緯36°、東經(jīng)117°，時區(qū)為東八區(qū)。流道內(nèi)空氣的流動方向不受地域條件的影響，均為沿z軸負(fù)方向流動；進(jìn)口溫度以及溫度初始條件根據(jù)地域條件的不同而設(shè)置為相同的初始條件?？紤]到北方霧霾天氣的影響，設(shè)定大氣透明度為0.3。利用Fluent軟件所提供的太陽計算器計算得到太陽輻射強(qiáng)度與方向向量。其邊界條件設(shè)定見表2。

表2 邊界條件設(shè)定表

2.4 模型求解方法

計算過程采用三維雙精度壓力基求解，選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型，由于考慮散射對于模擬結(jié)果的影響，而且考慮到太陽作為局部熱源，所以輻射模型選擇DO模型，入、出口存在壓力降，所以速度與壓力基的耦合采用SIMPLE算法，為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，差分格式采用二階精度差分格式離散。計算模型按照穩(wěn)態(tài)過程求解。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同進(jìn)口風(fēng)速下空氣集熱器的出口溫度

以1 m／s為進(jìn)口速度邊界條件，273 K作為進(jìn)口溫度邊界條件，上、下層風(fēng)道內(nèi)空氣的溫度沿著風(fēng)道的方向逐漸增大，單位風(fēng)道長度的溫升逐漸減小。下層流道低溫空氣流經(jīng)吸熱板時，溫度逐漸上升，換熱溫差沿流動方向減少，在吸熱板上帶走的熱量逐漸減少，下層流道會出現(xiàn)一條低溫帶。而且下層流道會影響上層空氣溫度層會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。由于進(jìn)出口尺寸相同，同時有壓力差的作用而產(chǎn)生氣流渦旋。經(jīng)過模擬計算得出，上層空氣出口溫度為311.14 K，下層空氣出口溫度為329 K。截取參考面模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 速度為1 m／s的風(fēng)道溫度、速度分布圖

將進(jìn)口速度調(diào)整為1.5 m／s，上、下層流道空氣入口初始溫度均為273 K作為進(jìn)口邊界條件進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得出結(jié)果如圖3所示。與進(jìn)口速度為1 m／s時的計算結(jié)果相比，上層空氣風(fēng)道的出口溫度降低，原因是由于速度增大，空氣的質(zhì)量流量增大，導(dǎo)致出口溫度較低。下層空氣風(fēng)道流量增加，同時上層風(fēng)道空氣從吸熱板上帶走熱量增大，導(dǎo)致下層出口溫度降低幅度大，經(jīng)過模擬計算得到上、下層出口溫度分別為301.6、307.4 K。由于模擬中設(shè)定的工作介質(zhì)空氣不循環(huán)使用，不同地區(qū)氣溫會對出口溫度有影響。

圖3 速度為1.5 m／s的風(fēng)道溫度分布圖

經(jīng)比較可以看出，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速由1 m／s增大至1.5 m／s時，上、下風(fēng)道出口溫度的溫差減小，所以將風(fēng)速分別調(diào)整為 2.0、2.5 m／s，用來分析進(jìn)口風(fēng)速對上、下層出口溫度以及溫差的影響。計算結(jié)果見表3。

結(jié)果分析：進(jìn)口風(fēng)速增大時，由于上層空氣的質(zhì)量流量大于下層空氣，在吸熱板上帶走的熱量增多，在半圓形吸熱板吸收熱量一定的情況下，導(dǎo)致下層空氣風(fēng)道帶走的熱量減少，從而下層空氣風(fēng)道的溫度減小的程度大于上層風(fēng)道。

表3 進(jìn)口溫度273K不同進(jìn)管口風(fēng)速下的出口溫度表

3.2 不同進(jìn)口風(fēng)速下空氣集熱器的集熱效率

空氣集熱器的瞬時集熱效率定義為集熱器利用的能量與投射到集熱器上的太陽輻射量的比值?？諝饧療崞鞯乃矔r集熱效率計算由式（5）、（6）表示為

式中：η為集熱器的瞬時集熱效率，%；Q為空氣所獲得的能量，W；A為采光面積，m2；I為單位面積集熱器上吸收的輻射量，W／m2；c為空氣定壓比熱容，J／（kg·K）；m為空氣的質(zhì)量流量，kg／s；t為空氣的進(jìn)出口溫差，K。

根據(jù)式（5）、（6）與數(shù)據(jù)計算集熱器的瞬時效率?？諝獾馁|(zhì)量流量與集熱效率見表4。

表4 空氣質(zhì)量流量與集熱效率表

對應(yīng)不同進(jìn)口風(fēng)速下的空氣集熱器的瞬時效率如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)速度緩慢增加時，瞬時效率也隨之增加。當(dāng)速度到達(dá)2.5 m／s時，瞬時效率達(dá)到最高值60.47%。當(dāng)速度繼續(xù)增加時，瞬時效率上升的幅度緩慢。說明在2.5 m／s之后，速度對集熱效率的影響變小。

圖4 進(jìn)口溫度273 K集熱器瞬時集熱效率曲線圖

3.3 不同上、下層風(fēng)速下空氣集熱器的集熱效率

改變上、下層風(fēng)道的風(fēng)速，分別以1、1.5 m／s作為進(jìn)口速度邊界條件。經(jīng)過模擬計算得到上、下層出口溫度分別約為309、312.9 K。集熱器上、下層風(fēng)道溫度分布圖如圖5所示。

圖5 集熱器上、下層風(fēng)道溫度分布圖

保持上層風(fēng)速為1 m／s不變，將下層風(fēng)速逐漸調(diào)整為2和2.5 m／s，觀測空氣流道的出口溫度以及計算集熱效率，得到的結(jié)果見表5。

表5 上層風(fēng)速1m／s時的效率表

進(jìn)一步將上層風(fēng)速改變?yōu)?1.5、2.0、2.5 m／s，下層風(fēng)速依次從1.0 m／s調(diào)整為2.5 m／s，計算出的空氣出口溫度以及集熱效率列于表6中。

表6 集熱器出口溫度以及瞬時集熱效率表

結(jié)合表5、6可知，上、下層風(fēng)速分別為2.5、1 m／s時，集熱器的集熱效率最高為62.19%；上、下層風(fēng)速分別為 1、2.5 m／s時，集熱效率最低為47.20%。

根據(jù)表6中的模擬結(jié)果，當(dāng)集熱器上層風(fēng)速一定時，隨著下層風(fēng)速的增大，集熱器的出口溫度減小，集熱效率會緩慢降低，并且上層風(fēng)道出口溫度降低的幅度要小于下層出口溫度的變化幅度。這是由于上層流量大于下層，并且當(dāng)上層速度處于略小值時，空氣帶走的熱量較多，導(dǎo)致下層空氣帶走熱量較小，從而出口溫度以及集熱效率都有下降趨勢。不同速度的集熱效率曲線圖，如圖6所示。

圖6 不同速度的集熱效率曲線圖

結(jié)合表6與圖6可以得出，當(dāng)下層風(fēng)速相同時，隨著上層風(fēng)速增大，出口溫度降低，集熱效率提高，這是由于上層風(fēng)道流量大，速度大時帶走熱量多，符合流量越大，集熱效率越高的推論。集熱器的瞬時集熱效率不高，主要原因是由于進(jìn)出口流量低，可以從改進(jìn)流量著手來改進(jìn)集熱器，提高集熱器集熱效率。

3.4 不同入口溫度下空氣集熱器的出口溫度和集熱效率

為了考慮不同地域氣溫的影響，需要模擬空氣集熱器在不同空氣入口溫度下的出口溫度和集熱效率。由表6可知，上、下層風(fēng)速分別取2、1 m／s時，集熱器的出口溫度以及集熱效率為最佳配比。將集熱器上、下層進(jìn)口溫度均調(diào)整為 263、268、278、283和288K作為進(jìn)口溫度的邊界條件。采用Fluent軟件進(jìn)行模擬計算得出計算數(shù)據(jù)，見表7。

表7 不同進(jìn)口溫度下的出口溫度以及集熱效率表

根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)做出相對應(yīng)的曲線圖，不同進(jìn)口溫度下的出口溫度及集熱效率圖如圖7所示。

圖7 不同進(jìn)口溫度下的出口溫度及集熱效率圖

由表7中的數(shù)據(jù)與圖7的曲線可知：集熱器的上、下層出口溫度隨著進(jìn)口溫度的增加而上升，下層出口溫度高于上層出口，這是由于上層空氣不僅和吸熱板進(jìn)行對流換熱，而且還與蓋板進(jìn)行對流換熱，熱損失較大；集熱器的集熱效率隨進(jìn)口溫度的增加而下降，這是由于當(dāng)進(jìn)口溫度升高時，空氣與吸熱板之間的溫差減小，換熱強(qiáng)度下降。進(jìn)口溫度為288 K時，集熱效率最低為47.69%。

考慮到北方地區(qū)冬季出現(xiàn)的霧霾天氣條件，文章中的數(shù)值計算初始條件中所設(shè)置的大氣透明度較低，導(dǎo)致該雙風(fēng)道空氣集熱器的出口溫度不是太高。該雙風(fēng)道空氣集熱器的優(yōu)勢在于上、下層風(fēng)道可以送入不同參數(shù)的進(jìn)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)不同的出風(fēng)溫度滿足不同需求；而且下層流道中的空氣由于與半圓吸熱板的擾流大，與吸熱板的換熱充分，能夠有效的降低能耗，在一定程度上達(dá)到節(jié)能的目的。通過流量調(diào)節(jié)，雙風(fēng)道空氣集熱器能實(shí)現(xiàn)上、下層風(fēng)道的不同出口溫度，可在供熱的同時加熱新風(fēng)，符合北方農(nóng)村的清潔供熱需求。后續(xù)研究中在保證集熱效率的前提下可以通過適當(dāng)增大集熱器的流道截面面積、進(jìn)出口尺寸、增設(shè)擾流板來增加空氣流量以及空氣與吸熱板的換熱以提高空氣的出口溫度。

4 結(jié)論

通過上述研究可知：

（1）太陽能空氣集熱器的出口溫度隨上、下層進(jìn)口風(fēng)速的增大而降低，上、下層最高溫度分別為311.14、329 K。

（2）下層風(fēng)道進(jìn)口速度一定時，雙風(fēng)道集熱器的瞬時集熱效率隨著上層風(fēng)道速度的增大而上升，集熱效率最高為62.19%；集熱效率隨著下層風(fēng)道速度的增大而下降，效率最低為47.20%。

（3）雙風(fēng)道集熱器的上、下層出口溫度隨著進(jìn)口溫度的升高而上升；集熱效率隨之下降，進(jìn)口溫度288 K時，集熱效率最低為47.69%。

參考文獻(xiàn)：

［1］左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］何志兵，賈文惠，尤占平，等.太陽能平板空氣集熱器性能研究［J］.制冷與空調(diào)，2015，29（2）：229-231，236.

［3］賈勝輝.平板太陽能空氣集熱器的數(shù)值模擬研究［J］.建筑科學(xué)，2015，31（2）：85-91.

［4］Matrawy K K.Theoretical analysis for an air heater with a boxtype absorbed［J］.Solar Energy，1998，63（3）：191-198.

［5］程友良，楊國寧，王月坤.太陽能空氣集熱器吸熱板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其數(shù)值模擬［J］.可再生能源，2016，34（7）：949-954.

［6］劉一福，黃坤榮，王玉林.擾流板型太陽能平板空氣集熱器數(shù)值模擬分析［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（1）：65-68.

［7］孫自帥，陶漢中，張建東，等.雙層玻璃蓋板平板太陽能集熱器數(shù)值模擬［J］.熱力發(fā)電，2016，45（11）：54-60.

［8］李世平，向開根，李雯，等.平板式熱管太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.制冷與空調(diào)，2015，29（5）：509-512，517.

［9］車永毅，厚彩琴.太陽能平板集熱器關(guān)鍵參數(shù)對其熱性能的影響［J］.建筑節(jié)能，2016，44（11）：28-33.

［10］丁剛，左然，張旭鵬，等.平板式太陽能空氣集熱器流道改進(jìn)的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬［J］.可再生能源，2011，29（2）：12-15，21.

［11］班婷，朱明，王海，等.太陽能集熱器的研制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（1）：277-281.

［12］薛一冰，孟光，張樂.兩種太陽能空氣集熱器性能比較研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2009，39（6）：147-149，158.

［13］朱婷婷，刁彥華，趙耀華，等.基于平板微熱管陣列的新型太陽能空氣集熱器熱性能及阻力特性研究［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（4）：963-970.

［14］李憲莉，李超.兩種新型太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.煤氣與熱力，2015，35（9）：5-9.

［15］王軍鋒，顧鋒，支良澤，等.導(dǎo)流板滲透式太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（1）：162-166.

［16］胡建軍，馬龍，劉凱彤，等.開孔型折流板太陽能空氣集熱器參數(shù)優(yōu)化［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（14）：227-231.