風量對太陽能集熱器熱性能影響的實驗研究

魏新利，郭春杰，孟祥睿，趙曉麗

(鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州450001)

0 引言

太陽能供暖系統(tǒng)能夠把被太陽加熱的空氣有組織地輸送到室內，從而起到采暖和輸送新風的雙重作用.集熱器是整個系統(tǒng)的核心部件，目前國內外學者［1-6］關于系統(tǒng)風量對其熱性能的研究較少，缺乏為太陽能集熱器實際工程中運行風量選取提供參考的數據，為此筆者搭建了太陽能集熱器實驗臺并對0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下集熱器的熱性能進行實驗研究，利用CFD軟件對集熱板模型進行模擬研究，以探究輻射強度為300～700W/m2、室外環(huán)境溫度為6～12℃范圍內各工況下的最佳運行風量.

1 太陽能集熱器實驗臺簡介

太陽能集熱器實驗臺由太陽輻射模擬裝置(超高壓短弧氙燈)、集熱器和實驗測試系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示.實驗選用額定功率為350 W的超高壓短弧氙燈(簡稱球形氙燈)作為太陽輻射模擬裝置，集熱器由集熱板、外殼和風機等部件組成.為增強空氣與集熱板的換熱過程，集熱板表面加工有向內側凹陷且兩側有孔縫的結構單元體，其橫向和豎向間距均為0.012 m.集熱板的材質為鋼板，幾何尺寸為0.21 m×0.31 m×0.000 6 m，外表面涂有吸收率α=0.94的選擇性涂層.外殼的材質為有機玻璃，用來封裝和固定集熱板并形成空氣流道，幾何尺寸為0.5 m×0.2 m×0.6 m.風機用來為空氣流道提供負壓，經測量風機可提供的3種風量分別為0.94，1.41，1.87 m3/h.

實驗所需的測試參數有太陽輻射強度、集熱板表面溫度、進出口空氣溫度，測試儀器及其參數如表1所示.

2 集熱性能分析

太陽能集熱板吸收到的太陽輻射能絕大部分用來加熱過流空氣，此外還有小部分熱量通過對流和輻射的方式散失到周圍環(huán)境中，故其熱平衡方程為

表1 實驗測試儀器及其參數Tab.1 Experimental test apparatus and parameters

集熱效率是單位時間內太陽能集熱器實際獲得的有用能與集熱板吸收的太陽輻射能之比，其計算式為

式中:α為集熱板的吸收率;I為太陽輻射強度，W/m2;A為集熱板的集熱面積，m2;mair為流經集熱器空氣的質量流量，kg/s;Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K);Texit為集熱器出口處的空氣溫度，K;Tamb為室外空氣溫度，K;Qconv和Qrad分別為對流和輻射熱損失，W.

3 實驗結果分析

參照鄭州地區(qū)晴朗天氣(12月7日～9日)12:00～14:00期間內太陽輻射強度和室外環(huán)境溫度的監(jiān)測數據，選取太陽輻射強度I=300 W/m2、環(huán)境溫度Tamb=10℃作為實驗研究工況.

3.1 集熱板表面溫度

在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 種風量下，集熱板表面溫度隨時間的變化如圖2所示.

圖2 3種風量下集熱板的表面溫度Fig.2 The tem perature of collector plate under the three volumes

從圖2可以看出，集熱板表面溫度在開機運行后迅速升高，約經10 min后進入穩(wěn)定狀態(tài).在0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下穩(wěn)定運行時，集熱板表面溫度分別為39.74，36.99，35.19℃，即集熱板表面溫度隨系統(tǒng)風量的增大而降低.

3.2 出口空氣溫度

在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 種風量下，集熱器出口空氣溫度隨時間的變化如圖3所示.

圖3 3種風量下空氣出口溫度Fig.3 The outlet air temperature under the three volumes

從圖3可以看出，與集熱板表面溫度變化相比，出口空氣溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)有一定的滯后性.在3種風量下穩(wěn)定運行時，出口空氣溫度分別為32.45，27.57，24.37℃，因進口空氣溫度為10℃，故空氣溫升分別為22.45，17.57，14.37℃，即空氣溫升隨系統(tǒng)風量的增大而下降.

3.3 集熱效率分析

將各參數在穩(wěn)定運行時的數值代入計算式可知，集熱效率在 0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下分別為38.56%、45.13%和49.06%，即集熱效率隨系統(tǒng)運行風量的增大而升高.這是由于隨著系統(tǒng)風量的增大，集熱板表面溫度是降低的，集熱板與周圍環(huán)境的傳熱溫差減小，相應的對流和輻射熱損失減小，由熱平衡方程知，太陽能集熱器獲得的實際有用能增大，因而集熱效率隨風量的增大而升高.

4 最佳風量的確定

因集熱板上結構單元體的橫向和豎向間距均為0.012 m，為簡化模型的計算量和加快求解速度，在利用Gambit軟件建立集熱板的幾何模型時僅選取包含4個單元體結構的局部集熱板及前后一定范圍內的空氣作為研究對象，如圖4所示.

在對求解域網格劃分時，采取分區(qū)域劃分、結構化網格和非結構化網格相結合的方式.為消除網格數量對模擬結果的影響，共劃分了5種類型的網格進行獨立性考核，最終確定模型的網格數量為462 789.

利用 Fluent軟件對模型計算求解時，文獻［7］表明:過流空氣與集熱板內表面及孔縫處的換熱過程可以忽略，因此模型的邊界設定為質量流量進口、自由流出口、集熱板外表面為熱流率邊界、內表面及孔縫處為絕熱邊界、四周為對稱邊界，求解器的設定為3D、穩(wěn)態(tài)、層流(Re≈138)和DO輻射模型，其它采用默認設置.

圖4 集熱板結構及幾何模型Fig.4 The structure and model of the collector p late

由于模型僅包含4個單元體結構的局部集熱板，其集熱面積為0.002 76 m2，而實驗中集熱板面積為0.065 10 m2，因此在驗證模型可靠性時，需將實驗中的3種風量按面積折算為相應的系統(tǒng)風量，折算后 0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下性能參數的實驗值和模擬值對比如表2所示.

表2 性能參數的實驗值和模擬值對比Tab.2 The com parison of performance parameters’experimental and sim ulated values

從表2可以看出，在3種風量下集熱板表面溫度、出口空氣溫度和集熱效率的實驗值和模擬值的相對誤差均小于5%，故該模型是可靠的、可用于下一步的模擬研究.

在太陽能集熱器實際工程應用中，確定系統(tǒng)運行風量時應綜合考慮系統(tǒng)風量對出口溫度和集熱效率的影響.根據《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》［8］的有關規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)室內供暖宜采用的設計溫度為16～22℃，由于集熱器出口溫度要比室內設計溫度高5℃左右，集熱器的出口空氣溫度應在22～26℃范圍內為宜.

為得到單位面積集熱板上的最佳運行風量，筆者對太陽輻射強度為300～700 W/m2、室外溫度為6～12℃、風量為7.2～108 m3/h范圍內各工況下的熱性能參數進行了模擬分析.現僅以太陽輻射強度I=300 W/m2、環(huán)境溫度Tamb=10℃工況下，出口空氣溫度和集熱效率隨系統(tǒng)風量的變化為例進行說明，如圖5所示.

由圖5可知，太陽輻射強度I=300 W/m2、室外環(huán)境溫度Tamb=10℃工況下，單位面積集熱板上的最佳運行風量為25.2～36 m3/h，此時出口空氣溫度為22～26℃，集熱效率為47.76% ～52.78%.

圖5 出口空氣溫度和集熱效率隨風量的變化Fig.5 The variation of the oulet air temperature and the thermal efficiency with the air vulumes

根據太陽輻射強度為300～700 W/m2、室外溫度為6～12℃、風量為7.2～108 m3/h范圍內各工況下出口空氣溫度和集熱效率的模擬數據，可以得到相應工況下單位面積集熱板上的最佳運行風量，如表3所示.

表3 各工況下最佳運行風量匯總表Tab.3 The summary tab le of optimal volum e under different conditions m3/h

太陽輻射強度在300～700 W/m2、室外溫度6～12℃范圍內各工況下，單位面積集熱板上最佳運行風量的數據表明，其數值隨太陽輻射強度的增大而增大，隨室外環(huán)境溫度的升高而增大.表3中的數值為各工況下單位面積集熱板上的最佳運行風量，在太陽能集熱器的工程應用中，由集熱板的實際有效集熱面積與相應工況下單位面積集熱板上最佳運行風量的數值，得出實際太陽能集熱器的實際系統(tǒng)運行風量值.

5 結論

筆者搭建了太陽能集熱器實驗臺并對0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下集熱器的熱性能進行了實驗研究，利用CFD軟件建立了集熱板的幾何模型并對太陽輻射強度在300～700 W/m2、室外溫度6～12℃范圍內各工況下的性能參數進行了模擬分析，得到以下結論:

(1)集熱板表面溫度在開機運行10 min后進入穩(wěn)定狀態(tài)，在0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下穩(wěn)定運行時分別為39.74，36.99，35.19℃，即集熱板表面溫度隨系統(tǒng)風量的增大而降低;

(2)相較于集熱板表面溫度，出口空氣溫度達到穩(wěn)定有一定的滯后性.在0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風量下穩(wěn)定運行時，空氣溫升分別為22.45，17.57，14.37 ℃，即空氣溫度隨系統(tǒng)風量的增大而降低;

(3)集熱效率在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 種風量下穩(wěn)定運行時分別為38.56%、45.13%和49.06%，即集熱效率隨系統(tǒng)運行風量的增大而升高;

(4)根據輻射強度為300～700 W/m2、室外溫度6～12℃范圍內各工況下性能參數的模擬數據，提出了相應工況下單位面積集熱板上的最佳運行風量，為工程上運行風量的選取提供參考數據.

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［8］ 中國建筑科學研究院.GB 50736—2012，民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.