太陽能集熱器空氣/水雙循環換熱特性模擬研究

馬進偉，李 蔥，方 浩，杜 濤

（安徽建筑大學 環境與能源工程學院，安徽 合肥 230601）

太陽能雙效集熱器將加熱水和空氣的功能相結合實現光熱利用，廣泛應用于建筑采暖、生活用水、產品干燥等領域[1-3]。

目前，為提高集熱器的工作性能，國內外學者對太陽能集熱器展開了大量的研究工作。Saim等[4-6]通過實驗和模擬研究了不同翅片結構對太陽能空氣集熱器集熱效率的影響；胡建軍等[7]利用構建的空氣集熱器模型，分析了集熱器內部主動旋流和被動旋流的流動及傳熱特性；賈斌廣等[8]提出渦旋型太陽能空氣集熱器并優化了擾流板的結構布置，進一步提升集熱效率；劉爽等[9-10]對不同換熱結構的空氣流道進行優化，模擬結果顯示集熱效率最高達到51.29%。Ma 等[11]將雙效集熱器與建筑相結合，對冬季采暖工況展開實驗研究。結果表明，室內溫度提高明顯，節能效果顯著；童維維等[12]基于Fluent 軟件平臺對比模擬光電-空氣、光電-水模式下的能效比率。綜上所述，有關空氣集熱器的研究已較為廣泛，而有關水集熱、空氣-水復合集熱的模擬研究少有涉及。

針對上述問題，本文提出一種利用太陽能加熱水/空氣的雙效集熱裝置，能夠根據實際需求調節集熱工況，解決空氣、水單一集熱模塊季節性適用問題，同時空氣、水集熱模塊的一體化結構可有效節約占地面積，實現太陽能的綜合利用。結合夏熱冬冷地區的氣候特點，運用Computational Fluid Dynamics（簡稱CFD）技術數值模擬集熱器的換熱工質在不同工況下，水集熱、空氣集熱和空氣-水復合集熱的換熱特性，拓寬太陽能集熱器的應用領域，為進一步優化集熱器性能提供新的思路和理論依據。

1 雙效集熱器模型

1.1 物理模型

太陽能雙效集熱器物理模型如圖1 所示，空氣流道為下風道式。集熱器尺寸大小為2 000 mm×1000 mm×80 mm，其中，吸熱板長1 950 mm，寬950 mm。吸熱板上側為高度25 mm 的空氣夾層，高度35 mm 的空氣流道分布在吸熱板下側。7 根內徑8 mm 的銅管均勻焊接在吸熱板的背面，兩端與直徑為22 mm 的集水管相連。集熱器底部和邊框采用玻璃纖維進行保溫。表1 為集熱器的各項物性參數。

表1 物性參數表

圖1 下流道式太陽能雙效集熱器結構示意圖

1.2 數學模型

雙效集熱器中工質的循環流動滿足以下方程：

（1）連續性方程

式中，ρ為流體密度，kg/m3；ux，uy，uz為速度在x，y，z方向上分量，m/s。

（2）能量守恒方程

式中，T 為溫度，K；λ為導熱系數，W/（m·K）；cp為工質比熱容，J/（kg·K）；Sk為內熱源項，w。

（3）動量守恒方程

式中，?P為壓力梯度，Pa；ψ為粘滯阻力N；v為速度，m/s；φ為體積力，N；其它參數含義如前。

2 模擬過程及方法

2.1 邊界設定

（1）環境溫度設為300 K，吸熱板作為內熱源；

（2）玻璃蓋板設置對流與輻射混合邊界；

（3）集熱器四周為對流換熱邊界；

（4）水管與空氣接觸面設為耦合邊界；

（5）空氣及水進口設為速度入口，出口設為壓力出口。

2.2 網格劃分

利用SpaceClaim DesignModeler（SCDM）對集熱器模型精細化分割，網格劃分采用Ansys Meshing進行，局部結構采用加密網格，經網格無關性驗證發現，當網格數在129 萬時，模擬結果趨于穩定。因此，本模擬中網格數選擇為130 萬。

2.3 模型選擇

由于集熱器內部工質流速較低，溫度變化幅度較大，溫度分層明顯，故選用Boussinesq 假設考慮浮升力的影響。為更好地解釋渦流、射流、二次流等復雜流動，采用Realizable k —ε 模型考慮流體粘性和耗散率對傳熱過程的影響較為合適。選擇DO 輻射傳熱模型，在空氣集熱，水集熱和空氣-水復合集熱模式下均采用SIMPLIC 算法。動量與能量離散方程采用二階迎風差分格式，壓力離散方程采用Body Force Weighted，湍動能及DO 離散方程采用一階迎風差分格式。

2.4 集熱效率

集熱效率為工質熱能的增量與太陽輻照能之比：

其中：m˙ 為工質的質量流量，kg/s；Δt 為工質的進出口溫差，K；Ak為吸熱板的面積，m2；G0為太陽能輻照強度，800 W/m2。

3 模擬結果及分析

3.1 水集熱模擬

為探究水流速度變化對水出口溫度和集熱效率的影響，當水流入口溫度為300 K 時，改變水流進口流速（0.01～0.1 m/s），水出口溫度及集熱效率變化趨勢如圖2 所示。由圖分析可知，隨著水流速度的增加，集熱效率逐漸提升，但提升幅度不斷減小，流速0.1 m/s 時集熱效率最高，可以達到66.58%。顯然可見，出口水溫隨著流速的增加逐漸降低，當水流速度為0.1 m/s 時，水溫僅升高6.21 K，但集熱效率較0.01 m/s 時提高23.74%。因此，提高水進口流速能有效提高水集熱工況下的集熱效率。

水進口流速0.1 m/s，溫度300 K 時，吸熱板溫度分布云圖如圖3（a）所示。數據顯示，吸熱板的平均溫度為317.87 K，最高溫度可以達到344.61 K，吸熱板溫度分布差異較為明顯，這是因為隨著水流沿銅管方向逐漸被加熱，水溫逐漸提升，銅管與吸熱板間的換熱量減少。因此，靠近水出口處的吸熱板相對于進口處具有更高的溫度。圖3（b）反映了水集熱過程中銅管溫度分布，可見水集熱過程中水溫得到有效提升。集水管出口溫度略低于支管水溫，原因在于集水管會與周圍環境發生對流換熱，溫度有所降低。

圖3（a） 水集熱工況下吸熱板溫度分布

圖3（b） 水管溫度分布

水流進口溫度對集熱器效率的影響如表2 所示。水流進口速度為0.1 m/s 的工況下，改變進口溫度，隨著進口溫度的提高，水集熱效率不斷降低。當進口溫度為290 K 時，效率最高為74.73%，較進口溫度為310 K 時提高了16.29%。從能量利用效率來看，水集熱更加適用于春秋季節。其主要原因是在冬季時，雖然能夠容易獲得較低的進口溫度，但外部環境溫度過低，集管、吸熱板與外界環境溫差大，會造成大量的熱量損失。在夏季，雖然能夠獲得高溫熱水，但是由于進口水溫較高，效率明顯低于春秋兩季。

表2 水進口溫度對集熱效率的影響

3.2 空氣集熱模擬

圖4 反映了空氣集熱效率、空氣出口溫度隨空氣進口流速的變化趨勢。進口空氣溫度為300 K的工況下，改變空氣進口流速（0.2～1.0 m/s），隨著進口流速的增加，集熱效率逐漸升高，當流速為1.0 m/s 時，集熱效率為51.74%，較流速0.2 m/s 時效率提高了28.94%。結果顯示，空氣出口溫度隨進口流速的增加逐漸降低，但降低幅度逐漸減小。當空氣進口流速由0.2 m/s 增大到1.0 m/s 時，出口溫度由339.16 K 降低到317.77 K，溫度變化幅度達21.39 K，原因在于隨著空氣流速的增加，空氣與吸熱板換熱時間減少，換熱量降低。

圖4 空氣進口流速對空氣集熱性能的影響

空氣集熱效率隨進口溫度變化趨勢如表3 所示?？諝膺M口流速為0.5 m/s 時，空氣進口溫度從290 K 變化到310 K。數據顯示，空氣集熱效率隨進口溫度升高逐漸降低，當進口溫度為310 K 時，其瞬時集熱效率僅為31.68%，較進口溫度290 K時降低了13.39%，且其變化趨勢接近線性變化。從表3 分析可知，空氣集熱適用于冬季建筑采暖，原因在于冬季室外空氣溫度較低，對應著更高的空氣集熱效率。當進口溫度為290 K，流速為0.5 m/s 時，出口溫度可以達到320.96 K，集熱器效率達到45.07%，可以滿足冬季室內采暖需求。

表3 空氣進口溫度對集熱效率的影響

空氣進口流速0.5 m/s，溫度300 K 時，空氣出口溫度分布如圖5（a）所示，空氣出口存在明顯的溫度分層現象，靠近吸熱板一側的空氣溫度明顯高于底部空氣溫度，原因在于空氣與吸熱板換熱過程中溫度較高的空氣密度較低，在浮升力的作用下逐步聚集在集熱板附近，而溫度較低的空氣，密度較大，在重力作用下，向底部聚集。同時，底部的熱空氣與集熱器背部發生對流換熱，溫度進一步降低。因此，在工業化生產過程中，空氣集熱器的下流道不宜過高，一般取15 mm-25 mm[13]。此工況下吸熱板溫度分布如圖5 （b）所示，當空氣進口流速為0.5 m/s，溫度300 K 時，吸熱板平均溫度為346.95 K，最高溫度為351.83 K，吸熱板溫度較水集熱工況下提高了32.08 K，但溫度分布的均勻性有所提高。

圖5（a） 空氣出口溫度分布

圖5（b） 空氣集熱工況下吸熱板溫度分布

3.3 空氣-水復合集熱模擬

空氣進口流速0.5 m/s 時，改變水進口流速（0.06 ～0.10 m/s），復合模式下的各項集熱效率變化趨勢如表4 所示。水集熱效率、空氣-水復合集熱效率隨水進口流速增加而緩慢提高，空氣集熱效率則略有下降。當水流速為0.1 m/s 時，空氣-水復合集熱效率達到最佳。水進口流速為0.1 m/s，改變空氣進口流速（0.1 m/s～0.5 m/s），各項集熱效率如表5 所示，空氣集熱效率，空氣-水復合集熱效率隨空氣進口流速增加逐漸提高，而水集熱效率緩慢下降。當進口流速為0.5 m/s，空氣-水綜合集熱效率達到最佳，為71.66%。綜合表4 及表5 可以看出，改變單一工質的流速能夠提高空氣-水復合集熱的瞬時效率，但會降低另一工質的瞬時集熱效率。因此，在空氣-水復合集熱工況下，空氣集熱效率與水集熱效率存在相互制約的現象。

表4 不同水進口流速工況下各項集熱效率

表5 不同空氣進口流速工況下各項集熱效率

空氣進口流速0.5 m/s，水進口流速0.1 m/s，進口溫度為300 K 時，吸熱板溫度分布情況如圖6 所示，吸熱板平均溫度為313.92 K，最高溫度為333.14 K?？諝?水復合集熱工況下，吸熱板溫度明顯低于空氣集熱、水集熱工況下的吸熱板溫度，空氣-水復合集熱效率較水集熱、空氣集熱工況分別提高了5.08%和33.27%。因此，空氣-水復合集熱能有效提高太陽能集熱器的熱性能。其主要原因是復合集熱工況能夠帶走更多的熱量，有效降低吸熱板與玻璃蓋板之間的溫差，減少與周圍環境之間的輻射散熱，吸熱板溫度分布情況與水集熱工況類似。

圖6 空氣-水復合集熱工況下吸熱板溫度分布

4 結論

（1）模擬結果顯示，集熱器空氣進口流速1.0 m/s，進口溫度為300 K 時，集熱效率為51.74%；水進口流速0.1 m/s、進口水溫290 K 時，集熱效率可以達到74.73%。相比于空氣集熱，水集熱效率更高。

（2）空氣-水復合集熱模式下，提高空氣或水的流速可以提高復合集熱效率，但空氣和水的瞬時集熱效率存在相互制約的情況。水流進口速度0.1 m/s、空氣進口速度0.5 m/s 時，復合集熱效率達到最佳，為71.66%。

（3）從能量利用效率來看，空氣集熱模式適用于冬季建筑物采暖，水集熱模式適用于春秋兩季生產生活熱水，空氣-水復合集熱模式適用于夏季同時獲取熱水、熱空氣。