張 森，程偉良，孫東紅，梁曉文

（華北電力大學能源與動力工程學院，北京 102206）

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源儲量的不斷減少和人們對環(huán)保要求的不斷提高，新能源的高效清潔應用越來越受到人們的重視。在建筑能耗中，生活熱水及供暖能耗占了相當?shù)谋壤?，利用太陽能來滿足生活熱水、供暖這些低品位能耗的要求具有巨大的節(jié)能效益，因此，太陽能采暖技術越來越受到人們的重視。我國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，截至2006年，我國太陽能熱水器年生產(chǎn)能力達到1 500萬m2，在用太陽能熱水器總集熱面積達1億m2，生產(chǎn)量和使用量居世界第一。

我國太陽能供暖技術的發(fā)展十分迅速，但還有許多關鍵技術需要改進，目前的問題主要是解決冬夏熱量平衡難題，它也是太陽能采暖系統(tǒng)發(fā)展的重要技術問題?；诖?，我們提出了地下保溫措施改進方案，利用地下溫度的相對穩(wěn)定性，將太陽能系統(tǒng)的保溫水箱置于地下，可大大減少熱量散失。我們利用FLUENT6.0對太陽能儲熱水箱散熱問題進行數(shù)值計算，其中的網(wǎng)格模型由GAMBIT2.0生成后導入FLUENT，分析保溫水箱的散熱狀況，檢驗保溫措施的合理性，這將對太陽能供暖系統(tǒng)的設計改造提供技術支持，對相應的保溫技術提供參考。

1 太陽能供熱地下保溫系統(tǒng)

太陽能供暖系統(tǒng)主要包括用位于住戶屋頂，花架等上方安裝的太陽能加熱器，夏秋季晴天時加熱器給熱水加熱，并將熱水儲存在埋于地下的儲熱水箱中，在循環(huán)水路中安裝溫差控制器，當太陽能加熱器處水溫與水箱內(nèi)水溫溫差超過一定閾值時，啟動循環(huán)水泵使太陽能加熱器對水持續(xù)加熱。

太陽能供暖系統(tǒng)地下保溫部分的關鍵部件是儲熱水箱，保溫水箱埋于地下土壤中，然后在水箱周圍填充聚氨酯作為保溫層，最外層與土壤接觸的地方填充防水材料。在夏季的時候，利用太陽能熱水器不斷給水加熱，然后儲存在水箱中，使水一直保持在一定的溫度以滿足冬天供暖需要，這樣就能很好地解決冬夏熱量平衡問題，它是太陽能采暖系統(tǒng)發(fā)展的重要攻關技術問題之一。

2 儲熱水箱散熱的數(shù)值模擬

2.1 模擬對象

這里模擬的是某別墅的太陽能供暖系統(tǒng)保溫水箱。該保溫水箱埋于地下，水箱周圍填充聚氨酯作為保溫層，最外層與土壤接觸的地方填充防水材料。該水箱的尺寸為4 m×3 m×2.5 m；有效容積30 m3；水箱材質Q235B鋼板，側面厚度6 mm,頂面厚度4 mm。它采用復合保溫，內(nèi)層采用聚氨酯保溫，厚度100 mm,外層為聚苯板[1-3]。

2.2 幾何模型

對儲熱水箱在土壤中進行的傳熱實現(xiàn)數(shù)值求解時，需將半無限大的土壤介質簡化為有限的求解區(qū)域，因此，需引入管道熱力影響范圍的概念，即認為在管道附近的區(qū)域內(nèi)，土壤溫度場受到管道熱力變化的影響，而在此區(qū)域之外，這種影響可以忽略。因此可把半無限大空間簡化為矩形或環(huán)形的有限區(qū)域[4-5]。

儲熱水箱熱力影響區(qū)是該水箱長期穩(wěn)定散熱的結果，其范圍可通過現(xiàn)場實際測量或通過數(shù)值計算得到。如某文獻[6]中測得某埋深為1.7 m、Φ426 mm管徑的非保溫管道其全年最大影響熱力區(qū)域的范圍是水平方向5 m。

根據(jù)以上熱影響區(qū)域規(guī)律分析，在GAMBIT繪制的本模擬對象的三維模型如圖1所示，最內(nèi)層為4 m×3 m×2.5 m水箱；其外為保溫層，保溫層幾何中心與水箱幾何中心相同，保溫層根據(jù)計算需要有400 mm、600、內(nèi)100 mm+外500 mm、內(nèi)100 mm+外700 mm、頂200 mm加厚3種情況分別加以繪圖建模，整個水箱和保溫層埋于地下，保證保溫層頂面與地面間有100 mm厚土壤；最外層為土壤，土壤尺寸為12 m×11 m×10 m。

圖1 幾何結構及網(wǎng)格劃分圖

因在散熱時溫度梯度主要存在于水箱內(nèi)壁面附近、保溫層和與保溫層相鄰的土壤區(qū)域，因此對以上區(qū)域劃分網(wǎng)格時進行了加密處理[7-8]，具體情況如圖2所示。

圖2 剖面網(wǎng)格加密情況

2.3 數(shù)學模型和邊界條件

2.3.1 數(shù)學模型

經(jīng)初步計算，發(fā)現(xiàn)水箱內(nèi)存在的自然對流情況較弱，在水箱內(nèi)水溫90℃，土壤溫度15℃進行計算時，水的自然對流速度，其量級僅為10-12，非常小可以忽略，因此計算時僅需計算導熱微分方程即可。

對于管道各層及土壤，采用導熱微分方程[9]，即

2.3.2 邊界條件

內(nèi)部水和保溫層、保溫層間、保溫層和土壤間邊界層均設置為熱耦合邊界層，其中水和保溫層間邊界材料設置為鋼，厚度如計算要求。土壤底面邊界層設置為恒溫15℃。當計算夏秋季節(jié)時取地面平均溫度15℃，冬季時地面平均溫度-4℃。因此當夏秋季節(jié)，土壤側面邊界層設置為恒溫15℃。

根據(jù)數(shù)學模型，埋地管道外土壤求解區(qū)域的地面邊界處應采用對流熱傳導邊界[10-11]，其對流換熱系數(shù)即為地表對大氣的放熱系數(shù)α2[12-13]，對于華北地區(qū)，取值為16.5 W/(m2·℃)。溫度則冬季為恒溫-4℃，夏秋季為恒溫15℃。

冬季，對于華北地區(qū)，可取2.5 m/s，冬季地面平均氣溫取為-4℃。確定空氣的物性參數(shù)為：νa=13.2×10-6m2/s，λa=2.4×10-2W/(m·℃)。 可以按輻射放熱公式計算，由于架空管道外表與大氣溫差較小，因而可取為2~5 W/(m2·℃)。通過計算，得40 mm直徑水管管外壁與大氣之間的復合換熱系數(shù)為：30.2 W/(m2·℃)此數(shù)據(jù)在計算架空水管散熱量時將用到。

3 模擬分析

將上述的幾何及數(shù)學模型建立mesh文件并導入fluent后并設定各模型參數(shù)。通過迭代計算即可得到模擬結果。在計算某一溫度下散熱時用穩(wěn)態(tài)模型，而在計算散熱溫度隨時間變化時可采用非穩(wěn)態(tài)模型，其非穩(wěn)態(tài)計算時時間步長選用可選為5秒。

3.1 溫度邊界條件對水箱散熱的影響

圖3所示為采用400 mm苯板保溫，初始水溫為80℃時，分別經(jīng)過冬季和夏秋季60 d后的溫降曲線比較情況。冬季和夏秋季計算時的差別在于溫度邊界條件，即整個環(huán)境溫度場。冬季時取地表平均溫度-4℃，而夏秋季地表平均溫度取為15℃。從計算結果可以看出，季節(jié)因素對保溫效果影響較大，即兩者的散熱效果不同，不同季節(jié)溫降最大相差3.2℃，因此，計算分析中應該將夏秋季和冬季分別加以考慮。不能籠統(tǒng)地用一個溫度邊界條件來分析散熱問題。

3.2 材料種類與厚度對水箱散熱的影響

將400 mm聚苯泡沫、600 mm聚苯泡沫、內(nèi)層100 mm聚氨酯+外層500 mm聚苯泡沫、800 mm聚苯泡沫、內(nèi)層100 mm聚氨酯+外層700 mm聚苯泡沫+上層200 mm苯板加厚、1 000 mm聚苯泡沫共6種工況進行模擬，計算出冬季初始溫度為80℃時，儲熱水箱經(jīng)過60 d自然散熱后，各種工況下溫降如表1，可看出材料導熱系數(shù)越低，保溫效果越好；保溫層越厚，保溫效果越好。但隨著材料導熱系數(shù)的降低，其經(jīng)濟成本迅速上升；同時保溫效果并不與厚度呈正比關系，即當厚度足夠厚之后再增大保溫層厚度其保溫效果不會顯著增強。因此最經(jīng)濟的方案是，綜合考慮保溫效果、材料成本、施工可行性，以便選擇一種內(nèi)層用聚氨酯或其他保溫材料的高效保溫層，外層用足夠厚度的價格低廉保溫材料。

表1 不同保溫材料的溫降情況

3.3 材料保溫性能對水箱散熱的影響

為了考察材料保溫性能即導熱率對保溫效果的影響，計算了500 mm厚，在冬季時初始水溫為80℃時，聚氨酯保溫層在不同聚氨酯導熱率時經(jīng)60 d天后的溫降情況。取聚氨酯導熱率為0.023、0.025、0.027時進行計算，儲熱水箱的保溫層內(nèi)外溫降數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出這3種情況對比的溫降相差1.3℃和0.8℃，因此，當聚氨酯材料導熱率變化在8%以內(nèi)時，最終保溫效果的溫降變化在6%~8%范圍。由此可以得出，由于生產(chǎn)廠家因素和制造工藝等因素，保溫材料的導熱率微小變化對保溫效果的影響并不是很大。

表2 保溫層在不同導熱率時的溫降表

3.4 土壤濕度對水箱散熱的影響

以上的計算均是在土壤濕度20%的情況下進行的。在導熱率為1.394 6 W/m·K、苯板保溫厚600 mm及冬季初始水溫為80℃時，其總散熱量392.52 W，溫降13.66℃。為分析土壤濕度對水箱散熱的影響，計算了土壤濕度為30%、導熱系數(shù)為1.622 2 W/m·K、苯板厚600 mm，冬季初始水溫為80℃的情況，通過模擬計算后，得出其散熱量為394.63 W，溫降為13.77℃。由以上結果對比，發(fā)現(xiàn)土壤導熱率改變對散熱影響不大。由于土壤濕度與其導熱系數(shù)成依賴關系。因此，可以說土壤濕度對儲熱水箱散熱的影響不大，一般情況下可以忽略土壤濕度的影響。但是當土壤種類發(fā)生變化，尤其是土壤變?yōu)樯皫r等導熱系數(shù)較大（此時導熱系數(shù)約為土壤2倍）的巖土時就必須考慮其所必然引起的散熱量增大。

4 結語

本文通過對太陽能供熱保溫系統(tǒng)中地下儲熱水箱散熱的模擬計算，得出了各種物性參數(shù)對水箱散熱的影響以及實際工程應注意的問題，該計算結果在某別墅的供暖工程中進行了應用，取得了很好的效果。運用模擬計算方法對其在不同情況下的散熱效果進行了計算和對比分析，以儲熱水箱的內(nèi)外散熱溫差為衡量標準時，發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)、不同材料及不同性能對水箱的散熱都是有影響的，而土壤的濕度對散熱的影響程度不大，一般情況下可以忽略不計。通過模擬計算分析和比較，較好地解決了一直困擾太陽能供熱工程的冬夏熱量平衡問題，對太陽能供熱系統(tǒng)的設計和運行有很好的指導意義。

[1] 馬慶芳,方榮生.實用熱物理性質手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社,1976:128-1119.

[2] 陜西省建筑設計院.建筑材料手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1984.

[3]GB/T10801.1-2002絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料[S].

[4] 曾和義,方肇洪.雙U型埋管換熱器的傳熱模型[J].山東建筑工程學院學報，2003,3：11-17.

[5] 孫純武,張素云,劉憲英.水平埋管換熱器地熱源熱泵實驗研究及傳熱模型[J].重慶建筑大學學報，2001,(12):49-55.

[6] 吳國忠,曲洪權.埋地輸油管道非穩(wěn)態(tài)熱力計算數(shù)值求解方法[J].油氣田地面工程,2001,20(6):6-7.

[7] Eltimsahy A H,Copass C H.Solar Heating System Simulation Model[C]//Modeling and Simulation.Volume 7-Proceedings of the Seventh Annual Pittsburgh Conference,Pittsburgh,Pa.,April 26,27,1976.Part 2.(A77-38176 17-66)Pittsburgh,Pa.,Instrument Society of America,1976:1092-1097.

[8] 劉歐子,胡欲立，劉訓謙.套室內(nèi)氣流的三維數(shù)值模擬[J].空氣動力學學報，2002，3.

[9] 章熙民,任澤需.傳熱學[M].4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001：102-103

[10]Lozza G，Merlo U．An Experimental Investigation of Heat Transfer and Friction Losses of Interrupted and Wavy Fins for Fin-and-Tube Heat Exchangers[J]．International Journal of Refrigeration，2001，24(5)：409-416．

[11]Wang C C，Chi K Y，Chang C J．Heat Transfer and Friction Characteristics of Plain Fin-and-tube Heat Exchangers，part II：Correlation[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2000，43(15)：2693-2700.

[12]張國忠.埋地熱油管道準周期運行溫度研究[J].油氣儲運,2001，20(6)：4-7.

[13]楊筱衡,張國忠.輸油管道設計與管理[M].東營：石油大學出版社,1996：173-492.