魏新利，郭春杰，孟祥睿，趙曉麗

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)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(nèi)，從而起到采暖和輸送新風(fēng)的雙重作用.集熱器是整個系統(tǒng)的核心部件，目前國內(nèi)外學(xué)者［1-6］關(guān)于系統(tǒng)風(fēng)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(fēng)量選取提供參考的數(shù)據(jù)，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(fēng)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(nèi)各工況下的最佳運行風(fēng)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(fēng)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(nèi)側(cè)凹陷且兩側(cè)有孔縫的結(jié)構(gòu)單元體，其橫向和豎向間距均為0.012 m.集熱板的材質(zhì)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(zhì)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(fēng)機用來為空氣流道提供負壓，經(jīng)測量風(fēng)機可提供的3種風(fēng)量分別為0.94，1.41，1.87 m3/h.

實驗所需的測試參數(shù)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(shù)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(shù)Tab.1 Experimental test apparatus and parameters

集熱效率是單位時間內(nèi)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(jīng)集熱器空氣的質(zhì)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(jié)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(nèi)太陽輻射強度和室外環(huán)境溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(fēng)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(fēng)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(jīng)10 min后進入穩(wěn)定狀態(tài).在0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)量的增大而下降.

3.3 集熱效率分析

將各參數(shù)在穩(wěn)定運行時的數(shù)值代入計算式可知，集熱效率在 0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風(fēng)量下分別為38.56%、45.13%和49.06%，即集熱效率隨系統(tǒng)運行風(fēng)量的增大而升高.這是由于隨著系統(tǒng)風(fēng)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(yīng)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(fēng)量的增大而升高.

4 最佳風(fēng)量的確定

因集熱板上結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的局部集熱板及前后一定范圍內(nèi)的空氣作為研究對象，如圖4所示.

在對求解域網(wǎng)格劃分時，采取分區(qū)域劃分、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式.為消除網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響，共劃分了5種類型的網(wǎng)格進行獨立性考核，最終確定模型的網(wǎng)格數(shù)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(nèi)表面及孔縫處的換熱過程可以忽略，因此模型的邊界設(shè)定為質(zhì)量流量進口、自由流出口、集熱板外表面為熱流率邊界、內(nèi)表面及孔縫處為絕熱邊界、四周為對稱邊界，求解器的設(shè)定為3D、穩(wěn)態(tài)、層流(Re≈138)和DO輻射模型，其它采用默認設(shè)置.

圖4 集熱板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)量按面積折算為相應(yīng)的系統(tǒng)風(fēng)量，折算后 0.94，1.41，1.87 m3/h 3種風(fēng)量下性能參數(shù)的實驗值和模擬值對比如表2所示.

表2 性能參數(shù)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(fēng)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(yīng)用中，確定系統(tǒng)運行風(fēng)量時應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)風(fēng)量對出口溫度和集熱效率的影響.根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》［8］的有關(guān)規(guī)定，夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)供暖宜采用的設(shè)計溫度為16～22℃，由于集熱器出口溫度要比室內(nèi)設(shè)計溫度高5℃左右，集熱器的出口空氣溫度應(yīng)在22～26℃范圍內(nèi)為宜.

為得到單位面積集熱板上的最佳運行風(fēng)量，筆者對太陽輻射強度為300～700 W/m2、室外溫度為6～12℃、風(fēng)量為7.2～108 m3/h范圍內(nèi)各工況下的熱性能參數(shù)進行了模擬分析.現(xiàn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)量的變化Fig.5 The variation of the oulet air temperature and the thermal efficiency with the air vulumes

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

表3 各工況下最佳運行風(fēng)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(nèi)各工況下，單位面積集熱板上最佳運行風(fēng)量的數(shù)據(jù)表明，其數(shù)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(shù)值為各工況下單位面積集熱板上的最佳運行風(fēng)量，在太陽能集熱器的工程應(yīng)用中，由集熱板的實際有效集熱面積與相應(yīng)工況下單位面積集熱板上最佳運行風(fēng)量的數(shù)值，得出實際太陽能集熱器的實際系統(tǒng)運行風(fēng)量值.

5 結(jié)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(fēng)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(nèi)各工況下的性能參數(shù)進行了模擬分析，得到以下結(jié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)量的增大而降低;

(3)集熱效率在0.94，1.41，1.87 m3/h 3 種風(fēng)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(fēng)量的增大而升高;

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

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