薛英霞 徐晨輝

1北京市太陽能研究所集團有限公司

2北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科技促進中心

太陽能采暖水箱溫度分層的仿真分析

薛英霞1徐晨輝2

1北京市太陽能研究所集團有限公司

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本文通過對太陽能采暖系統(tǒng)的理論分析，建立了采暖水箱模型，利用CFD軟件在有無輔助加熱的兩種工況下，模擬水箱內(nèi)部流動、換熱、溫度分層過程，結(jié)果表明，太陽能集熱器管路水流速在0.01～0.05m/s時，水箱內(nèi)部分層非常明顯，水箱運行內(nèi)部擾流??；流速0.09～0.35m/s，隨著流速增大，水箱分層越來越不明顯，水箱頂端的高溫層被破壞。

太陽能采暖系統(tǒng)蓄熱水箱溫度分層

0 引言

太陽能熱利用比較成熟的技術(shù)是利用平板或真空管集熱器吸收太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，提供采暖和生活熱水。由于太陽能輻射的不穩(wěn)定性以及太陽輻射與用熱負荷的不一致性，蓄熱裝置是太陽能熱水系統(tǒng)中的一個必備裝置。目前在太陽能熱水系統(tǒng)中普遍采用水箱做為蓄熱裝置。不同溫度下水的密度不同，高溫水密度小上升到水箱頂部，低溫水由于密度較大沉到水箱底部，水箱內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的溫度分層。蓄熱水箱內(nèi)溫度分層與水箱的結(jié)構(gòu)、進出口水溫度、采暖供回水溫度以及進出水管流速等因素有關(guān)，充分利用蓄熱水箱溫度分層可以降低集熱器進出口溫度，提高集熱器效率，又能增加可被利用的高溫水量，減少輔助加熱量，從而提高太陽能采暖保證率和系統(tǒng)效率。

對于太陽能分層水箱的研究，國內(nèi)外研究者做了很多工作。Lavan和Thomson（1977）[1]的研究認為水箱進口的位置和形狀比出口的影響要大，并定義了一個與雷諾數(shù)、格拉曉夫數(shù)以及圓柱水箱高徑比相關(guān)的浮力影響因子，認為該值在45～50以上時，水箱中基本不出現(xiàn)分層；Zurigat（1989）[2]認為水箱進口結(jié)構(gòu)在理查遜數(shù)Ri＜3.6時影響明顯（Ri=Gr/Rr2）；Ghajar（1991）[3]的研究中認為在Ri＞10時，可以不考慮水箱進口結(jié)構(gòu)對溫度分層的影響；Knuden（2001）[4]對太陽能熱水系統(tǒng)的分析表明，混合區(qū)域的體積占水箱總體積的40%時，溫度分布決定的能量品質(zhì)將下降20%。綜合以上研究表明，太陽能分層水箱的溫度分布特性主要受水箱進口集合特性和進口流量的影響。本文就相同流量下，不同的水箱進口尺寸進行了模擬分析。

1 蓄熱水箱模型

1.1 蓄熱水箱結(jié)構(gòu)

本文中計算的采暖蓄熱水箱高1600mm，直徑620mm，保溫層厚度50mm，有3個工作循環(huán)管路，集熱器供水距水箱底部950mm，鍋爐供水距水箱底部1350mm，采暖回水距底部1080mm，如圖1所示。

圖1 蓄熱水箱模型

1.2 數(shù)學模型及邊界條件

1.2.1 數(shù)學模型

以整個水箱流動區(qū)域的傳熱流體為研究對象，建立數(shù)學模型，本文中的CFD仿真計算是基于浮力模型，而浮生力項中的密度隨溫度的變化基于Boussniesq假設(shè)，建立計算區(qū)域的無量綱控制方程[5]。

連續(xù)方程：

動量方程：

體積膨脹系數(shù)

于是有

引入溫差θ=T-T∞，動量方程可以簡化為

無量綱化后得到：

表征浮力與粘性力比值的無量綱數(shù)——格拉曉夫數(shù)（Grashof）

表征慣性力和粘性力的無量綱數(shù)——雷諾數(shù)

表征切應力和浮生力的無量綱數(shù)——里查遜數(shù)

反映給定流場的熱對流能力與熱傳導能力的對比關(guān)系——貝克萊數(shù)

式中：β為流體的容積膨脹系數(shù)，1/K；△t為流體與壁面的溫差，℃；ρ為流體的密度，kg/m3；v為流體的平均速度，m/s；l為流場特征長度，m；μ為流體的動力粘度系數(shù)，Pas；α為熱擴散率。

1.2.2 邊界條件

1）集熱器循環(huán)流量按0.4m3/h（測算依據(jù)：集熱器面積16m2，單位面積流量按0.025m3/h·m2）；

2）太陽集熱器日得熱量為50kWh；

3）平均每天采暖負荷為120kWh，地板采暖供回水溫差取10℃；

4）輔助鍋爐每天供熱負荷為70kWh，采暖鍋爐供回水溫差取25℃；

5）計算循環(huán)管路直徑分別是DN20，DN25，DN40，DN50，DN60，DN120。

數(shù)值計算采用CFD仿真軟件，基于ANSYS WorkBench建立物理模型，在ICEM軟件中劃分網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為67萬左右，網(wǎng)格質(zhì)量良好。在Fluent中耦合求解流動和能量方程時，由于所考慮水箱中流體為湍流，選用k-ε模型，采用單精度同時對不同管徑下水箱的溫度場進行穩(wěn)態(tài)計算。

在建立恒溫水箱數(shù)學模型時做以下處理：滿足Boussinesq假設(shè)，認為流體密度的變化只對其浮力產(chǎn)生影響，即僅在計算浮升力時考慮流體密度的變化，在此不作計算；水在30～60℃時，比熱、熱導率、密度變化很小，設(shè)為常量；而粘度隨溫度的變化比較大，這里用用戶自定義函數(shù)，根據(jù)水的粘度隨溫度的變化經(jīng)驗公式，編UDF文件完成。

式中：t為水箱內(nèi)水的溫度，℃。

2 模擬計算

2.1 不同進口直徑的水箱分層計算

太陽能采暖系統(tǒng)在太陽能供熱量不足的情況下，鍋爐作為輔助能源向水箱提供采暖熱量。本文中的模擬計算分為兩個工況：

工況一：首先將采暖的三個回路全部運行，鍋爐中的高溫水在水箱上部，約為57℃左右，集熱器中溫水在水箱中部，約為40℃左右。

工況二：等到工況一穩(wěn)定時，將鍋爐回路關(guān)閉，調(diào)整采暖回路的流量，使整個系統(tǒng)流量平衡。不同管徑下各循環(huán)管路進口流速計算如表1。

表1 不同管徑下各管路流速

2.2 水箱內(nèi)測點溫度

為了觀察水箱溫度溫差變化，在水箱中部由下至上均勻選取15個溫度點（圖1），計算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同管徑下各點溫度對比

由計算結(jié)果可以得到，對于尺寸大小相同的水箱，水箱進水管管徑越大，即相應流速越小，水箱溫度分層越明顯，熱利用率越高，采暖系統(tǒng)效率也相應提高；由于流速越大，會導致太陽能熱水進口管與采暖供水管短路，造成水箱分層不明顯。本文中還對管徑為DN25、DN50、DN120的系統(tǒng)進行了模擬計算，各管徑下的水箱溫度分層結(jié)果如表2。

表2 水箱內(nèi)溫區(qū)分層高度與平均溫度

從表2中可知，隨著管徑的增大，中溫區(qū)的高度逐漸減小，高溫區(qū)的高度逐漸增大，即在流量不變的情況下，管徑越大，水流速越小，水箱分層越明顯，流速越大，對高溫度的攪渾越嚴重，因此在水箱進水口應該有一個最優(yōu)管徑，使得水箱分層比較明顯，從模擬結(jié)果上看，在水箱入口流速為0.01～0.05m/s時，最利于水箱分層。一般設(shè)計水箱時，在水箱入口處設(shè)置漸擴裝置來調(diào)整水箱的入口尺寸，取得最優(yōu)進口流速。

3 結(jié)論

本文基于浮力模型，采用CFD數(shù)值計算方法，對不同進水口的蓄熱水箱內(nèi)溫度分層進行了模擬計算，模擬結(jié)果顯示太陽能采暖系統(tǒng)水箱進水管口越大，即進口速度越小，水箱內(nèi)溫度分層越明顯，太陽能的熱利用率越高。如果水箱不采取任何改進措施，在水箱進水口速度為0.35m/s時，水箱內(nèi)高溫區(qū)完全被破壞，水箱的頂部與底部溫差在2～3℃，分層效果很差，當入口流速在0.04m/s時，水箱內(nèi)大致分為三個區(qū)域，溫差在10℃左右。因此在水箱中設(shè)置進口改進裝置，如變徑、擋板等，改變進水口的流速，可使水箱內(nèi)部溫度分層較為明顯。在太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定水箱進水口流速規(guī)定為不高于0.04m/s，本文模擬結(jié)果很好地驗證了此規(guī)定。

[1]Lavan Z,Thompson J.Experimentalstudy thermally stratified hot water storage tanks[J].Solar Energy,1977,19:519-524

[2]Zurigat.A comparison study of one-Dimensionalmodels for stratified thermalstorage tanks[J].ASME J.Solar Energy Eng,1989, 111:205-210

[3]Ghajar A J,ZurigatY H.Numericalstudy of theeffectof inletgeometry on stratification in thermal energy storage[J].Numer. Heat Transfer,1991:19(A):65-83

[4]Knuden S.Consumer’s Influenceon the thermal Performance of SmallSDHW Systems Theorectical Investigations[A].In:Procee -dingsof Solar Energy Conference[C].Northsun,2001

[5]朱寧,楊波,袁衛(wèi)星,等.太陽能蓄熱水箱的溫度分層研究[A].見：中國可再生能源學會2011年學術(shù)年會論文[C].2011

[6]建設(shè)部標準定額研究所.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

Ana lys is and Sim u la tion on Tem pe ra tu re Stra c tific a tion o f Hea t Sto rage Tan k in So la r Hea ting Sys tem

XUEYing-xia1,XU Chen-hui2
1 Beijing Solar Energy Research InstituteGroup Co.,Ltd.
2Beijing Scienceand Technology Promotion CenterofHousing and Urban-RuralDevelopment

A model of heat storage tank is built based on the theoretical analysis of the heating system.In the two conditionson or off the auxiliary heating,the internal flow,heatexchangerand temperature stratification of the tank are simulated w ith the help of CFD software.The results show when the velocity of the solar loop is between 0.01 and 0.05m/s,the layers of storage tank are very obvious,when the velocity is between 0.09 and 0.35m/s,as the velocity increases,thehigh-temperature layer isdestroyed in the top of the tank,finally there isno layer in the tank.

solarheating system,heatstorage tank,temperaturestractification

1003-0344（2014）02-058-3

2013-5-12

薛英霞（1985～），女，碩士，工程師；北京市朝陽區(qū)北苑路大羊坊10號（100012）；010-57930240；E-mail:yingxiaxue@126.com