韓 婭,王登甲,2,周 勇,劉艷峰,2,張昕宇,樊博浩
(1.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710055; 3.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院,陜西 西安 710055;4.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013)
為減少常規(guī)能源消耗,越來(lái)越多的建筑使用可再生能源進(jìn)行供熱采暖[1-2].而我國(guó)西部高原地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富,為利用太陽(yáng)能進(jìn)行供熱采暖提供了充足的條件.平板集熱器是使用較為廣泛的太陽(yáng)能集熱裝置,在太陽(yáng)能供熱采暖工程設(shè)計(jì)中,平板集熱器全年平均集熱效率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.25~0.50[3].而在實(shí)際情況下,不同海拔地區(qū)氣壓不同,空氣物性參數(shù)、大氣透明度等發(fā)生改變,進(jìn)而影響平板集熱器的對(duì)流和輻射熱損失,導(dǎo)致不同地區(qū)集熱效率差異較大,經(jīng)驗(yàn)取值難以較好指導(dǎo)工程設(shè)計(jì),而集熱效率究竟如何變化則需根據(jù)不同海拔地區(qū)的環(huán)境條件具體確定.
現(xiàn)有關(guān)于平板集熱器的研究多集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和熱性能研究方面.針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù),Wang等人[4]對(duì)平板集熱器的排管間距和翅片厚度進(jìn)行了優(yōu)化分析;Maatouk等人[5]通過(guò)模擬計(jì)算,分析了蓋板厚度對(duì)平板集熱器集熱效率的影響.針對(duì)運(yùn)行參數(shù),Cristofari等人[6]通過(guò)有限差分模型法對(duì)一種使用共聚物性材料的平板集熱器進(jìn)行分析,研究了其在低流量條件下,工質(zhì)流速、水槽層數(shù)等對(duì)于熱性能的影響;王岳人等[7]以沈陽(yáng)一棟采用太陽(yáng)能和化石能源進(jìn)行聯(lián)合供暖的住宅建筑中供暖系統(tǒng)使用的平板集熱器為研究對(duì)象,建立了熱性能分析的理論計(jì)算模型,改變集熱工質(zhì)的入口流量和溫度,分析了其對(duì)集熱效率的影響.
除了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等自身因素外,平板集熱器的熱性能還受到外界環(huán)境因素的影響[8].平板集熱器的熱損失包括對(duì)流和輻射熱損失兩部分,已有學(xué)者研究了氣壓對(duì)對(duì)流換熱的影響,如胡松濤等[9]采用高原模擬艙模擬低氣壓環(huán)境,對(duì)比電加熱器在常壓和低壓下的對(duì)流換熱系數(shù),得出表面對(duì)流換熱系數(shù)隨氣壓降低而減小的結(jié)論;劉葉弟等[10]由理論推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)唐古拉山埡口處豎平壁的自然對(duì)流換熱系數(shù)約為海平面的73%;海拔高度的變化也對(duì)長(zhǎng)波輻射換熱產(chǎn)生影響,周允華等[11]指出高原地區(qū)空氣稀薄,大氣逆輻射比平原低很多,在計(jì)算長(zhǎng)波輻射熱量時(shí),常用的天空有效溫度經(jīng)驗(yàn)公式不適用于高原,其估算值偏高.
大量研究表明,不同海拔高度下環(huán)境因素通過(guò)影響對(duì)流和輻射換熱過(guò)程進(jìn)而影響平板集熱器熱性能.盡管目前已有分別針對(duì)海拔對(duì)對(duì)流換熱及輻射換熱的影響機(jī)理而進(jìn)行的研究,但海拔對(duì)平板集熱器熱性能產(chǎn)生的綜合影響尚未明確.鑒于此,該研究將海拔對(duì)對(duì)流及輻射換熱的影響規(guī)律與平板集熱器傳熱過(guò)程相結(jié)合,對(duì)現(xiàn)有平板集熱器的熱損失進(jìn)行修正,得到實(shí)際情況下平板集熱器熱損失隨海拔變化的規(guī)律,以便于為太陽(yáng)能供熱采暖系統(tǒng)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供參考.
平板集熱器主要由蓋板、夾層空氣、吸熱板、側(cè)板和背板構(gòu)成,圖1為平板集熱器主要構(gòu)成及傳熱過(guò)程示意圖.平板集熱器接受的太陽(yáng)輻射,一部分被蓋板吸收,另一部分透過(guò)蓋板到達(dá)吸熱板,吸熱板將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能,其中大部分熱能通過(guò)集熱管傳遞給集熱工質(zhì),被集熱工質(zhì)帶走的熱量稱為有用能.在熱量傳遞的過(guò)程中,一部分熱量以對(duì)流和輻射換熱方式由吸熱板傳遞給蓋板,一部分熱量通過(guò)側(cè)面和背面保溫層的導(dǎo)熱分別傳遞給側(cè)板及背板,最終,蓋板、側(cè)板及背板以對(duì)流和輻射方式向環(huán)境散失熱量,通過(guò)位于側(cè)板上的呼吸孔進(jìn)出的空氣也以對(duì)流方式帶走一部分熱量.
圖1 平板集熱器主要構(gòu)成及傳熱過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of main components and heat transfer process of flat plate collector
同平原地區(qū)相比,高原地區(qū)的環(huán)境條件特殊,對(duì)平板集熱器的影響體現(xiàn)出以下兩個(gè)特點(diǎn):
(1)高原地區(qū)的氣壓較低,根據(jù)已有研究[12],氣壓降低使得空氣密度減小,進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)減小,使得平板集熱器的對(duì)流熱損失受到影響.
(2)高原地區(qū)空氣較為稀薄、大氣透明度較高,相比于平原地區(qū),大氣逆輻射減弱,物體向天空以長(zhǎng)波輻射散失的熱量顯著增多,將平板集熱器應(yīng)用于高原時(shí),其長(zhǎng)波輻射散熱量所占比例變化.
因此,海拔變化造成的空氣密度及大氣透明度的改變將對(duì)平板集熱器的對(duì)流及輻射熱損失產(chǎn)生影響,其總熱損失如何變化需通過(guò)理論分析進(jìn)一步確定.
為了研究平板集熱器熱損失的影響因素,通過(guò)以下假設(shè),對(duì)平板集熱器的傳熱過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化:
(1)平板集熱器的蓋板、吸熱板、側(cè)板和背板可看作集總系統(tǒng);
(2)平板集熱器集管和排管的管壁溫度與吸熱板溫度相同;
(3)在平板集熱器的對(duì)流換熱過(guò)程中,夾層內(nèi)空氣和環(huán)境空氣均視為理想氣體.
基于平板集熱器的傳熱過(guò)程分析,建立了平板集熱器傳熱過(guò)程熱網(wǎng)絡(luò),如圖2所示,圖中各符號(hào)的含義見(jiàn)第1.2.1和1.2.2節(jié)計(jì)算過(guò)程.
圖2 平板集熱器傳熱過(guò)程熱網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Thermal network in heat transfer process of flat plate collector
1.2.1 平板集熱器傳熱計(jì)算分析
(1)平板集熱器熱損失
圖3為平板集熱器熱損失組成及其環(huán)境影響因素.由該圖可知,平板集熱器通過(guò)蓋板、側(cè)板和背板三部分以對(duì)流和輻射換熱的方式與環(huán)境進(jìn)行熱交換,從而形成各部分熱損失.
圖3 平板集熱器熱損失組成及其環(huán)境影響因素Fig.3 Heat loss composition and environmental factors of flat plate collector
① 平板集熱器對(duì)流熱損失
平板集熱器表面同環(huán)境間的對(duì)流換熱量可由公式(1)~(2)計(jì)算得到
qci=hciAiΔti,(i=1,2,3)
(1)
hci=Nuλ/L,(i=1,2,3)
(2)
平板集熱器外表面的對(duì)流換熱為風(fēng)引起的受迫對(duì)流,臨界雷諾數(shù)取5×105,Nu數(shù)可由公式(3)~(6)計(jì)算得到[13].其中,氣壓僅通過(guò)改變流體密度對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生影響[12],而不同氣壓條件下的流體密度可通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得到.
(3)
(4)
其中,
Re=ρuL/μ,
(5)
Pr=μcp/λ.
(6)
式中:qci(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板向環(huán)境的對(duì)流熱損失,W;hci(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板同環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);Ai(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板和背板面積,m2;Δti(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板與環(huán)境空氣的溫差,℃;λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);L為特征長(zhǎng)度,m;ρ為空氣密度,kg/m3;u為風(fēng)速,m/s;μ為空氣的動(dòng)力粘度,Pa·s;cp為空氣的定壓比熱容,J/(kg·K).
通過(guò)呼吸孔進(jìn)出的空氣帶走的熱量可由下式計(jì)算.
qc6=macp,a(tai-ta)
(7)
式中:tai為夾層內(nèi)空氣溫度,℃;ma為通過(guò)呼吸孔進(jìn)入的空氣的質(zhì)量流量,kg/s;ta為環(huán)境溫度,℃.
② 平板集熱器輻射熱損失
平板集熱器的輻射熱損失包括各表面以長(zhǎng)波輻射形式向天空及地面散失的熱量[14],可由公式(8)~(10)計(jì)算得到
qri=hriAiΔti,(i=1,2,3)
(8)
對(duì)于任意傾斜表面,其同天空和地面的輻射換熱系數(shù)可由公式(9)和(10)計(jì)算得到[15]
(9)
(10)
式中:qri(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板向環(huán)境的輻射熱損失,W;hrsi(i=1,2,3)、hrgi(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板向天空、地面的輻射換熱系數(shù),W/(m2·K);εi(i=1,2,3)為蓋板、側(cè)板及背板發(fā)射率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);Tc、Tg、Ts為分別為蓋板、地表及天空溫度,K;β為集熱器傾角.
海拔變化時(shí)僅對(duì)公式(9)和(10)中的溫度值產(chǎn)生影響,因此上述公式適用于不同海拔高度的長(zhǎng)波輻射熱損失計(jì)算.天空有效溫度可由下式計(jì)算得到[11]
(11)
式中:P、P0為分別為當(dāng)?shù)丶昂F矫娴臍鈮?,Pa;e為水汽壓,mbar;S為日照百分率.
為了便于對(duì)不同海拔下的熱損失進(jìn)行對(duì)比分析,提出基于平板集熱器的采光面積,以集熱工質(zhì)進(jìn)口溫度為基準(zhǔn)的熱損失系數(shù):
(12)
式中:A為平板集熱器采光面積,m2;tfi為集熱工質(zhì)進(jìn)口溫度,℃;q為平板集熱器的熱損失,W;h為熱損失系數(shù),W/(m2·K).
(2)太陽(yáng)能集熱量
蓋板及吸熱板吸收的太陽(yáng)能可由下式計(jì)算.
qs1=αcA1qs
(13)
qs2=(ατ)eApqs
(14)
式中:qs1、qs2為分別為蓋板和吸熱板吸收的太陽(yáng)能,W;αc為蓋板吸收率;(ɑτ)e為有效透射率-吸收率乘積;Ap為吸熱板面積,m2;qs為太陽(yáng)輻照度,W/m2.
(3)平板集熱器內(nèi)部傳熱量
① 吸熱板與蓋板間傳熱
吸熱板同蓋板間的輻射換熱量為
qr4=hr4A1(tp-tc)
(15)
式中:qr4為吸熱板和蓋板的輻射換熱量,W;Tp為吸熱板溫度,K;εp為吸熱板發(fā)射率.
其中,hr4可由下式計(jì)算得到[16]:
(16)
吸熱板同蓋板間的對(duì)流換熱為平行平板間的對(duì)流換熱,對(duì)流換熱量可由公式(17)~(20)計(jì)算.
qci=hciApΔti,(t=4,5)
(17)
其中,hci(i=4,5)可由下式計(jì)算得到[17]:
hci=Nuλ/L,(i=4,5);
(18)
(19)
(20)
式中:g為重力加速度,m/s2;β′為體積膨脹系數(shù),1/K;v為空氣運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;α為熱擴(kuò)散系數(shù),m2/s.
② 吸熱板向側(cè)板、背板的傳熱
qd1=hd1A2(tp-tw)
(21)
qd2=hd2A3(tp-tb)
(22)
hdi=λ/δi,(i=1,2)
(23)
式中:qd1、qd2分別為側(cè)面、背面保溫層導(dǎo)熱量,W;hdi(i=1,2)為保溫層傳熱系數(shù),W/(m2·K);tw、tb為側(cè)板、背板溫度,℃;δi(i=1,2)為保溫層厚度,m.
(4)平板集熱器有效集熱量
qu=hfAf(tp-tf)
(24)
hf=Nuλ/Dt
(25)
平板集熱器集管和排管內(nèi)的換熱為圓管內(nèi)的對(duì)流換熱,臨界雷諾數(shù)為2 300,Nu可通過(guò)下式計(jì)算[13].
層流
(26)
(27)
式中:tf為集熱工質(zhì)溫度,℃;hf為集熱器管壁與集熱工質(zhì)間的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);Dt為集熱管內(nèi)徑,m;Lt為集熱管管長(zhǎng),m.
1.2.2 平板集熱器熱量平衡方程
根據(jù)各傳熱節(jié)點(diǎn)的熱量平衡關(guān)系可得到如下熱量平衡方程
(28)
qc5-qc4=qc6
(29)
(30)
(31)
(32)
式中:mc、mp、mw、mb分別為蓋板、吸熱板、側(cè)板和背板的質(zhì)量,kg;cp,c、cp,p、cp,w、cp,b為蓋板、吸熱板、側(cè)板和背板的比熱容,J/(kg·K);τ為時(shí)間,s.
在Matlab/Simulink中建立平板集熱器傳熱仿真模型,采用P-G/0.6-T/L/PT-1.86型號(hào)的平板集熱器,其規(guī)格參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[18],參照GB/T 4271-2007《平板型太陽(yáng)集熱器熱性能試驗(yàn)方法》[19],集熱器傾角取40°,集熱工質(zhì)進(jìn)口溫度設(shè)置為35℃,集熱工質(zhì)流量為0.02 kg/(m2·s).采用變步長(zhǎng)常微分方程求解器進(jìn)行求解,初始步長(zhǎng)為0.01 s.
選取不同海拔高度城市進(jìn)行計(jì)算,各城市海拔及氣壓如表1所示,太陽(yáng)輻照度、風(fēng)速、環(huán)境及地表溫度、水汽壓等均為文獻(xiàn)[20]中所給的全年數(shù)據(jù).
表1 典型城市的海拔及氣壓Tab.1 Altitude and air pressure of typical cities
平板集熱器對(duì)流熱損失及熱損失系數(shù)隨海拔高度的變化規(guī)律如圖4所示,隨著海拔升高,平板集熱器頂部的對(duì)流熱損失大幅降低.由西安至拉薩,平板集熱器的頂部對(duì)流熱損失由40.5 W/m2減小到4.9 W/m2,降低了87.9%.由于頂部熱損失降低導(dǎo)致平板集熱器溫度較高,側(cè)面及底部的對(duì)流熱損失有所增加.而由于平板集熱器頂部對(duì)流熱損失降低的幅度遠(yuǎn)大于側(cè)面和底部對(duì)流熱損失增加的幅度,平板集熱器的對(duì)流熱損失整體隨海拔升高而降低.
圖4 平板集熱器對(duì)流熱損失及熱損失系數(shù)隨海拔的變化Fig.4 Convective heat loss and heat loss coefficient of flat plate collector with altitude
隨著海拔升高,平板集熱器的對(duì)流熱損失系數(shù)逐漸降低.當(dāng)海拔由近400 m升高至近3 600 m,對(duì)流熱損失系數(shù)由2.8 W/(m2·K)減小至1.1 W/(m2·K).這主要是由于隨著海拔升高,空氣密度降低,空氣物性參數(shù)變化對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生影響,進(jìn)而導(dǎo)致平板集熱器的對(duì)流熱損失系數(shù)降低.
平板集熱器輻射熱損失及熱損失系數(shù)隨海拔高度變化的規(guī)律如圖5所示.隨著海拔升高,平板集熱器的頂部輻射熱損失大幅增加,在拉薩,頂部輻射熱損失高達(dá)62.2 W/m2,其值比西安增加5.3倍;由于保溫層的存在,使得側(cè)面邊框和背板溫度較低,側(cè)面和底部輻射熱損失也較小.海拔升高時(shí),平板集熱器側(cè)面和底部輻射熱損失的變化值遠(yuǎn)小于頂部輻射熱損失的變化值,最終輻射熱損失整體隨海拔升高而增大.此外,平板集熱器的底部輻射熱損失會(huì)出現(xiàn)小于0的情況,即背板輻射得熱,這是由于地表溫度高于背板平均溫度,使集熱器背板受到的地面的長(zhǎng)波輻射大于其向環(huán)境散失的輻射熱量.
圖5 平板集熱器輻射熱損失及熱損失系數(shù)隨海拔的變化Fig.5 Radiant heat loss and heat loss coefficient of flat plate collector with altitude
與平板集熱器對(duì)流熱損失系數(shù)的變化趨勢(shì)相反,輻射熱損失系數(shù)隨海拔升高而增大.從西安至拉薩,海拔升高,空氣變得稀薄,天空有效溫度降低,大氣逆輻射減弱,導(dǎo)致平板集熱器的輻射熱損失系數(shù)由0.5 W/(m2·K)增大至2.3 W/(m2·K).
平板集熱器總熱損失系數(shù)隨海拔高度的變化規(guī)律如圖6所示,隨著海拔升高,平板集熱器的總熱損失系數(shù)先降低后升高.在西安、西寧和拉薩,平板集熱器的總熱損失系數(shù)分別為3.3 W/(m2·K)、3.2 W/(m2·K)和3.5 W/(m2·K),由西安到西寧,平板集熱器總熱損失系數(shù)減小3.0%,由西寧到拉薩,總熱損失系數(shù)增大9.4%.這主要受對(duì)流和輻射熱損失系數(shù)的綜合影響,隨著海拔升高,對(duì)流熱損失系數(shù)減小,輻射熱損失系數(shù)增大,由低海拔到中海拔地區(qū),輻射熱損失系數(shù)增幅小于對(duì)流熱損失系數(shù)降幅,而從中海拔到高海拔地區(qū),輻射熱損失系數(shù)的增幅大于對(duì)流熱損失系數(shù)的降幅.
平板集熱器總熱損失隨海拔高度的變化如圖7所示,在各地區(qū)平板集熱器頂部的總熱損失均較大,其值分別為50.2 W/m2,69.2 W/m2和67.2 W/m2,由于西安的太陽(yáng)輻射較弱,平板集熱器集熱量較小,使得集熱器表面與環(huán)境的換熱溫差也較小,其值為20.9 ℃,而在西寧,平板集熱器與環(huán)境間的換熱溫差較大,其值高達(dá)29.0 ℃,最終使得由西安到西寧,集熱器總熱損失增加較多.從西寧到拉薩,雖然在拉薩的總熱損失系數(shù)比西寧大0.3 W/(m2·K),但受換熱溫差的影響,使得拉薩總熱損失略低于西寧.在拉薩,平板集熱器整體的總熱損失為92.2 W/m2,為西安的1.3倍,僅比西寧低1.8%.
圖6 平板集熱器總熱損失系數(shù)隨海拔的變化Fig.6 Total heat loss coefficient of flat plate collector with altitude
圖7 平板集熱器總熱損失隨海拔的變化Fig.7 Total heat loss of flat plate collector with altitude
根據(jù)圖8所示平板集熱器總熱損失各組分比例隨海拔高度的變化可知,當(dāng)海拔高度增加,平板集熱器對(duì)流熱損失所占的比例逐漸減小,而輻射熱損失所占比例大幅增加.在海拔約為400 m的西安,平板集熱器對(duì)流熱損失占比高達(dá)85.7%,為輻射熱損失占比的6.0倍;而在海拔約3 600 m的拉薩,對(duì)流熱損失占比僅為32.2%,約為輻射熱損失占比的1/2.
圖8 平板集熱器總熱損失中各組分比例隨海拔的變化Fig.8 Changes of component proportions in total heat loss of flat plate collector with altitude
采用與前述相同的數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)不同海拔高度下、不同規(guī)格參數(shù)平板集熱器的傳熱模型進(jìn)行求解,以平板集熱器實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)工況下的總熱損失系數(shù)為基準(zhǔn),得到了表2所示的不同海拔地區(qū)平板集熱器總熱損失系數(shù)的修正系數(shù).
對(duì)于平板集熱器在采暖期內(nèi)或全年運(yùn)行的地區(qū),可根據(jù)表中數(shù)值分別對(duì)采暖期和全年的總熱損失系數(shù)進(jìn)行修正.
表2 不同海拔地區(qū)平板集熱器總熱損失系數(shù)修正系數(shù)Tab.2 Correction of total heat loss coefficient of flat plate collector at different altitudes
在該研究中,基于平板集熱器的傳熱過(guò)程分析,建立了該傳熱過(guò)程數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證;采用數(shù)值求解方法,得到了不同海拔地區(qū)平板集熱器對(duì)流、輻射和總熱損失的變化規(guī)律,主要結(jié)論如下:
(1)海拔高度增加,大氣壓力降低,平板集熱器對(duì)流熱損失系數(shù)減??;隨著海拔升高,大氣透明度增加,大氣逆輻射減弱,平板集熱器輻射熱損失系數(shù)增大.由海拔近400 m至海拔近3 600 m,對(duì)流熱損失系數(shù)減小了1.7 W/(m2·K),輻射熱損失系數(shù)增大了1.8 W/(m2·K);
(2)平板集熱器對(duì)流和輻射熱損失系數(shù)隨海拔升高變化幅度不同,受二者綜合影響,平板集熱器的總熱損失系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).從海拔近400 m至海拔近2 300 m,總熱損失系數(shù)減小0.1W/(m2·K),從海拔近2 300 m至海拔近3 600 m,總熱損失系數(shù)增大0.3 W/(m2·K);
(3)為了對(duì)實(shí)際工程中平板集熱器的熱損失進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)算,得到了不同海拔地區(qū)平板集熱器標(biāo)準(zhǔn)工況下總熱損失系數(shù)的修正系數(shù).無(wú)論是在采暖期內(nèi)還是全年使用時(shí),總熱損失系數(shù)先減小后增大,減小和增大的幅度均超過(guò)10%.