燃輔太陽能熱水系統公共水罐的設計分析

張強

摘 要：本文對燃輔太陽能熱水系統中燃氣對公共水罐的加熱及水罐的保溫過程進行了仿真分析。利用CFD軟件，采用最常用的RNG k-ε湍流模型模擬燃氣熱水器對水罐加熱的溫度分布及加熱完成后水罐內部換熱的情況，提出了該類系統的水罐設計注意事項，所模擬結果與試驗情況吻合度較高，利用該模型在改進水罐水嘴位置及布置方式，提高太陽能利用率方面可得到較為直觀的效果。Fluent可以為同類設備的新品研發或優化改造提供高效、快捷、功能強大的數值計算和理論分析.

關鍵詞：燃輔太陽能；水罐；fluent設計

太陽能作為一種無限的清潔能源，具有廣闊的應用空間，近些年在家用熱水系統市場上的應用也日益增多。但由于太陽能輻射不連續，儲熱必不可少，另外，太陽能的利用受氣候、鋪設面積、初期投資等的影響，利用率難以保證，因此多和其他輔助能源共同使用；本文針對采用燃氣輔助太陽能的熱水系統中的水罐進行設計分析，了解燃氣加熱時水罐的受熱情況，為我們合理的設計儲熱水罐和高效的利用太陽能奠定基礎。

針對市場主流的燃氣和太陽能共水罐熱水系統產品進行分析，其原理圖如下：

上圖中太陽能和燃氣熱水器使用同一個水罐進行儲熱，以此來實現系統的小型化、節能化的同時又能夠保證系統快速恒溫。

但此類系統的關鍵點在于如何做到節能與舒適的平衡，因為燃氣熱水器加熱負荷較大，其瞬時加熱能力相對于太陽能集熱器來說非常大，因此要保證系統的太陽能利用率，提高系統的節能率，就要避免燃氣加熱對太陽能集熱的影響，以減少對太陽能集熱器系統的影響。

一、模型

通過理論分析及實際工作經驗可知，此類系統的儲熱水罐設計非常重要，直接關系到系統產品能否滿足設計要求，因此本文利用先進的Fluent流體分析軟件輔助我們的設計，如圖2所示水罐由304或316不銹鋼焊接而成，周圍敷有聚氨酯泡沫層作為保溫層，最外層為普通噴涂碳鋼板，水罐內膽尺寸為直徑410mm，高度為1562mm。

模型建立前，先作如下假設[1]：

初始時刻水罐內水溫均勻一致；

水罐周圍聚氨酯物性均勻一致；

假設水的密度僅有溫度有關；

燃氣熱水器對水罐的加熱看作為恒熱流輸入；

水罐內壓力變化較小，可以將水視為不可壓縮流體，在加熱過程中，水罐內水呈湍流流動。

忽略水罐壁面的漏熱。

根據上述假設條件，建立物理模型如右圖2。

基于以上假設，整個過程可用以下連續性方程、雷諾平均N-S方程、湍動能k

以及湍動能耗散率ε的輸運方程來描述。[2]

式中：為平均速度矢量，為在x方向的分量，為在y方向的分量；S包含除壓力梯度和粘性力以外的其他所有力的影響，包括重力，重力方向為y方向；為密度；為壓力；T為溫度；t為時間；為有效導熱系數。

湍流模型為RNG k-ε模型

式中，是由平均速度梯度得到的湍流動能生成項，是由浮力得到的湍流動能生成項，和為k和的Prandt1數的倒數，為可壓縮湍流中脈動量增長對湍流動能的貢獻，和為源項。

RNG k-e模型中使用系統默認值，即：Cmu=0.85，C1-Epsion=1.42，C2-Epsion=1.68，Wall Prandt1 Number=0.85.

對燃氣熱水器對水罐的加熱及水罐的保溫進行數據求解時，綜合燃氣熱水器瞬時加熱負荷大及水罐小時熱損失較小，可以將儲熱水罐近似看成是絕熱體來簡化參數設置。

二、計算結果及分析

采用ICEM對水罐劃分如圖3所示的網格，利用湍流模式中RNG k-ε模型對水罐加熱過程進行模擬。

（一）普通太陽能燃氣復合水罐

計算熱水器對水罐的加熱時間步長為設定探頭處達到設定停止溫度（55℃）的時間；計算水罐對流散熱時間步長為設定探頭處達到設定啟動溫度的時間（48℃）；計算結果如圖4：

圖4（a）為燃氣熱水器加熱完成后的計算結果，從圖中可以看出燃氣加熱對水罐下部溫度影響較大，當水罐上部溫度達到設定溫度55℃時，下部水罐溫度基本維持在30℃左右，但整個水罐的熱影響區較大。

同時在實際整個換熱過程中還需要考慮到水罐靜止放置時的水罐內部對流換熱，因此將圖4（a）的瞬態加熱狀態作為初始條件，運用Fluent分析其一定時間內的對流換熱影響區，通過計算其結果如圖4（b），從圖中可以經過10min后，其水罐內部水溫基本均勻，維持在（42）℃，此時整個水罐的上下溫度差較小，太陽能加熱系統受熱水器加熱影響較大反復幾次加熱后，整個水罐中的水均會達到燃氣加熱目標溫度，導致太陽能集熱量非常少，產品不能夠達到節能的目的。

分析產生這一問題的主要原因是進入水罐的熱水在流速和重力的同時作用下分為向上和向下兩股熱流，而向下的熱流直接會加速水罐上下的對流換熱，導致水罐溫差減少，是有害的熱流，這一點可以在其加熱過程中可看出如圖4（C）。

（二）模型修正后的計算分析

通過上面的分析發現，上圖水罐還有很大的改進空間，因此以下提出將燃氣加熱的進出水口位置進行更改，將水罐的出熱水口設置高于進水口以減小有害熱流的產生。計算結果如圖5（a）。

從圖可看出燃氣加熱對水罐下部溫度影響不大，當水罐上部溫度達到設定溫度55℃時，下部水罐溫度依然保持在20℃左右。

結果表明，合理的設計燃氣熱水器加熱口的位置是減小對太陽能即集熱區影響的有效途徑之一。

修改后的水罐靜止對流換熱，其計算結果如圖5（b）。

由圖可知經過相同時間后，其水罐內部水溫分層較原來理想，水罐下部依然保持在20—30℃的較低溫度，有利于提高太陽能的保證率。

三、結論

1、提高水罐太陽能利用的途徑并不唯一，本文只給出了常用水罐下通過合理的設計水罐各水嘴位置來提高太陽能利用率的一種經濟有效的方法，特殊水罐未考慮（如水罐中增加間隔板、字母水罐等）。

2、此類共水罐設計時，需要綜合考慮水罐的長徑比和熱流量大小，一般長徑比越大，熱流量越大，分層越明顯，長徑比越小，熱流量越小，分層越不明顯。

3、水罐設計時應注意減少進入水罐熱水的向下熱流，緩解上下部的對流換熱，提高水罐溫度分層，方便更好的利用太陽能資源。

4、此類水罐設計時還應該考慮到水溫探頭的合理布置，以便更好的提高水罐溫度分層。