新型雙風道太陽能空氣集熱器的數值模擬研究

王亮，滿意，2，*

（1.山東建筑大學 熱能工程學院，山東濟南250101；2.可再生能源建筑利用技術教育部重點實驗室，山東 濟南250101）

0 引言

太陽能是一種清潔的可再生能源，從廣義的角度，太陽能不僅包括直接投射到地球表面的輻射能，還包括像生物質能、水能、風能、海浪能等同樣起源于太陽輻射的間接的太陽能量，在所有的可再生能源中，太陽能分布最廣，最容易獲取［1］。目前，太陽能的熱利用無論在理論上還是在實踐中都是一種成熟的、成本低的且應用廣泛的太陽能利用模式。太陽能空氣集熱器在冬天可以加熱空氣為建筑供暖，在夏天能遮擋部分墻面，降低建筑物吸收的太陽輻射［2］。與水相比，空氣具有不結垢、不結冰、泄露無害等優點，太陽能空氣集熱器可廣泛應用于建筑供暖、食品干燥等領域［3］。

提高集熱器的性能和效率是國內外學者研究的重點。現有研究中的具體措施包括在集熱器中加入翅片、折流板以及改變吸熱板的形狀，這些方法主要是通過增強空氣擾動來提升集熱器集熱效率［4-6］；而加入雙層玻璃、將傳統平板式改進為熱管式、板管式等措施，主要是通過減少集熱器的散熱、增強空氣的換熱能力等方法以提高瞬時集熱效率［7-9］；改變集熱器的進出口、改變波紋板整體結構、采用穿孔型吸熱板以及平板微熱管陣列等，主要是通過改變空氣流道的結構以提升集熱器的集熱效率［10-13］；研究滲透式有無蓋板的對比、設計波紋穿孔吸熱板與導流板的結合、開孔參數與入口流量對于集熱器的影響，主要是分析影響集熱器集熱效率的因素［14-16］。文獻調研發現，對于太陽能空氣集熱器的研究集中于通過對吸熱板的結構優化來提高單風道出風溫度及瞬時效率，而對于雙風道風道空氣集熱器的研究較少。

文章將太陽能空氣集熱器與我國北方農村冬季清潔供熱需求結合起來，提出了一種新型半圓形吸熱板的雙風道空氣集熱器，使用半圓形吸熱板將集熱器分為上、下兩層風道，通過調節兩層風道的流量，可實現其不同的出口溫度，在冬季供熱的同時保障室內的空氣品質。文章通過詳細地傳熱分析建立了數學傳熱模型，并且根據計算結果，分析了在空氣進口溫度相同的條件下，不同的空氣流速對于出風溫度以及集熱器瞬時集熱效率的影響，比較了上、下風道不同速率時的集熱器瞬時效率。

1 新型雙風道太陽能空氣集熱器設計

文章設計的新型半圓吸熱板雙風道集熱器的模型如圖1所示。

圖1 新型集熱器模型圖

如圖1所示，集熱器通過半圓形吸熱板分為上、下2個風道。上風道為PC蓋板與半圓形吸熱板之間分割成的10個獨立通道，采用10個進口和對應的10個出口，每個進出口直徑均為20 mm。下風道為半圓形吸熱板與隔熱保溫層構成的一個連通空間，采用1個左側進口和對應的1個右側出口，進出風口直徑均為25 mm，流動方向為對角線流動。吸熱板、PC蓋板及隔熱層的尺寸、材料見表1。

表1 集熱器部件尺寸與材質表

2 新型雙風道太陽能空氣集熱器模型構建

2.1 模型的基本假設

對于新型集熱器的基本假設有：

（1）PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱忽略不計，只存在吸熱板與上風道中空氣的對流換熱；

（2）保溫層的保溫效果很好，無散熱；

（3）忽略集熱器的側面散熱；

（4）忽略PC蓋板與天空之間的輻射換熱。

（5）上、下風道中空氣的流動視為常物性流體的穩態流動。

由于PC蓋板的發射率很低，模擬中忽略PC蓋板與吸熱板之間的輻射換熱。此外，模擬中只考慮PC蓋板與外界空氣間的對流換熱，而忽略其與天空及周圍環境間的輻射換熱。當空氣集熱器的上層蓋板發射率較大，或空氣集熱器用于天空及周圍環境的等效輻射溫度與蓋板之間溫差較大的地點時，必須對模型的計算結果進行修正。

2.2 控制方程與網格劃分

對于常物性流體的穩態流動，上、下風道中的控制方程包括連續性方程、動量方程以及能量方程，通用形式由式（1）表示為

式中：ρ為密度，kg／m3；u為x軸方向的速度，m／s；v為y軸方向的速度，m／s；當用于納維—斯托克斯方程時，φ為速度u、v，m／s；當用于能量方程時，φ為溫度T，K；Iφ為廣義擴散系數；Sφ為廣義源項。

對于常物性流體的穩態湍流流動，控制方程還包括K方程和ε方程，其中K方程由式（2）表示為

式中：K為紊動能，J；t為時間，s；uj為速度，m／s；αKμeff＝，其中CK＝0.09～0.11；μt為動力粘性系數，kg／（m·s）；ε為紊動能耗散率，%。ε方程由式（3）表示為

式中：αsμeff＝，Cε＝0.07～0.09；Cε1＝1.41～1.45、Cε2＝1.91～1.92。

輻射傳熱DO模型方程由式（4）表示為

式中：λ為輻射波長，μm；αλ為光譜吸收系數；Ibλ為黑體輻射強度，W／（m2·μm）。

依據以上數學模型，運用GAMBIT軟件建模并進行建立網格劃分，采用分塊結構性網格，對吸熱板附近壁面以及出口處進行加密，經網格性無關驗證，集熱器模型計算網格選取65萬。

2.3 物性參數以及邊界條件設定

太陽能空氣集熱器內部空氣流動速度較低，按不可壓縮流體處理，其物性參數采用 Boussinesq假設，空氣密度為 1.225 kg／m3，空氣比熱容為1008 J／（kg·K）。

氣象參數模擬條件根據Fluent軟件，采用標準氣象年TMY數據，時間設定為1月19日13：00，地點為北緯36°、東經117°，時區為東八區。流道內空氣的流動方向不受地域條件的影響，均為沿z軸負方向流動；進口溫度以及溫度初始條件根據地域條件的不同而設置為相同的初始條件。考慮到北方霧霾天氣的影響，設定大氣透明度為0.3。利用Fluent軟件所提供的太陽計算器計算得到太陽輻射強度與方向向量。其邊界條件設定見表2。

表2 邊界條件設定表

2.4 模型求解方法

計算過程采用三維雙精度壓力基求解，選用標準K-ε模型，由于考慮散射對于模擬結果的影響，而且考慮到太陽作為局部熱源，所以輻射模型選擇DO模型，入、出口存在壓力降，所以速度與壓力基的耦合采用SIMPLE算法，為了使模擬結果更加準確，差分格式采用二階精度差分格式離散。計算模型按照穩態過程求解。

3 數值模擬結果與分析

3.1 不同進口風速下空氣集熱器的出口溫度

以1 m／s為進口速度邊界條件，273 K作為進口溫度邊界條件，上、下層風道內空氣的溫度沿著風道的方向逐漸增大，單位風道長度的溫升逐漸減小。下層流道低溫空氣流經吸熱板時，溫度逐漸上升，換熱溫差沿流動方向減少，在吸熱板上帶走的熱量逐漸減少，下層流道會出現一條低溫帶。而且下層流道會影響上層空氣溫度層會出現不均勻現象。由于進出口尺寸相同，同時有壓力差的作用而產生氣流渦旋。經過模擬計算得出，上層空氣出口溫度為311.14 K，下層空氣出口溫度為329 K。截取參考面模擬結果如圖2所示。

圖2 速度為1 m／s的風道溫度、速度分布圖

將進口速度調整為1.5 m／s，上、下層流道空氣入口初始溫度均為273 K作為進口邊界條件進行數值模擬計算，得出結果如圖3所示。與進口速度為1 m／s時的計算結果相比，上層空氣風道的出口溫度降低，原因是由于速度增大，空氣的質量流量增大，導致出口溫度較低。下層空氣風道流量增加，同時上層風道空氣從吸熱板上帶走熱量增大，導致下層出口溫度降低幅度大，經過模擬計算得到上、下層出口溫度分別為301.6、307.4 K。由于模擬中設定的工作介質空氣不循環使用，不同地區氣溫會對出口溫度有影響。

圖3 速度為1.5 m／s的風道溫度分布圖

經比較可以看出，當進口風速由1 m／s增大至1.5 m／s時，上、下風道出口溫度的溫差減小，所以將風速分別調整為 2.0、2.5 m／s，用來分析進口風速對上、下層出口溫度以及溫差的影響。計算結果見表3。

結果分析：進口風速增大時，由于上層空氣的質量流量大于下層空氣，在吸熱板上帶走的熱量增多，在半圓形吸熱板吸收熱量一定的情況下，導致下層空氣風道帶走的熱量減少，從而下層空氣風道的溫度減小的程度大于上層風道。

表3 進口溫度273K不同進管口風速下的出口溫度表

3.2 不同進口風速下空氣集熱器的集熱效率

空氣集熱器的瞬時集熱效率定義為集熱器利用的能量與投射到集熱器上的太陽輻射量的比值。空氣集熱器的瞬時集熱效率計算由式（5）、（6）表示為

式中：η為集熱器的瞬時集熱效率，%；Q為空氣所獲得的能量，W；A為采光面積，m2；I為單位面積集熱器上吸收的輻射量，W／m2；c為空氣定壓比熱容，J／（kg·K）；m為空氣的質量流量，kg／s；t為空氣的進出口溫差，K。

根據式（5）、（6）與數據計算集熱器的瞬時效率。空氣的質量流量與集熱效率見表4。

表4 空氣質量流量與集熱效率表

對應不同進口風速下的空氣集熱器的瞬時效率如圖4所示。可以看出，當速度緩慢增加時，瞬時效率也隨之增加。當速度到達2.5 m／s時，瞬時效率達到最高值60.47%。當速度繼續增加時，瞬時效率上升的幅度緩慢。說明在2.5 m／s之后，速度對集熱效率的影響變小。

圖4 進口溫度273 K集熱器瞬時集熱效率曲線圖

3.3 不同上、下層風速下空氣集熱器的集熱效率

改變上、下層風道的風速，分別以1、1.5 m／s作為進口速度邊界條件。經過模擬計算得到上、下層出口溫度分別約為309、312.9 K。集熱器上、下層風道溫度分布圖如圖5所示。

圖5 集熱器上、下層風道溫度分布圖

保持上層風速為1 m／s不變，將下層風速逐漸調整為2和2.5 m／s，觀測空氣流道的出口溫度以及計算集熱效率，得到的結果見表5。

表5 上層風速1m／s時的效率表

進一步將上層風速改變為 1.5、2.0、2.5 m／s，下層風速依次從1.0 m／s調整為2.5 m／s，計算出的空氣出口溫度以及集熱效率列于表6中。

表6 集熱器出口溫度以及瞬時集熱效率表

結合表5、6可知，上、下層風速分別為2.5、1 m／s時，集熱器的集熱效率最高為62.19%；上、下層風速分別為 1、2.5 m／s時，集熱效率最低為47.20%。

根據表6中的模擬結果，當集熱器上層風速一定時，隨著下層風速的增大，集熱器的出口溫度減小，集熱效率會緩慢降低，并且上層風道出口溫度降低的幅度要小于下層出口溫度的變化幅度。這是由于上層流量大于下層，并且當上層速度處于略小值時，空氣帶走的熱量較多，導致下層空氣帶走熱量較小，從而出口溫度以及集熱效率都有下降趨勢。不同速度的集熱效率曲線圖，如圖6所示。

圖6 不同速度的集熱效率曲線圖

結合表6與圖6可以得出，當下層風速相同時，隨著上層風速增大，出口溫度降低，集熱效率提高，這是由于上層風道流量大，速度大時帶走熱量多，符合流量越大，集熱效率越高的推論。集熱器的瞬時集熱效率不高，主要原因是由于進出口流量低，可以從改進流量著手來改進集熱器，提高集熱器集熱效率。

3.4 不同入口溫度下空氣集熱器的出口溫度和集熱效率

為了考慮不同地域氣溫的影響，需要模擬空氣集熱器在不同空氣入口溫度下的出口溫度和集熱效率。由表6可知，上、下層風速分別取2、1 m／s時，集熱器的出口溫度以及集熱效率為最佳配比。將集熱器上、下層進口溫度均調整為 263、268、278、283和288K作為進口溫度的邊界條件。采用Fluent軟件進行模擬計算得出計算數據，見表7。

表7 不同進口溫度下的出口溫度以及集熱效率表

根據表7中的數據做出相對應的曲線圖，不同進口溫度下的出口溫度及集熱效率圖如圖7所示。

圖7 不同進口溫度下的出口溫度及集熱效率圖

由表7中的數據與圖7的曲線可知：集熱器的上、下層出口溫度隨著進口溫度的增加而上升，下層出口溫度高于上層出口，這是由于上層空氣不僅和吸熱板進行對流換熱，而且還與蓋板進行對流換熱，熱損失較大；集熱器的集熱效率隨進口溫度的增加而下降，這是由于當進口溫度升高時，空氣與吸熱板之間的溫差減小，換熱強度下降。進口溫度為288 K時，集熱效率最低為47.69%。

考慮到北方地區冬季出現的霧霾天氣條件，文章中的數值計算初始條件中所設置的大氣透明度較低，導致該雙風道空氣集熱器的出口溫度不是太高。該雙風道空氣集熱器的優勢在于上、下層風道可以送入不同參數的進風，實現不同的出風溫度滿足不同需求；而且下層流道中的空氣由于與半圓吸熱板的擾流大，與吸熱板的換熱充分，能夠有效的降低能耗，在一定程度上達到節能的目的。通過流量調節，雙風道空氣集熱器能實現上、下層風道的不同出口溫度，可在供熱的同時加熱新風，符合北方農村的清潔供熱需求。后續研究中在保證集熱效率的前提下可以通過適當增大集熱器的流道截面面積、進出口尺寸、增設擾流板來增加空氣流量以及空氣與吸熱板的換熱以提高空氣的出口溫度。

4 結論

通過上述研究可知：

（1）太陽能空氣集熱器的出口溫度隨上、下層進口風速的增大而降低，上、下層最高溫度分別為311.14、329 K。

（2）下層風道進口速度一定時，雙風道集熱器的瞬時集熱效率隨著上層風道速度的增大而上升，集熱效率最高為62.19%；集熱效率隨著下層風道速度的增大而下降，效率最低為47.20%。

（3）雙風道集熱器的上、下層出口溫度隨著進口溫度的升高而上升；集熱效率隨之下降，進口溫度288 K時，集熱效率最低為47.69%。

參考文獻：

［1］左然，施明恒，王希麟.可再生能源概論［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［2］何志兵，賈文惠，尤占平，等.太陽能平板空氣集熱器性能研究［J］.制冷與空調，2015，29（2）：229-231，236.

［3］賈勝輝.平板太陽能空氣集熱器的數值模擬研究［J］.建筑科學，2015，31（2）：85-91.

［4］Matrawy K K.Theoretical analysis for an air heater with a boxtype absorbed［J］.Solar Energy，1998，63（3）：191-198.

［5］程友良，楊國寧，王月坤.太陽能空氣集熱器吸熱板結構優化及其數值模擬［J］.可再生能源，2016，34（7）：949-954.

［6］劉一福，黃坤榮，王玉林.擾流板型太陽能平板空氣集熱器數值模擬分析［J］.機械研究與應用，2012（1）：65-68.

［7］孫自帥，陶漢中，張建東，等.雙層玻璃蓋板平板太陽能集熱器數值模擬［J］.熱力發電，2016，45（11）：54-60.

［8］李世平，向開根，李雯，等.平板式熱管太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.制冷與空調，2015，29（5）：509-512，517.

［9］車永毅，厚彩琴.太陽能平板集熱器關鍵參數對其熱性能的影響［J］.建筑節能，2016，44（11）：28-33.

［10］丁剛，左然，張旭鵬，等.平板式太陽能空氣集熱器流道改進的試驗研究和數值模擬［J］.可再生能源，2011，29（2）：12-15，21.

［11］班婷，朱明，王海，等.太陽能集熱器的研制及結構優化［J］.農業工程學報，2011，27（1）：277-281.

［12］薛一冰，孟光，張樂.兩種太陽能空氣集熱器性能比較研究［J］.山東大學學報（工學版），2009，39（6）：147-149，158.

［13］朱婷婷，刁彥華，趙耀華，等.基于平板微熱管陣列的新型太陽能空氣集熱器熱性能及阻力特性研究［J］.太陽能學報，2015，36（4）：963-970.

［14］李憲莉，李超.兩種新型太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.煤氣與熱力，2015，35（9）：5-9.

［15］王軍鋒，顧鋒，支良澤，等.導流板滲透式太陽能空氣集熱器熱性能研究［J］.太陽能學報，2015，36（1）：162-166.

［16］胡建軍，馬龍，劉凱彤，等.開孔型折流板太陽能空氣集熱器參數優化［J］.農業工程學報，2016，32（14）：227-231.