單、雙風道折形折流板式空氣集熱器對比分析

王 亮， 滿 意

（山東建筑大學 熱能工程學院， 山東 濟南 250101）

0 前言

我國屬于太陽能資源豐富的國家， 全國總面積2/3 以上地區的年日照時數大于2 000 h，太陽輻射總量高于 5 000 MJ/（m2·a）。 性能良好的集熱器、高效的儲熱裝置，以及科學合理地設計供熱系統是實現規模化太陽能熱利用的關鍵技術[1]。 太陽能空氣集熱器在建筑節能領域的應用范圍廣泛。冬季，可以利用太陽能空氣集熱器向室內進行供暖；夏季，可以利用太陽能空氣集熱器遮擋部分墻面，減少建筑物對于太陽輻射能的吸收[2]。

對了提高太陽能空氣集熱器的集熱效率，學者們對其進行了大量的研究和改進。 具體包括設計出直通式多根真空管空氣集熱器；利用波紋板、拋物線板太陽能空氣集熱器代替傳統平板太陽能空氣集熱器[3]～[5]；采用雙流道、蛇形流道，以及在空氣流道內加入折流板[6]～[8]。 其中，在集熱器中加入折流板能夠增加空氣的吸熱面積、 增強吸熱板和折流板對空氣的擾流作用， 以提升太陽能空氣集熱器的集熱效率[9]～[12]。

為了提高太陽能空氣集熱器的集熱效率、降低其壓力損失， 本文設計出一種雙風道折形折流板式太陽能空氣集熱器 （以下簡稱為雙風道集熱器），該集熱器中的蓋板、折流板和吸熱板形成了蛇形流道， 該蛇形流道不僅增加了該集熱器內部的空氣流量， 又增強了該集熱器內部的空氣擾流狀況，并且在該集熱器中能夠對新、回風的流量進行配比，這樣既可以保證風量，又降低了集熱器的壓力損失，并且充分地利用了室內回風，降低了能源浪費。 本文首先在相同環境溫度和進口速度條件下，對單風道折形折流板式空氣集熱器（以下簡稱為單風道集熱器）進行全新、回風對比計算；然后，對比分析雙風道集熱器的全新、回風，以及新、回風混合時的集熱效率；最后，對比分析不同進口空氣速度條件下， 雙風道集熱器的集熱效率和壓力損失的變化趨勢。

1 新型集熱器物理模型

圖1 雙風道集熱器的物理模型圖Fig.1 Physics model diagram of double duct collector

雙風道集熱器的物理模型如圖1 所示。 由圖1 可知，空氣風道分上、下兩層。 其中，上風道由PC（聚碳酸酯）蓋板和吸熱板組成，該風道內有6個折形折流板，每個折流板由8 片鋁板組成，折形角度均為60°，折流板的材料與吸熱板相同，均為鋁，吸熱板與折流板上均有選擇性吸收涂層，材料均為鋁氮鋁[12]；下風道由吸熱板與隔熱層組成，共分2 個區，左側區域為新風區域，該區域的寬度為200 mm，其內有6 個直形折流板；右側區域為回風區域，寬度為800 mm，該區域內有6 個折形折流板，尺寸、角度均與上層折形折流板相同。 空氣在上、下風道內均作蛇形流動，上、下層空氣進出口尺寸均為150 mm×30 mm。

在雙風道集熱器中，PC 蓋板與吸熱板的長度均為2 276.80 mm，寬度均為1 000 mm，其中PC蓋板的厚度為4 mm，吸熱板的厚度為3 mm；折形折流板的長度為200 mm，寬度為50 mm，厚度為3 mm； 直形折流板的長度為150 mm， 寬度為50 mm，厚度為3 mm。

2 控制方程與邊界條件

2.1 模型控制方程與計算假設

空氣在集熱器風道內流動狀態可視為常物性流體穩態流動，其控制方程除了連續性方程、動量方程、 能量方程、K 方程和 ε 方程之外， 還包括Realizable k-ε 方程[13]，[14]。Realizable k-ε 模型為湍流流體的粘性增加了一個限制公式， 并為流體的耗散率增加了一個傳輸方程，對流體的旋轉流動、流動分離以及復雜二次流都有更好的解釋[15]，所以本文湍流計算模型選用Realizable k-ε 模型。

Realizable k-ε 方程的表達式為

式中：ρ 為流體密度；K 為流體紊動能；uj為流體豎直方向上的速度分量；μ 為分子黏性系數；μt為混合長度為l 的分子黏性系數；ε 為流體紊動能耗散率；σk，σε為流體湍動能 K 和紊動能耗散率 ε的湍流普朗特數；Pk，Pb分別為平均速度梯度和浮力產生的湍動能；Yk為可壓縮湍動脈動膨脹對總耗散率的影響參數；Sk，Sε均為源項；ν 為流體運動粘 性 系 數；C1ε，C2ε，C3ε均 為 常 數 ，C1ε=1.41～1.45，C2ε=1.91～1.92，C3ε=0.07～0.09。

空氣在雙風道集熱器風道內作蛇形流動，對此本文提出以下計算假設條件：①忽略上、下層空氣進、出口處因摩擦阻力而產生的熱量損失；②忽略由理論計算和軟件計算引起的空氣流量細微偏差；③折流板與吸熱板之間的導熱效果良好；④空氣在集熱器風道內流動時， 其物性參數不隨溫度變化而變化，并且集熱器中無空氣泄露；⑤忽略集熱器的背部及四周向外界的散熱， 只考慮PC 蓋板與外界環境之間的輻射、對流換熱損失。

由于折流板與吸熱板之間存在導熱作用，但折流板的厚度遠小于自身的高度， 導致吸熱板的溫度略高于折流板，因此在模擬計算時，須考慮折流板的縱向導熱。

2.2 邊界條件設定與求解方法

根據上述模型條件，并參照文獻[12]的計算方法，利用CFD 軟件的前處理器GAMBIT 對雙風道集熱器模型進行網格劃分， 網格格式為Tgrid四面體非結構性網格， 以集熱器的集熱效率作為衡量標準， 逐漸調整網格數量以監測網格質量對雙風道集熱器集熱效率的影響。 網格無關性檢查結果結果如圖2 所示。由圖2 可知，當網格數超過60 萬時， 雙風道集熱器的集熱效率變化得不明顯。綜合考慮計算精度與計算量，本文集熱器模型的網格數取60 萬。

圖2 網格無關性檢查結果Fig.2 Grid independence check

模擬時間為 3 月 1 日 12：00， 氣象條件采用標準氣象年TMY 數據，模擬地點為東經117°，北緯36°4′，時區為東八區。 在模擬過程中，設置雙風道集熱器的進口為速度邊界條件， 出口為壓力邊界條件。 大氣透明度p 的計算式為[16]

式中：h 為太陽高度角；φ 為當地緯度角；δ 為赤緯角；ω 為時角。

其中，赤緯角δ 與時角ω 的計算式分別為[16]

式中：D 為一年的第幾天；n 為時間，取 0～24 h。

通過計算得到h 約為46°。

太陽方位角As的計算式為[16]

通過計算得到cosAs約為1，即太陽方位角As約為0°。

雙風道集熱器的邊界條件：PC 蓋板設置為對流、輻射混合（mixed）邊界條件，PC 蓋板附近的介質為半透明介質（semi-transparent），吸收率和透過率分別為0.06，0.83，折射系數為1.5；吸熱板、折流板均設置為流固耦合（couple）邊界條件，吸熱板、折流板附近的介質均為不透明介質（opacity），吸收率和發射率分別為0.9，0.08；保溫層與外殼均設置為絕熱邊界條件（wall），保溫層與外殼附近的介質均為不透明介質[12]。

本文的模擬計算過程采用三維雙精度壓力基以及輻射模型DO 中的solar 計算器進行計算，基本算法采用SIMPLE，Energy、動量以及DO 參數，模型采用二階迎風差分格式進行離散[12]。

空氣集熱器的光熱轉換效率為被加熱空氣所得到的能量與照射到集熱器表面的太陽輻射之比，它是評價空氣集熱器性能優劣的重要指標[17]。空氣集熱器集熱效率η 的計算式為

式中：m 為空氣質量流量；Cp為空氣定壓比熱容；T0，Ti分別為空氣進、 出口溫度；Ac為集熱器集熱面積；GT為集熱器吸收到的太陽輻射量。

3 單風道折形折流板式集熱器模擬結果與分析

在模擬計算之前， 先對模擬計算進行實驗對比驗證。 文獻[11]采用實驗驗證手段，文獻[12]采用模擬計算方法，對比文獻[11]，[12]可知，隨著介質流量逐漸增加， 模擬計算與實驗驗證手段得出的結論相同。 具體的結論：單風道集熱器進、出口溫度差逐漸下降， 集熱效率與熱遷移因子逐漸上升，由此可證明本文模擬計算方法的可行性。

為了分析雙風道集熱器的優勢， 需要先對全新風和全回風工況下， 單風道集熱器的溫度分布情況進行模擬計算。設定環境溫度為273 K。由于全新風進口空氣會受到風機等因素的影響， 導致單風道集熱器進口溫度與外界環境溫度存在一定的溫度差，因此設定全新風工況下，該集熱器的進口溫度為278 K。 全回風工況下，單風道集熱器進口溫度設定為291 K，空氣進口速度設定為2 m/s。

全新風、全回風工況下，單風道集熱器的溫度分布圖如圖3 所示。

圖3 全新風、全回風工況下，單風道集熱器的溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution diagram of all fresh and return air single duct collector

由圖3（a）可知，空氣在單風道集熱器的風道中作蛇形流動時，溫度不斷上升，但空氣與吸熱板以及折流板之間的換熱強度不斷降低， 這與文獻[12]的分析結果相似，但本文的單風道集熱器的空氣出口溫度約為338.29 K，低于文獻[12]中的空氣出口溫度， 這是由于室外環境溫度不同， 導致PC 蓋板與外界環境之間的輻射換熱量， 以及PC蓋板與外界空氣之間的對流換熱量逐漸增大，集熱器蓋板向外界環境的散熱量逐漸增強， 最終導致單風道集熱器的空氣出口溫度較低。此外，在上述工況下，利用式（3）得到，單風道集熱器的集熱效率約為53.35%。

由圖3（b）可知，全回風工況下，單風道集熱器的空氣進口溫度比全新風工況高， 并且與外界環境溫度之間的溫度差較大， 導致蓋板向外界環境的散熱量較高； 單風道集熱器空氣進口溫度與吸熱板、折流板之間的溫度差較低，導致空氣從吸熱板吸收到的熱量較少， 該集熱器空氣出口溫度的上升幅度低于全新風工況。經計算得出，當單風道集熱器空氣出口溫度約為346.56 K 時，該集熱器的集熱效率約為49.17%。 對比全回風工況和全新風工況下的計算結果可知， 單風道集熱器的集熱效率與其空氣進口溫度有關， 當空氣進口溫度較小時，空氣與吸熱板之間的換熱溫差較大，二者之間的換熱效果較好， 且吸熱板與外界環境之間的溫度差較小， 使得吸熱板向外界環境的散熱量較小，最終導致該集熱器的集熱效率較高。

4 雙風道折形折流板式集熱器模擬結果與分析

4.1 全新風工況的模擬計算結果與分析

雙風道集熱器溫度分布情況的模擬方法與單風道集熱器相同。 對雙風道集熱器進行全新風工況數值模擬時，設定其上、下層空氣的進口溫度均為278 K， 為保證空氣的體積流量與單風道集熱器相同，設定上層空氣進口速度為1 m/s，下層左側空氣進口速度為0.2 m/s，下層右側空氣進口速度為0.8 m/s，外界環境溫度為273 K。

圖4 全新風工況下，雙風道集熱器的溫度分布圖Fig.4 Temperature distribution diagram of all fresh air double duct collector

全新風工況下， 雙風道集熱器的溫度分布圖如圖4 所示。由圖4 可以看出，上風道中的空氣與外界環境之間存在對流換熱和熱輻射， 導致上層空氣出口溫度略低；對于下層左側風道中的空氣，由于該風道的橫截面積較小，且折流板為直形，導致空氣從吸熱板和折流板吸收的熱量較少，最終使得空氣的出口溫度較低；對于下層右側風道中的空氣， 由于該風道中折形折流板的接觸面積較大，使得空氣吸收到的熱量較為充分，并且由于底部隔熱層的作用， 導致下層右側風道的空氣出口溫度高于上風道和下層左側風道的空氣出口溫度。 通過計算得到， 上風道空氣出口溫度約為346.83 K，下層左、右側風道空氣出口溫度分別約為323.85，349.70 K，此工況下雙風道集熱器的集熱效率約為59.89%。

圖5 為全新風工況下， 雙風道集熱器中吸熱板、折流板的溫度分布圖。

圖5 全新風工況下，雙風道集熱器中吸熱板、折流板的溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution diagram of absorb and baffle plate of all fresh air

由圖5 可知，吸熱板的溫度略高于折流板，由于雙風道集熱器為分區式集熱器， 左側吸熱板的平均溫度約為344.41 K， 右側吸熱板的平均溫度約為367.43 K； 上層折流板的平均溫度約為365.79 K，下層左側、右側折流板的平均溫度分別約為330.79，358.29 K， 說明吸熱板與折流板之間存在熱傳導，并且在折流板的縱向也存在熱傳導。

4.2 全回風工況的模擬計算結果與分析

將上、下層空氣的進口溫度均設定為291 K，這與冬季室內的回風溫度相等， 在保證室外溫度與上、下層進口速度均不變的條件下，對全回風條件下， 雙風道集熱器的溫度分布情況進行模擬計算。全回風工況下，雙風道集熱器的溫度分布圖如圖6 所示。

圖6 雙風道集熱器全回風溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution diagram of all return air double duct collector

由圖6 可知，由于全回風工況下，空氣進口溫度較高， 導致該工況下的空氣出口溫度高于全新風工況， 但是由于空氣進口溫度與外界環境之間的溫度差較大，與吸熱板、折流板之間的溫度差均較小，導致空氣在集熱器中的吸熱量較少。經過計算得到，全回風工況下，雙風道集熱器上風道的空氣出口溫度為353.08 K，下層左、右側風道的空氣出口溫度分別為327.27，371.26 K， 該集熱器的集熱效率約為59.09%。

4.3 新、回風工況的模擬計算結果與分析

新、回風工況的相關參數：上風道和下層右側風道空氣進口溫度均為291 K， 外界環境溫度為273 K， 下層左側風道空氣進口溫度為278 K，上述3 個風道的空氣進口速度均不變，新、回風流量配比為 1∶9。

新、回風工況下，雙風道集熱器的溫度分布圖如圖7 所示。

圖7 全新風、全回風工況下，雙風道集熱器的溫度分布圖Fig.7 Temperature distribution diagram of fresh and return air double duct collector

由圖7 可以看出，與全回風工況相類似，新、回風工況下，上風道空氣進口溫度較高，該溫度與外界環境之間的溫度差較大，與吸熱板、折流板之間的溫度差較小， 且下層左側風道的空氣進口溫度較低，空氣與吸熱板之間的接觸換熱較為充分，導致上風道空氣出口溫度的升高幅度不大； 由于下層兩個風道的進口溫度差較大， 導致左側風道空氣溫度的上升幅度較大， 右側風道空氣出口溫度略微降低。經過計算得到，新、回風工況下，雙風道集熱器上風道的空氣出口溫度為353.62 K，下層左、右側風道的空氣出口溫度分別為325.10，368.41 K，雙風道集熱器的集熱效率約為59.28%。

通過對比3 種工況可知， 雙風道集熱器集熱效率的對比關系：全新風工況>新、回風工況>全回風工況， 這種對比關系與單風道集熱器的兩種工況相吻合，這進一步說明，雙風道集熱器的集熱效率與空氣進口溫度有關。 當空氣進口溫度逐漸升高時，雙風道集熱器的集熱效率緩慢降低。在充分考慮雙風道集熱器的節能性、 空氣出口溫度和集熱效率等影響因素的條件下， 在雙風道集熱器中采用新、回風流量配比的供風方式，既能保證該集熱器具有較高的集熱效率， 又可以得到適合的空氣出口溫度，利用室內回風進行二次供暖。

5 不同進口風速下雙風道集熱器的模擬計算與分析

由上述模擬工況可知， 當雙風道集熱器中設置了流量配比為1∶9 的新、回風時，該集熱器的集熱效率并沒有明顯降低。 根據之前的模擬計算結果和實驗測試結果可知， 雙風道集熱器的集熱效率會隨著空氣進口速度的增大而上升， 但是上升幅度會逐漸降低。對于本文中的雙風道集熱器，并未得出最佳的空氣進口速度。 須對不同空氣進口速度工況逐一地進行模擬計算。 為了對比分析雙風道集熱器與單風道集熱器的各項性能， 本文設定雙風道集熱器的新風進口溫度、 空氣進口流量與文獻[12]相同，具體的計算結果如圖8 所示。

圖8 雙風道集熱器的空氣出口溫度、集熱效率、壓力損失隨新風進口速度的變化情況Fig.8 The change of air outlet temperature， heat collection efficiency and pressure loss with the fresh air inlet velocity of double air duct collector

由圖8 可知，隨著空氣進口風速逐漸增加，雙風道集熱器上、 下層風道的空氣出口溫度均逐漸下降，但是下降幅度逐漸降低，新風出口溫度、上層回風出口溫度以及下層回風出口溫度最低值均為新風進口速度（0.6 m/s），空氣出口溫度值分別為 304.13，316.99，317.86 K；雙風道集熱器的集熱效率與壓力損失逐漸增加， 集熱效率的上升幅度逐漸下降，當新風進口速度為0.6 m/s 時，雙風道集熱器的集熱效率最高，為70.49%，此時的壓力損失最大，為56.10 Pa。

本文的雙風道集熱器與文獻[12]中單風道集熱器的集熱效率和壓力損失隨空氣體積流量的變化情況如圖9 所示。

圖9 單、雙風道集熱器的集熱效率和壓力損失隨空氣體積流量的變化情況Fig.9 Computational data comparison diagram of single and double air duct collector

由圖9（a）可知，隨著空氣進口流量逐漸增加，單、雙風道集熱器的集熱效率均呈現出逐漸上升的變化趨勢，但上升幅度均逐漸降低，雙風道集熱器的集熱效率始終高于單風道集熱器，這是由于雙風道集熱器中空氣與吸熱板、折流板之間的換熱比較充分，上、下風道中的折流板均對空氣產生擾動，從而使得該集熱器的集熱效率較高。

由圖9（b）可知，兩種集熱器的壓力損失均隨著空氣進口流量的增加而逐漸上升， 且上升幅度均逐漸增加。 單風道集熱器壓力損失的上升幅度高于雙風道集熱器，隨著空氣進口流量逐漸增加，二者之間的差值不斷增加， 這是由于雙風道集熱器的空氣進口速度小于單風道集熱器， 導致雙風道集熱器中的空氣流速較低， 最終使得雙風道集熱器的進、出口壓力損失較小。

本文利用雙風道集熱器設計出太陽能空氣供暖系統。 對于該供暖系統， 新風進口溫度不宜過大，保證在313 K 左右即可，在該系統中布置有石蠟蓄熱裝置，所選取的石蠟熔點為317.4 K，因此回風溫度不宜過低或過高，應保證石蠟蓄熱后，空氣溫度能夠維持在313 K。 根據圖8 的計算結果可知：當新風進口速度為0.3 m/s 時，新風出口溫度為315.66 K，可以直接送入室內進行供暖；回風出口溫度約為340 K， 在此溫度下石蠟能夠進行蓄熱；雙風道集熱器的集熱效率為63.53%；該集熱器的壓力損失為15.09 Pa。 綜合對比圖8，9 的計算結果可知， 當新風進口速度為0.3 m/s 時，雙風道集熱器的新、 回風出口溫度以及集熱器的集熱效率均較為適宜，因此針對雙風道集熱器而言，0.3 m/s 為最佳新風進口風速。

6 結論

為了提高太陽能空氣集熱器的集熱效率，降低該集熱器的壓力損失， 本文設計出了一種雙風道折形折流板式空氣集熱器， 而后通過模擬計算分析該集熱器的各項性能，得到如下結論。

①不同工況下， 雙風道空氣集熱器集熱效率的對比關系：全回風工況>新、回風工況>全新風工況。 不同工況下， 該集熱器的集熱效率分別為59.89%，59.28%，59.09%。

②隨著空氣進口速度的逐漸增加， 雙風道集熱器的空氣出口溫度逐漸下降， 集熱效率與壓力損失逐漸上升， 當新風進口速度為0.6 m/s 時，雙風道集熱器的集熱效率最高，為70.49%。

③當新風進口速度為0.3 m/s 時，太陽能空氣供暖系統的各項性能最佳， 此時雙風道集熱器的新風出口溫度約為315.66 K， 回風出口溫度約為340 K， 集熱效率約為 63.53%， 壓力損失約為15.09 Pa。