直膨式太阳能热泵热水器集热/蒸发器流道结构分析与实验

刘睿盈,吴静怡，孙晓琳

(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240)

直膨式太阳能热泵热水器集热/蒸发器流道结构分析与实验

刘睿盈*,吴静怡，孙晓琳

(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240)

随着我国经济和社会的发展,建筑能耗正在飞速上升。国家正大力研究开发绿色建筑，充分利用可再生能源，因此太阳能得到了广泛的重视。太阳能热泵热水器将热泵与太阳能相结合，生产生活热水以满足人们的需求。太阳能热泵热水器中的集热/蒸发器是重要的核心部件，只有优化其结构，才能更高效的利用太阳能。本文采用Fluent软件对太阳能热泵集热/蒸发器三种不同流道形式的结构单元进行了数值分析，获得了流道表面温度场分布，通过对流道单元换热特性的分析，对集热/蒸发器的优化方法进行理论分析与实际应用。

集热/蒸发器；不同流道单元；Fluent软件；温度分布

0 前言

为满足社会可持续发展的需求，需要尽可能地减少建筑能耗，一方面要推广节能技术，另一方面也要充分利用可再生资源。太阳能热泵热水器是近年发展起来的一个重要的节能产品，它将热泵技术与太阳能相结合，加热热水满足人们的生活需要。太阳能热泵热水器主要分为直膨式和非直膨式两种。直膨式太阳能热泵热水器将太阳能集热器与热泵蒸发器结合，相比于非直膨式不仅简化了结构，而且弥补了太阳能热水器阴雨天无法使用的缺点。太阳能集热/蒸发器可以安装于建筑外立面，实现与建筑的一体化结合。作为太阳能热泵热水器的核心部件，集热/蒸发器的性能对太阳能热泵热水器系统的工作效率有很大影响，因此对于集热/蒸发器的结构研究和优化十分重要。在保证太阳能集热/蒸发器吸收效率的同时，减少材料的使用和占地空间是对其结构改进的主要方向[1]。

集热/蒸发器的形式主要是平板式集热/蒸发器。文献[2]中针对有效集热面积为 l m2全铝板式结构的集热/蒸发器进行了研究，证明其良好的工作性能。徐国英等[3]对一复合热源热泵系统中的螺旋翅片蒸发盘管平板型集热/蒸发器进行热性能分析,证明其能在四季全天候高效工作，刘艳玲等和孙振华等[4-5]也对采用不同结构集热/蒸发器的热水器系统进行过研究。

本文主要就是针对平板吹胀式集热/蒸发器的流道结构单元进行研究。吹胀式蒸发器就是将一张印有回路的板与另一张没有印刷回路的板压合，然后进行吹胀管路而形成的，这种蒸发器具有热传导效率高、结构简单、安装方便等特点。本文通过对平板吹胀式集热/蒸发器不同流道结构的流动换热特性的模拟分析，从理论上分析了不同的流道结构单元对集热/蒸发器换热效果的影响，为太阳能集热/蒸发器的设计和太阳能热泵热水器系统的优化提供理论依据和指导。

1 太阳能热泵热水器系统及工作原理

直膨式太阳能热泵热水器的蒸发器同时作为太阳能集热器使用，制冷剂在太阳能集热/蒸发器中直接获取太阳能吸热蒸发。系统主要构成部件包括：太阳能集热/蒸发器、压缩机、冷凝器、热力膨胀阀和储热水箱等,如图1所示。

图1 直膨式热泵热水器流程图

这种热水器的工作原理是：制冷剂作为循环工质，流经压缩机后形成高温高压的气体,高温的制冷剂气体流入蓄热水箱内部的冷凝器中,与冷凝器外部的水进行热交换,此时水箱内的水吸热升温,同时制冷剂由于放热冷凝变为液体，液体制冷剂流经热力膨胀阀节流降温降压后流入太阳能集热/蒸发器中,吸收太阳辐射热蒸发并再次进入压缩机，从而完成一次循环。当水箱内的水温达到设定值时，压缩机通过恒温器控制自动停机。在太阳辐射值较高时，太阳能热泵热水器以太阳能为主要热源；当辐射值较小时，则主要从空气中获取热量。除太阳能集热/蒸发器外，直膨式太阳能热泵的其余部件与常规热泵相同。与常规热泵相比，直膨式太阳能热泵的优势在于能够达到更高的蒸发温度，从而获得较高的COP[6]。

2 流道单元模拟模型

为了研究不同结构的流道对集热/蒸发器性能的影响，本文选取三种不同的流道结构单元，进行了CFD模拟。

2.1 研究对象

本文主要研究三种不同流道结构的吹胀式集热/蒸发器。其结构的几何尺寸如表 1所示，三种流道结构单元如图2所示。

表1 铝板几何参数

图2 三种流道结构单元

2.2 数学模型

2.2.1 模型假设

在实际生产中，所研究的结构单元按一定规律排布，形成集热/蒸发器制冷剂流道。然而数值分析中只研究尺寸较小的单一结构单元，故而假设制冷剂在三种流道结构单元中没有温度变化。数学模型建立中有如下假设[7]：

1）流动为定常流动。

2）流体为不可压缩的牛顿流体。

3）忽略重力和由于密度差异引起的浮力。

2.2.2 流道单元的控制方程[8]

1）流体质量守恒方程：

式中：

u，v，w——速度的三个分量。

2）流体动量方程：

式中：

式中：

a——流体的热扩散率，m2/s。

4）湍流模型

在本文中采用k-ε双方程模型，是标准k-ε两方程湍流模型。标准k-ε模型通过求解湍流动能k方程和湍流耗散率ε方程，得到k和ε的解，再用k和ε的值计算得出湍流粘度，进而求出雷诺应力的解。

以下为湍流动能k方程和湍流耗散率ε方程。k方程：

ε方程：

以上两式中，C1ε、C2ε、σk、σε四个经验常数一般通过对某些特定的湍流过程的分析和测量得到，其标准取值为：

3 网格模型及数值计算

3.1 网格模型

为了减小计算量从而缩小模型规模，故采用非结构化的四面体网格。对计算区域内的边均采取均匀网格划分，如图3所示；并且为了验证网格的数量对模拟结果没有影响，采用不同网格数的划分方法进行了验证。

图3 三种结构单元网格划分图

3.2 求解器求解

将网格文件导入数值求解器中，在设置粘性模型前需要先计算雷诺数：

式中：

ρ——制冷剂密度，kg/m3；

v——制冷剂流速，m/s；

η——动力粘度，Pa·s；

d——特征长度，m；由于制冷剂流道为矩形流道，故d= 4A/L，其中A为流道面积，L为湿周。

由于Re＞2500，流动为湍流，故选择k-ε双方程模型。

定义R134a在0℃下饱和液体物性参数：密度为1294.78 kg/m3，定压比热容为1341 J/(kg·K)，导热系数0.092 W/(m·K)，粘度2.665×10-4Pa·s。

并且数值分析时边界条件设定见表 2，选取制冷剂入口流速为初始条件进行迭代，研究稳定后流道单元的温度场。

表2 边界条件设置

3.3 数值计算结果

选取辐射面为研究基准面，分别得到三种不同结构流道的表面温度分布图，如图4所示。部分数值计算数据见表3。

图4 三种不同结构流道的表面温度分布图

表3 仿真数据

3.4 结果分析

根据模拟结果，当制冷剂蒸发温度相等均为273 K时，采用矩形及六边形流道的蒸发器表面温度更低，蒸发器单位面积得热量更大。在蒸发器面积相等、冷凝温度与环境工况相同的条件下，相较于蛇形流道的蒸发器，矩形及六边形流道的蒸发器能为制冷剂提供更多的热量，此时热力膨胀阀将增大制冷剂流量（同时蒸发温度提高）以达到设定的过热度。因此与蛇形流道相比，采用矩形或六边形流道能够提高蒸发温度及蒸发器得热量，从而提高系统COP及加热功率。

4 实验结果及分析

仿真结果显示，采用结构单元2和3时，能够有效增加集热效率，改善蒸发器换热性能，从而提高系统COP。为验证这一结论，在相同环境条件下，对采用三种结构流道单元的集热板进行系统实验研究，流道网络见图 5，并且得到相关运行参数，从实际运行效果上，分析集热器结构形式对系统性能的影响，为集热蒸发器结构优化提供依据。

实验样机采用直膨式热泵系统，太阳能集热/蒸发器均为裸板式，采用两块板并联的方式连接，系统部件主要参数见表 4。压缩机启动前，首先打开充水阀将蓄热水箱充满，然后启动电功率表以及计算机自动数据采集系统，每隔 55秒采集一次热泵系统的各运行参数并存储至EXCEL中，直至蓄热水箱内的热水温度达到55℃，此时温控器会控制压缩机停止运转。

图5 流道网络图

表4 系统的主要部件参数

4.1 结构单元1和2对比实验

为比较结构单元1和2，分别采用面积相同，流道结构分别为蛇形和矩形的两块集热板进行实验，系统其它部件均相同，其中压缩机排量为12.77 cm3/rev。部分实验结果见表5，可以看到在相同的大气温度和太阳辐射值下，采用结构单元2的系统累计COP为4.7，集热因子为1.36，优化集热板结构后系统COP明显提高。

表5 实验结果对比

为了对比结构优化后的蒸发器的换热性能，将采集到的数据进行整理，比较结构单元1和结构单元2的集热/蒸发器的蒸发温度和系统累计COP随水温的变化，见图6。

由图6可见，当水温上升到55℃时，采用结构单元2的蒸发温度高于结构单元1约为7℃，并且采用结构单元2的系统COP提高15%。采用结构单元2后改善了集热板换热性能，从而提高了系统蒸发温度及COP。

图6 结构单元1和2蒸发器蒸发温度及系统COP随水温变化

4.2 结构单元2和3对比实验

为比较结构单元2和3，分别采用面积相同、流道结构分别为矩形和六边形的两块集热板进行实验，系统其它部件均相同，其中压缩机排量为排8.77 cm3/rev。部分实验结果见表6，可以看到在相同的大气温度和太阳辐射值下，采用结构单元3的系统累计COP为5.56，集热因子为1.37，优化集热板结构后系统性能略有提高。

表6 实验结果对比

为了对比结构优化后，蒸发器的换热性能，将采集到的数据进行整理，比较结构单元2和3的集热/蒸发器蒸发温度及系统累计COP随水温的变化见图7。

图7 结构单元2和3蒸发器蒸发温度及系统COP随水温变化

由图7可见，当水温上升到55℃时，采用结构单元3的蒸发温度略高于结构单元2，并且采用结构单元3的系统COP略有提升。采用结构单元3后改善了集热板换热性能，从而提高了系统蒸发温度及COP。

5 结论

本文以三种结构不同的流道单元为研究对象，对太阳能集热/蒸发器三维流场进行了流动与传热数值模拟。得到了集热/蒸发器表面温度场分布图，并对结果进行了讨论。仿真结果显示，采用结构单元2和3流道形式的集热/蒸发器可以有效改善集热板的传热性能，并且采用这两种流道形式的集热板温度分布更加均匀，集热板表面平均温度更低，在蒸发温度相同时，结构单元2和3换热量更大，大大提高太阳能集热/蒸发器的集热效率。为了进一步验证仿真结果，采用三种流道结构的集热/蒸发器带入到系统实验当中，并且对获得的实验参数进行处理和计算，从实验结果可以看出，采用结构单元 2和 3的集热/蒸发器在水箱内初始水温与终止水温均相同情况下，系统COP和集热因子有显著提高。

[1]梁振南, 秦红, 卜其辉. 太阳能-空气能集热蒸发器现状与发展方向分析[J]. 太阳能, 2009 (12): 22-25.

[2]旷玉辉, 王如竹. 太阳能热泵热水器的研制和性能测试[C]// 21世纪太阳能新技术——2003 年中国太阳能学会学术年会论文集. 2003: 567-571.

[3]徐国英, 张小松. 复合热源热泵系统集热/蒸发器的模型[J]. 工程热物理学报, 2006, 27(1): 61-64.

[4]刘艳玲, 王如竹, 夏再忠. 一种新型的太阳能吸附式制冷系统的设计及性能模拟[C]// 上海市制冷学会二○○五年学术年会论文集. 2005: 215-218.

[5]孙振华, 王如竹, 翟晓强. 直膨式太阳能热泵热水器实验研究及经济性分析[J]. 上海电力, 2008, 20(5): 475-479.

[6]矫洪涛, 王学生, 魏国. 太阳能热泵技术研究进展[J].能源技术, 2007, 28(5): 270-274.

[7]刘杨. 运用 fluent软件对板式换热器性能的数值分析[J]. 广州化工, 2013, 41(13): 221-223.

[8]邵光杰, 王锐, 董红星, 等. 材料物理化学[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2003.

Analysis of Collector/Evaporator for Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump Water Heater

LIU Rui-ying*, WU Jing-yi, SUN Xiao-lin
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of economic and social in our country, building energy consumption is rising. Government is vigorously developing green building to make full use of renewable energy. As a result, solar energy has been paid widely attention. Solar assisted heat pump water heater combines heat pump and solar energy to satisfy the domestic hot water demand. A solar assisted heat pump system was introduced in this paper. In a direct solar assisted heat pump system, the solar collector/evaporator is a critical component, and the performance of the collector/evaporator is affected a lot by the flow channel structure. Through the theoretical 3D numerical simulation of three different channel styles with Fluent software, the temperature distribution on the surface of the collector was obtained. Based on the heat transfer in the channels, a methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied.

Collector/evaporator; Different channels; Fluent software; Temperature distribution

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.101

*刘睿盈（1988-），女，工程硕士。研究方向：太阳能热泵。联系地址：上海市东川路800号上海交通大学制冷与低温工程研究所，邮编：200240。联系电话：13671779684。E-mail：ruiyingliu@163.com。