太阳能热水系统储热水箱温度分层的研究进展

张夏一，胡明辅

(昆明理工大学 太阳能工程研究所，云南　昆明　650500)



太阳能热水系统储热水箱温度分层的研究进展

张夏一，胡明辅

(昆明理工大学 太阳能工程研究所，云南昆明650500)

摘要：水箱的温度分层现象可以有效地提高太阳能热水系统的集热性能，并能够减少能源消耗，容易满足不同的用水需求。对于水箱温度分层现象，综合国内外相关文献资料，从储热水箱温度分层的原理及作用、影响因素、研究模型和方法等方面进行介绍与分析。最后结合当前的研究情况，对今后的太阳能热水系统水箱温度分层的研究趋势进行了展望。

关键词：温度分层；集热性能；太阳能热水系统；储热水箱；研究模型

太阳能作为一种清洁的可再生新能源,其丰富性、利用简便性、清洁性等优势越来越受到人们的青睐。太阳能利用技术主要包括热利用和发电，现今，太阳能热利用是商业化程度最高，应用最普遍的技术之一。储热水箱作为太阳能热水系统的储热设备，具有储存能量和调节用水的功能，其储热性能对整个系统运行的影响至关重要[1]。

关于储热水箱中温度的分布，通常呈现沿高度方向的分层现象，这种现象对于提高太阳能系统的集热性能是大为有利的。但在工程实践中，不适当的设计会破坏水箱中的温度分层。因此，如何有效地改善和维护水箱中的温度分层，一直是许多学者研究的课题。

1水箱温度分层原理及作用

当水的温度大于4℃时，其密度变化与温度成反比，即水的密度会随着温度的升高而减小，而且密度减小的趋势会随升温而越来越大。在储热水箱中，高温水会因其密度小而受浮升力作用浮在水箱的上部，而低温水因其密度较大而沉降在水箱的底部，随着水箱内整体温度的不断上升，会在水箱的高度方向自上而下地出现水温由高到低的分层现象，当无外界干扰时，水箱内的水不会以任何方式进行激烈地混合或搅动，这就是温度分层(或热分层)现象。

温度分层是一个理想的状态，相比较于内部混水严重、扰动剧烈的水箱,是温度较均匀的水箱，当两种水箱平均温度相同时，则温度分层现象可以使集热器的进水温度能够达到更低，有效地降低集热器的热损失，提高储热水箱热效率可达10%。此外，储热水箱形成良好的温度分层，可以满足不同的用水需求，不同温区的热水可用于不同的用途，这样有效地缩短了系统加热到所需要水温的时间，减少了辅助能源消耗，大大提高了储热水箱的可用水使用率。

2水箱温度分层影响因素

目前影响储热水箱维持良好温度分层的因素一般分为两大类，即储热水箱的几何结构和系统的运行参数条件。储热水箱的几何结构影响因素有水箱的高径比，水箱进口结构，水箱内部结构，水箱壁厚，箱壁材料等因素。系统的运行参数影响条件有进出口流速、水箱进出口温差、天气条件等等。

2.1　储热水箱几何结构影响因素

2.1.1水箱高径比对温度分层的影响

改变水箱的高径比可以对水箱的温度分层有着显著的影响。这是因为水箱的高径比越大，其高度方向水的流程越长，这更易于实现和维持温度分层，分层的效果也越好。但是考虑到材料、经济、承重载荷等方面的因素，高径比并非越大越好，一般在3～4时可以实现较好的温度分层效果。

Lavan[2]、Walmsley[3]和Haller[4]等人均先后对储热水箱的高径比(或长宽比)对温度分层的影响进行了实验研究。他们的研究表明，水箱高径比是影响温度分层的因素之一，可以通过增加水箱的高径比，获得更好的温度分层现象。Cole和Bellinger[5]提出，当选择储热水箱的高径比为4时，水箱内可以实现较好的热分层现象。Ismail等人[6]使用二维模型对高径比为1～5进行数值模拟，得出当高径比在4左右时，可以实现最好的温度分层，当高径比超过4后，分层效果开始趋于平缓。而Nelson等人[7]和Kenjo等人[8]通过研究认为水箱的高径比为3时达到温度分层的较佳效果。Hariharan等[9]对储罐高径比为1.56、2.06、3.04、4.0进行了研究，Al-Kandari[10]对储罐高径比为1、2、3、4、5进行了研究，他们的研究表明水箱高径比在3和4之间，都可以获得良好的温度分层效果。

2.1.2水箱进口设计对温度分层的影响

在太阳能储热水箱的补水和集热强制循环工况下，水箱进口的混水程度是影响热分层现象的一个重要因素。Chung等人[11]认为，造成分层的破坏和储热的损失主要有四个影响因素：环境温度的换热损失、箱体的垂直换热、水箱内冷热水的热传导、补水供水时的混水等，而补水供水时的混水是其中最为重要的影响因素。可见，水箱进出口的设计，即其位置和尺寸、结构形式对于水箱温度分层有着十分显著的影响。

(1)进口位置和尺寸的影响

Lavan和Thompson[12]通过实验研究表明，增大水箱的入口直径可以有效的获得更好的温度分层现象，而且来自负载的冷水入口位置要比热水供给出口的位置和几何形状重要的多。

(2)进口结构形式的影响

目前，水箱进口的结构形式对于减小进口的混水现象的研究越来越多，各种形式的进口方式或散流器、挡板等被设计研究，并在实践中使用。

Shah等人[12]通过实验和模拟研究表明，设计合理的水箱入口能够有效地提高水箱储存的能源品质。他对储罐水箱进口采用3种不同的进水方式，分别为直接进口、麦德龙进口以及挡板进口，并分别在低流速1 L/min和高流速10 L/min的情况下对3种不同的进口形式下的水箱进行温度分布的模拟，结果表明在低流速的情况下，进口形式的改变不会对水箱的温度分层有显著的影响，但在高流速的情况下，进口形式的不同对水箱的温度分层有了显著的影响，如当排出的介质温度为10～45℃时，采用直接进口形式排出的介质体积比采用挡板进口形式少15%，严重影响了水箱储存的能源品质。

刘铜等人[13]利用CFD软件对自然分层型蓄冷罐内的温度场进行模拟分析研究，表明设计合理的布水器能够尽量减少罐内流场的紊乱，从而减小斜温层厚度，更有利于温度分层的形成与保持。Hegazy[14]的研究表明，在水箱入口处使用简单的开槽扩散装置可大幅度增加太阳能热水系统热性能。李舒宏等人[15]通过实验研究了开孔型进口对温度分层的影响，结果表明在5 L/min较低流量的条件下，开孔型进口结构比直接进口的有效用能效率高21%，而当在10 L/min较高流量时，两者之间的差距增大到36%。

Altuntop等人[16]对几种不同结构的挡板进行了研究，结果表明中心存在缺口的挡板比其他类型的挡板更易于温度的分层，而平板中心缺口要比锥形中心缺口所形成的分层效果更好。

2.1.3水箱内部结构对温度分层的影响

通过改变水箱的内部结构，从而改变水的流动方向，并引导热水与冷水的换热，可以形成较传统水箱更好的温度分层效果。

朱宁等人[17]设计了一种改进水箱，将φ600 mm×1 400 mm的圆柱形水箱的内部设置一根低导热率的套筒，顶部贯通，距离水箱顶部200 mm，沿着套筒的高度方向均匀布置两列连通孔。集热器加热后的热水由上部流入水箱套筒内，低温水从水箱底部流出进入集热器。经过CFD仿真计算和实验后得出，采用改进水箱，水可以从上部经充分换热后将热量向下面传递，出现了非常明显的温度分层。

罗刚等人[18]在传统水箱的基础上设计出了一种具有分层换热功能的承压式太阳能水箱。其设计思想是，将水箱在高度方向上用冲孔隔板分成若干层的加热区域。将新型水箱与传统水箱测试对比，结果表明：新型水箱存在较为显著的温度分层现象，而传统水箱基本不存在分层现象，新型水箱获得所需温度的时间要少于传统水箱，节能效果显著，系统平均集热效率提高了8%。

2.2　系统运行参数条件影响因素

2.2.1入口流速对温度分层的影响

储热水箱的入口流速由系统运行工况、管径等多种条件决定，其大小直接影响了水箱内部的流动形式、换热情况等等，是决定储热水箱能否形成并保持良好的温度分层的重要因素。通过大量的研究表明，保证储热水箱的入口流速越小，越能形成并保持良好的温度分层。

Altuntop等人[19]对高为1 m的水箱分别做了不同入口流速对温度分层影响的模拟研究。他们选择入口流速分别为0.01～0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s成线性变化的12组流速值，结果表明温度的变化并没有随速度一样成线性变化，当入口流速越小时，温度分层的效果越好，而当入口流速越大时，水箱的温度却越来越高，但是温度增长率却随流速的增大而变小。水箱入口流速应该保证雷诺数远低于过渡区(<2100)，以确保层流，用以促进良好的热分层现象。综合考虑，推荐入口流速为0.03～0.05 m/s以获得良好的温度分层以及可使用的热水。Savicki和Vielmo[20]、王登甲和刘艳峰[21]均进行了不同入口流速对温度分层影响的仿真模拟，前者对卧式水箱进行研究，给出的结论是流速在0.5～2 L/min范围内不会对热分层造成明显破坏，后者对立式圆柱水箱进行研究，结果显示流速在0.01～0.05 m/s范围内可以形成良好的温度分层，而流速在0.01 m/s以下时，分层的效果提升受流速的影响不大。Helwa等人[22]的研究结果表明入口流速也受到热水供应速率的直接影响，即不同的供水工况模式可以影响到入口流速，由此影响卧式水箱内的温度分层。

2.2.2温差对温度分层的影响

水箱的进出口温度差，也是一个影响温度分层效果的关键因素。当水箱的进出口温度差尽可能大时，水箱内部会自上而下由于密度的不同形成明显的温度分层梯度，并有效的提高集热效率。

3水箱温度分层的研究模型及方法

3.1　研究模型

水箱的温度分层与很多因素相关，要对其进行准确地描述和预测非常困难，目前主要有两种研究模型进行蓄热水箱温度分层的描述：插栓流模型(plugflow)[24]和多节点模型(multinode)[25]。

3.1.1插栓流模型

插栓流模型的基本思想是沿竖直方向将蓄热水箱分成若干段，每段看成独立体，均具有各自相应的温度和体积，且两段间不发生混合。当集热器的进出水温差越大时，集热效率越高，因此集热器的入水口尽量位于最下端，确保集热器的进水温度尽可能低，而取用热水的出口位置尽量在最上端，以此保证取用热水温度尽可能高。集热器的出水和自来水(或回水)从水箱入口进入以后，将各段的变化看作为堆栈，即在顶部或底部插入一小段体积，水箱其它各段有序的被推动向上或向下移动。

插栓模型研究的是水箱内位置不断变化的独立段，研究方法类似于流体力学中追踪流体质点的运动规律的拉格朗日法。但是，插栓流模型没有考虑段与段之间的掺混，仅仅将整个水箱看作是成堆栈变化的理想状态下的温度分层模型，其过于简化，而水箱的实际温度分层效果受很多因素影响，并没有那么理想，因此应用插栓模型研究具有很大的局限性。

3.1.2多节点模型

多节点模型是将温度分层最优化而提出的，其基本思想是，将水箱沿高度方向划分成若干个温度层，每层看作一个节点，每个节点的位置固定，各节点水完全混合并具有相同温度，但不同的节点温度不同，且温度、速度等值也是变化的。和插栓模型一样，希望集热器的进出水温差尽可能大，因此进水口总是位于最下端，而供给热水的出口位于最上端。但进入水箱均采用浮动方式寻找最佳的温度层进入，即进入的水选择与自身温度相近温度节点处补充，以最小的温差与该温度层换热，以此降低自然对流速度，避免破坏温度分层。

与插栓模型相对应，多节点模型是研究在水箱内位置固定不变的温度层节点，研究方法类似于研究固定位置各时刻质点在流场中的变化规律的欧拉法。多节点模型考虑了相邻温度层节点之间的掺混，相比较于插栓模型而言更为合理。目前，应用多节点模型配合CFD软件对水箱温度分层问题进行研究的方法更为普遍。

3.2　研究方法

迄今为止，最早对于温度分层的研究是通过价格昂贵的实验来完成的。实验的研究方法因其周期繁长、成本昂贵、无便捷性等缺点渐渐由非常原始的一维或二维分析模型所代替，但其仍然有着考虑温度变化的模型过于简化、只能研究简单的流体定常流动变化等缺点。

目前，温度分层的研究主要是通过流体计算力学软件进行二维的数值模拟，这种越来越被广泛使用的方法可以进行水箱中复杂的非稳态流体动力学的研究。

但是，二维数值模拟的方法依然会存在一定的偏差。Spall[27]使用CFD程序Fluent进行了对轴对称圆柱形的冷水水箱湍流的自然分层的二维数值研究，结果显示预测数值会过高地估测了斜温层的厚度。Shah和Furbo[28]也使用Fluent研究水箱入口设计的影响，并证明了由于层流假设，二维数值仿真模拟过低的估测了水箱内的混合程度。

使用三维数值模拟，可以更好地了解水箱的不同几何形状以及流体动力学对于热水储箱内热分层的影响。由于三维数学模型有着比二维模型更准确更逼真的模拟效果，比物理实验更有效的节省时间和成本等优点，三维数值模拟的使用，将会促进水箱热性能的优化提高及成本的有效减少。最近，Perez[29]进行了圆柱形结构的非稳态层流对流的三维数值模拟，结果证明使用Fluent对热水储箱的瞬态三维流动力学建模并模拟分析是可行的。

4储热水箱温度分层的研究趋势

当前，关于如何维持良好温度分层的影响因素的研究，国内外主要集中在储热水箱的几何结构上。通过设计研究各种形式的进出口方式、散流器或档板等，使水的流动速度减慢，引导水的流动方向，减小水在水箱进出口处的混水程度，使其形成良好的温度分层；或是改变水箱的内部结构，通过引导冷热水换热或延长水的流动流程，形成较传统水箱更好的温度分层效果。大多数学者采用多节点模型为基础对水箱进行二维模拟研究，但是数值精确度、模拟效果仍需提高。国外已经有学者提出了其它的研究模型，如人工神经网络模型(ANN模型)[30]，但模拟应用较少。

国内外对于温度分层的研究，还主要是针对小型太阳能热水系统的单水箱在单一工况下改变单个参数进行的模拟研究，而缺少循环工作、供水工作等工况下交互作用时多个参数耦合的瞬时影响研究，大型太阳能热水系统及双水箱(或多水箱)的温度分层研究也从未见报。

今后对于水箱温度分层的研究，应该侧重于以下几个方面：

(1)采用模拟效果更好的研究模型，使用更为准确的三维数值模拟进行研究；

(2)对在多种工况交互作用时的水箱分层热性能进行研究；

(3)探索水箱的几何结构及运行参数条件，进行耦合的影响温度分层情况的研究；

(4)讨论大型太阳能热水系统及双水箱(或多水箱)的温度分层情况。

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Research Progress of Temperature Stratification in Heat Storage Water Tank in Solar Water Heating SystemZHANG Xia-yi,HU Ming-fu

(Solar Energy Engineering Research Institute,Kunming University of Science

and Technology,Kunming 650500,China)

Abstract：Temperature stratification in heat storage water tank can improve the thermal efficiency of solar water heating system and reduce energy consumption, meet different water demands conveniently. For temperature stratification in heat storage tank, through integrating related literatures at home and abroad, this paper introduces and analyses the following respects about the principles and effects, influence factors, research models and methods of temperature stratification in water tank. Finally combining with the current research situation, the trend of the future research of temperature stratification in heat storage water tank in solar water heating system is prospected.

Key words：temperature stratification; thermal efficiency; solar water heating system; heat storage tank; research models

作者简介：张夏一(1989～)，男，硕士研究生；研究方向为热能利用及新能源技术。

基金项目：云南省科技计划项目(2012EA007)

收稿日期2014-08-07修订稿日期2014-10-08

中图分类号：TK51

文献标识码：A

文章编号：1002-6339 (2015) 06-0517-05