新型折流板式双风道空气集热器数值模拟

王亮，满意，2，*

（1．山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2．可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室，山东 济南250101）

0 引言

太阳能空气集热器不仅可以在冬天加热室外空气，为室内进行送风供暖，还可以在夏天遮挡部分外墙墙壁，降低墙体吸收的太阳辐射［1］。空气集热器可与冬季供暖系统结合起来，以空气为介质，对于系统无腐蚀、结垢和承压等要求，如有泄露也不致影响整个供暖系统的使用［2］。

众多学者针对集热器的高效热利用进行了大量的研究，通过改变吸热板的形状、流道进出口以及采用穿孔型吸热板等，提高集热器的集热效率［3－5］；利用加入扰流板增强空气与吸热板之间的扰流，增强空气的换热能力以提高集热器的热利用率［6－9］；通过加入双层玻璃、将传统平板式改进为热管式、板管式，提高集热器的瞬时集热效率［10－12］；将单层流道改变为双层流道、蛇形双流道，可以增加空气流量、改善空气旋涡，提高空气集热器的热利用效率［13－14］。

文章将折流板、双层风道结合起来，并将双风道改变为4风道（上、下层各有2个风道），上层流道通入新风，下层流道流入回风。改变进出口的流量，不仅可以实现不同的出口温度，还可以做到有效节约能源。通过计算建立的数值传热模型的结果，分析了不同流量的空气在相同的进口温度条件下对集热器集热效率的影响，比较出最佳工况的选择。

1 新型折流板式双风道空气集热器模型构建

1．1 模型尺寸

如图1所示，新型集热器共分4个进口与4个出口，上层进、出口的尺寸均为100 mm×20 mm，下层进、出口的尺寸均为100 mm×10 mm。上、下层空气流道高度分别为50、30 mm。上、下层流道左右侧折流板各为12、2个，设置不同形式的流道出于以下2点考虑：（1）可以最大程度节省折流板的板材；（2）下层流道的回风折回吸热板的高温区与低温区，可以最大程度利用吸热板上的热量，有利于提高集热器的热利用率。集热器部件尺寸及参数见表1。

图1 新型太阳能空气集热器模型图

表1 集热器部件尺寸与材质表／mm

1．2 模型假设与控制方程

1．2．1 模型的假设

（1）PC盖板与吸热板之间的辐射换热很小，可忽略不计；

（2）保温层的保温效果很好，底部与四周均无散热；

（3）折流板导热性能良好；

（4）忽略集热器侧面与背部的散热损失；

（5）忽略PC盖板与天空之间的辐射换热；

（6）风道中空气的流动视为常物性流体的稳态流动。

PC盖板的发射率很低，因此在模拟中忽略PC盖板与吸热板之间的辐射换热，只考虑PC盖板与外界空气间的对流换热，而忽略其与天空及周围环境间的辐射换热。当空气集热器的上层盖板发射率较大，或空气集热器用于天空及周围环境的等效辐射温度与盖板之间温差较大的地点时，必须对模型的计算结果进行修正。

1．2．2 控制方程与网格划分

在进行模拟计算的过程中，模型的控制方程包括连续性方程、动量方程以及能量方程［15］，通用形式由式（1）表示为

式中：ρ为密度，kg／m3；u、v分别为 x、y方向的速度，m／s；当 φ为速度 u、v（m／s）时，式（1）表示动量方程；当φ为温度T（K）时，式（1）表示能量方程；Iφ为扩散系数；Sφ为源项。

在模拟计算的过程中，空气在风道中的流动为紊流，所以控制方程还包括K方程和ε方程［15］，其中 K、ε方程分别由式（2）、（3）表示为

式中：K为紊动能，J；t为时间，s；ui、uj为速度，m／s；系数，kg／（m·s）；ε为紊动能耗散率，%。αSμeff＝Cε2＝1．91～1．92。

计算模型采用Realizable K－ε模型，相较于标准的K－ε模型，其为湍流黏性增加了1个公式，为耗散率增加了新的传输方程，而且对于平板的发散比率有更精确的预测［16］。

Realizable K－ε模型方程由式（4）、（5）表示为

式中：μ为分子黏性系数，Pa·s；σK、σε分别为湍动能K和耗散率的湍流普朗特数；PK为由平均速度梯度所产生的湍动能，J；Pb为由浮力影响所产生的湍动能，J；YM为可压缩湍动脉动膨胀对总的耗散率的影响；Sk、Sε分别为源项。

辐射传热DO模型方程由式（6）［17］表示为

式中：λ为辐射波长，μm；αλ为光谱吸收系数；Ibλ为黑体辐射强度，W／（m2·μm）。

依据以上所描述的数学传热模型，运用GAMBIT软件建模并且对模型进行网格划分，采用分块结构性网格，对吸热板附近壁面以及进、出口端进行加密，经过网格独立性无关验证，模型计算网格选取60万。

1．2．3 物性参数以及边界条件设定

太阳能空气集热器风道内部空气流动速度较低，所以按不可压缩流体处理，其物性参数采用Boussinesq假设，空气密度为 1．225 kg／m3。

气象参数模拟条件采用标准气象年TMY数据，时间设定为2018年1月20日12∶00，地点为北纬36°4′，东经117°，时区为东八区。上、下层流道内的空气总体沿z轴负方向流动；空气进口温度按照地域条件不同而设定为相同初始温度。利用Fluent软件所提供的太阳计算器计算得到太阳辐射方向向量分量x、y、z分别为－0．8309881、0．54829、0．09400442。边界

条件设定见表2。

表2 边界条件设定表

1．2．4 求解方法

模拟计算过程采用三维双精度压力基进行求解。由于考虑到模型中的湍流黏度以及湍流耗散等因素，所以选用Relizable的K－ε模型。为了保证数值模拟结果精确，辐射模型选择DO模型。差分格式采用二阶精度差分格式，残差参数采用二阶迎风差分格式进行计算。

2 数值模拟结果与分析

以上、下层流道风速与进口风速相同，上层空气设置为新风，进口温度为273 K；下层空气设置为回风，进口温度为291 K作为入口边界条件。按照进口流量的不同，共分为4种不同工况进行数值模拟计算。

2．1 进口风速（0．5 m／s）

以上、下层进口风速为0．5 m／s，上层流量均为3．43 m3／h，下层进口流量均为 1．83 m3／h作为速度进口边界条件，设定此工况为工况1。模拟计算结果如图2所示。

由图2可知，由于折流板的折流以及传热作用，上、下层空气与吸热板以及折流板的换热充分，温度死区出现的区域较小。由图2（c）可知，由于离心力的作用，空气流径会偏离折流板前端。空气在吸热板上流动，带走的热量逐渐减少，造成单位体积的空气温升逐渐下降；上层流道中的空气为新风，在吸热板上流动时，由于吸收吸热板热量导致吸热板温度降低，所以下层流道中通过回风可以更好地弥补出口温度，保证上、下层流道中空气的出口温度相差不大，从而达到节能的目的。经过计算得到上层空气左、右出口温度分别为 341．71、350．74 K，下层空气左、右出口温度分别为 365．65、372．18 K。

2．2 进口风速（1 m／s）

将上、下层进口风速调整到1 m／s，上层流道流量均为6．87 m3／h，下层流道流量均为3．66m3／h作为进口边界条件，设定此工况为工况2。模拟计算结果如图3所示。

图2 工况1流道温度、速度分布图

图3 工况2流道温度分布图

由图3可知，由于流道内空气流量的增加，空气与集热器的吸热板换热较工况1更加充分，空气流道的温度死区较工况1有所减少；而且由于流量的增加，出口温度较工况1有所降低。经过模拟计算得到上层空气左、右出口温度分别为 320．04、325．49 K；下层空气左、右出口温度分别为326．25、331．24 K。

2．3 进口风速（1．5和2 m／s）

将上、下层的进口风速逐渐调整，均为1．5 m／s，上层流道流量均为10．3 m3／h，下层流道流量均为5．49 m3／h，工况3的模拟结果如图4所示。

由图4可知，进口流量的增大，上、下层流道内的空气与吸热板换热较上述2种工况更为充分；上、下层流道出口的空气温度有所降低，这是由于上层新风量有所增加，上层新风在吸热板上带走的热量增加，下层流道内的空气吸收的热量减小。经过计算之后的上层空气左、右出口温度分别为312．06、314．75 K；下层空气左、右出口温度分别为311．92、315．44 K。

调整工况4上、下层进口速率均为2 m／s，上层流 道 流 量 为 13．73 m3／h，下 层 流 道 流 量 为7．32 m3／h。模拟结果如图5所示。

图5 工况4流道温度、速度分布图

由图5（c）、（d）可知，进口流量的增大，空气流层的旋涡段有所减少。经过模拟计算，得到上层左、右出口温度分别为 307．44、309．3 K；下层左、右出口温度分别为304．47、307．23 K。由于上层新风量的持续增加，导致上层空气在吸热板上带走的热量逐渐上升，下层空气带走的热量减小，上、下层的温差逐渐增大。

2．4 集热器瞬时集热效率

空气集热器的瞬时集热效率可由式（7）［18］表示为

式中：QU为空气所获得的能量，W；A为集热器采光面积，m2；I为单位面积集热器上吸收的辐射量，W／m2；m为空气的质量流量，kg／s；cf为空气定压比热容，J／kg·K；ti为空气的进口温度，K；te为空气的出口温度，K。

将计算得到的集热器效率数据汇总，见表3。由表3可知，新型折流板集热器的瞬时集热效率接近60%，这是由于上、下层折流板的作用，空气在流道内作蛇形流动，空气与吸热板换热充分，从而大大降低了流道内的温度死区，并且达到节能的标准。

表3 计算结果数据表

由表3可知，随着流道内的流量增加，集热器的瞬时集热效率逐渐上升，上升的幅度缓慢下降，出口温度有所降低。当流量继续增大到一定阶段后，流量对集热器的瞬时集热效率影响降低。

集热器上、下层流道中出现气流涡旋，造成空气龄偏大。可以通过增加折流板长度或者设置穿孔型折流板来改进。

针对北方农村的供暖需求，采用空气集热器送风模式进行供暖。考虑到室内送风流量以及室内送风温度不应低于313 K，对于此集热器应采用工况2较为合理。

3 结论

通过上述研究可知：

（1）随着进口流量的增大，集热器的出口温度逐渐下降，当上、下层流道进口流量从 3．43、1．83 m3／h变化到 13．73、7．32 m3／h，集热器的出口温度从 341．71、350．74、365．65、372．18 K变化到307．44、309．3、304．47、307．23 K。

（2）当上、下层流道流量增大时，集热器的瞬时集热效率逐渐上升，上升的幅度逐渐降低，工况1集热效率最低，为39．14%，工况4集热效率最高，为59．73%。

（3）新型折流板集热器比传统的平板集热器的集热效率高近20%，空气与吸热板换热充分，减少能源的浪费，可以通过增加折流板长度或者穿孔型折流板来改善空气流道层。