太阳能集热器空气/水双循环换热特性模拟研究

马进伟，李 葱，方 浩，杜 涛

（安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

太阳能双效集热器将加热水和空气的功能相结合实现光热利用，广泛应用于建筑采暖、生活用水、产品干燥等领域[1-3]。

目前，为提高集热器的工作性能，国内外学者对太阳能集热器展开了大量的研究工作。Saim等[4-6]通过实验和模拟研究了不同翅片结构对太阳能空气集热器集热效率的影响；胡建军等[7]利用构建的空气集热器模型，分析了集热器内部主动旋流和被动旋流的流动及传热特性；贾斌广等[8]提出涡旋型太阳能空气集热器并优化了扰流板的结构布置，进一步提升集热效率；刘爽等[9-10]对不同换热结构的空气流道进行优化，模拟结果显示集热效率最高达到51.29%。Ma 等[11]将双效集热器与建筑相结合，对冬季采暖工况展开实验研究。结果表明，室内温度提高明显，节能效果显著；童维维等[12]基于Fluent 软件平台对比模拟光电-空气、光电-水模式下的能效比率。综上所述，有关空气集热器的研究已较为广泛，而有关水集热、空气-水复合集热的模拟研究少有涉及。

针对上述问题，本文提出一种利用太阳能加热水/空气的双效集热装置，能够根据实际需求调节集热工况，解决空气、水单一集热模块季节性适用问题，同时空气、水集热模块的一体化结构可有效节约占地面积，实现太阳能的综合利用。结合夏热冬冷地区的气候特点，运用Computational Fluid Dynamics（简称CFD）技术数值模拟集热器的换热工质在不同工况下，水集热、空气集热和空气-水复合集热的换热特性，拓宽太阳能集热器的应用领域，为进一步优化集热器性能提供新的思路和理论依据。

1 双效集热器模型

1.1 物理模型

太阳能双效集热器物理模型如图1 所示，空气流道为下风道式。集热器尺寸大小为2 000 mm×1000 mm×80 mm，其中，吸热板长1 950 mm，宽950 mm。吸热板上侧为高度25 mm 的空气夹层，高度35 mm 的空气流道分布在吸热板下侧。7 根内径8 mm 的铜管均匀焊接在吸热板的背面，两端与直径为22 mm 的集水管相连。集热器底部和边框采用玻璃纤维进行保温。表1 为集热器的各项物性参数。

表1 物性参数表

图1 下流道式太阳能双效集热器结构示意图

1.2 数学模型

双效集热器中工质的循环流动满足以下方程：

（1）连续性方程

式中，ρ为流体密度，kg/m3；ux，uy，uz为速度在x，y，z方向上分量，m/s。

（2）能量守恒方程

式中，T 为温度，K；λ为导热系数，W/（m·K）；cp为工质比热容，J/（kg·K）；Sk为内热源项，w。

（3）动量守恒方程

式中，∇P为压力梯度，Pa；ψ为粘滞阻力N；v为速度，m/s；φ为体积力，N；其它参数含义如前。

2 模拟过程及方法

2.1 边界设定

（1）环境温度设为300 K，吸热板作为内热源；

（2）玻璃盖板设置对流与辐射混合边界；

（3）集热器四周为对流换热边界；

（4）水管与空气接触面设为耦合边界；

（5）空气及水进口设为速度入口，出口设为压力出口。

2.2 网格划分

利用SpaceClaim DesignModeler（SCDM）对集热器模型精细化分割，网格划分采用Ansys Meshing进行，局部结构采用加密网格，经网格无关性验证发现，当网格数在129 万时，模拟结果趋于稳定。因此，本模拟中网格数选择为130 万。

2.3 模型选择

由于集热器内部工质流速较低，温度变化幅度较大，温度分层明显，故选用Boussinesq 假设考虑浮升力的影响。为更好地解释涡流、射流、二次流等复杂流动，采用Realizable k —ε 模型考虑流体粘性和耗散率对传热过程的影响较为合适。选择DO 辐射传热模型，在空气集热，水集热和空气-水复合集热模式下均采用SIMPLIC 算法。动量与能量离散方程采用二阶迎风差分格式，压力离散方程采用Body Force Weighted，湍动能及DO 离散方程采用一阶迎风差分格式。

2.4 集热效率

集热效率为工质热能的增量与太阳辐照能之比：

其中：m˙ 为工质的质量流量，kg/s；Δt 为工质的进出口温差，K；Ak为吸热板的面积，m2；G0为太阳能辐照强度，800 W/m2。

3 模拟结果及分析

3.1 水集热模拟

为探究水流速度变化对水出口温度和集热效率的影响，当水流入口温度为300 K 时，改变水流进口流速（0.01～0.1 m/s），水出口温度及集热效率变化趋势如图2 所示。由图分析可知，随着水流速度的增加，集热效率逐渐提升，但提升幅度不断减小，流速0.1 m/s 时集热效率最高，可以达到66.58%。显然可见，出口水温随着流速的增加逐渐降低，当水流速度为0.1 m/s 时，水温仅升高6.21 K，但集热效率较0.01 m/s 时提高23.74%。因此，提高水进口流速能有效提高水集热工况下的集热效率。

水进口流速0.1 m/s，温度300 K 时，吸热板温度分布云图如图3（a）所示。数据显示，吸热板的平均温度为317.87 K，最高温度可以达到344.61 K，吸热板温度分布差异较为明显，这是因为随着水流沿铜管方向逐渐被加热，水温逐渐提升，铜管与吸热板间的换热量减少。因此，靠近水出口处的吸热板相对于进口处具有更高的温度。图3（b）反映了水集热过程中铜管温度分布，可见水集热过程中水温得到有效提升。集水管出口温度略低于支管水温，原因在于集水管会与周围环境发生对流换热，温度有所降低。

图3（a） 水集热工况下吸热板温度分布

图3（b） 水管温度分布

水流进口温度对集热器效率的影响如表2 所示。水流进口速度为0.1 m/s 的工况下，改变进口温度，随着进口温度的提高，水集热效率不断降低。当进口温度为290 K 时，效率最高为74.73%，较进口温度为310 K 时提高了16.29%。从能量利用效率来看，水集热更加适用于春秋季节。其主要原因是在冬季时，虽然能够容易获得较低的进口温度，但外部环境温度过低，集管、吸热板与外界环境温差大，会造成大量的热量损失。在夏季，虽然能够获得高温热水，但是由于进口水温较高，效率明显低于春秋两季。

表2 水进口温度对集热效率的影响

3.2 空气集热模拟

图4 反映了空气集热效率、空气出口温度随空气进口流速的变化趋势。进口空气温度为300 K的工况下，改变空气进口流速（0.2～1.0 m/s），随着进口流速的增加，集热效率逐渐升高，当流速为1.0 m/s 时，集热效率为51.74%，较流速0.2 m/s 时效率提高了28.94%。结果显示，空气出口温度随进口流速的增加逐渐降低，但降低幅度逐渐减小。当空气进口流速由0.2 m/s 增大到1.0 m/s 时，出口温度由339.16 K 降低到317.77 K，温度变化幅度达21.39 K，原因在于随着空气流速的增加，空气与吸热板换热时间减少，换热量降低。

图4 空气进口流速对空气集热性能的影响

空气集热效率随进口温度变化趋势如表3 所示。空气进口流速为0.5 m/s 时，空气进口温度从290 K 变化到310 K。数据显示，空气集热效率随进口温度升高逐渐降低，当进口温度为310 K 时，其瞬时集热效率仅为31.68%，较进口温度290 K时降低了13.39%，且其变化趋势接近线性变化。从表3 分析可知，空气集热适用于冬季建筑采暖，原因在于冬季室外空气温度较低，对应着更高的空气集热效率。当进口温度为290 K，流速为0.5 m/s 时，出口温度可以达到320.96 K，集热器效率达到45.07%，可以满足冬季室内采暖需求。

表3 空气进口温度对集热效率的影响

空气进口流速0.5 m/s，温度300 K 时，空气出口温度分布如图5（a）所示，空气出口存在明显的温度分层现象，靠近吸热板一侧的空气温度明显高于底部空气温度，原因在于空气与吸热板换热过程中温度较高的空气密度较低，在浮升力的作用下逐步聚集在集热板附近，而温度较低的空气，密度较大，在重力作用下，向底部聚集。同时，底部的热空气与集热器背部发生对流换热，温度进一步降低。因此，在工业化生产过程中，空气集热器的下流道不宜过高，一般取15 mm-25 mm[13]。此工况下吸热板温度分布如图5 （b）所示，当空气进口流速为0.5 m/s，温度300 K 时，吸热板平均温度为346.95 K，最高温度为351.83 K，吸热板温度较水集热工况下提高了32.08 K，但温度分布的均匀性有所提高。

图5（a） 空气出口温度分布

图5（b） 空气集热工况下吸热板温度分布

3.3 空气-水复合集热模拟

空气进口流速0.5 m/s 时，改变水进口流速（0.06 ～0.10 m/s），复合模式下的各项集热效率变化趋势如表4 所示。水集热效率、空气-水复合集热效率随水进口流速增加而缓慢提高，空气集热效率则略有下降。当水流速为0.1 m/s 时，空气-水复合集热效率达到最佳。水进口流速为0.1 m/s，改变空气进口流速（0.1 m/s～0.5 m/s），各项集热效率如表5 所示，空气集热效率，空气-水复合集热效率随空气进口流速增加逐渐提高，而水集热效率缓慢下降。当进口流速为0.5 m/s，空气-水综合集热效率达到最佳，为71.66%。综合表4 及表5 可以看出，改变单一工质的流速能够提高空气-水复合集热的瞬时效率，但会降低另一工质的瞬时集热效率。因此，在空气-水复合集热工况下，空气集热效率与水集热效率存在相互制约的现象。

表4 不同水进口流速工况下各项集热效率

表5 不同空气进口流速工况下各项集热效率

空气进口流速0.5 m/s，水进口流速0.1 m/s，进口温度为300 K 时，吸热板温度分布情况如图6 所示，吸热板平均温度为313.92 K，最高温度为333.14 K。空气-水复合集热工况下，吸热板温度明显低于空气集热、水集热工况下的吸热板温度，空气-水复合集热效率较水集热、空气集热工况分别提高了5.08%和33.27%。因此，空气-水复合集热能有效提高太阳能集热器的热性能。其主要原因是复合集热工况能够带走更多的热量，有效降低吸热板与玻璃盖板之间的温差，减少与周围环境之间的辐射散热，吸热板温度分布情况与水集热工况类似。

图6 空气-水复合集热工况下吸热板温度分布

4 结论

（1）模拟结果显示，集热器空气进口流速1.0 m/s，进口温度为300 K 时，集热效率为51.74%；水进口流速0.1 m/s、进口水温290 K 时，集热效率可以达到74.73%。相比于空气集热，水集热效率更高。

（2）空气-水复合集热模式下，提高空气或水的流速可以提高复合集热效率，但空气和水的瞬时集热效率存在相互制约的情况。水流进口速度0.1 m/s、空气进口速度0.5 m/s 时，复合集热效率达到最佳，为71.66%。

（3）从能量利用效率来看，空气集热模式适用于冬季建筑物采暖，水集热模式适用于春秋两季生产生活热水，空气-水复合集热模式适用于夏季同时获取热水、热空气。