多孔盖板型太阳能平板空气集热器热性能模拟

张旭龙, 王 珺, 高立新

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院,黑龙江哈尔滨150090;2.哈尔滨工业大学寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;3.盐城市盐都区园林绿化管理所,江苏盐城224005)

1 概述

近年来,太阳能热利用技术取得了飞速发展。太阳能平板空气集热器是一种重要的太阳能热利用装置,目前已经广泛应用于建筑供暖、农作物种植和木材干燥等领域。由于通过透明盖板散失大量热量以及集热器内部空气与集热板间的表面传热系数较小,导致传统的太阳能平板空气集热器集热效率低,其热性能亟需改进[1]。

目前对太阳能平板空气集热器热性能的改进主要集中在强化集热器内部空气与集热板间的对流换热,杨舒婷等人[2]通过改变吸热板的形状,开发了一种新型波纹网型太阳能平板空气集热器,建立数学模型并分析各参数对集热器热性能的影响,结果表明波纹网型集热器热性能明显好于平板型。Romdhane[3]提出通过设置挡板增强腔内换热,结果表明集热效率高达80%。El-Sawi等人[4]将人字形金属吸热板应用于集热器,并与普通平板集热器进行了对比,结果表明人字形结构可以使集热效率提高20%。胡建军等人[5]对内设挡流板的太阳能平板空气集热器进行了流动和传热分析,结果表明挡流板可以实现冷热流体混合,强化传热。

相比于强化太阳能平板集热器内部换热过程的研究,目前对减少透明盖板热量散失的研究很少。叶宏等人[6]将透明蜂窝作为盖板研究了集热器热性能,结果表明带透明蜂窝的平板集热器集热效率明显大于普通平板集热器。董福生等人[7]研究了不同盖板形式下的太阳能平板空气集热器的传热性能,结果表明以PC中空阳光板为盖板的集热器热性能优于以钢化玻璃为盖板的集热器。无盖板渗透型太阳能空气集热器[8]利用均匀分布在集热板上的微小孔口吸入空气,显著降低了集热板表面温度,减少了集热板向周围环境散失的热量。多孔盖板型太阳能平板空气集热器借鉴无盖板渗透型太阳能空气集热器的结构特点,将传统的太阳能平板空气集热器的透明盖板改为多孔盖板,以期降低盖板温度以减少热损失,提高集热器的热性能。本文利用CFD软件建立了多孔盖板型太阳能平板空气集热器的数值计算模型,对其热性能进行了模拟研究。

2 集热器模型的建立与验证

2.1 集热器工作原理

多孔盖板型太阳能平板空气集热器工作原理见图1。太阳光通过用聚碳酸酯板(PC板)制成的多孔盖板进入集热器照射到建筑外墙上的集热层,太阳能转化为热能,集热层的温度升高。在风机抽吸作用下,室外空气通过均匀分布在多孔盖板上的微孔进入集热器,被集热层加热,然后流出集热器。

图1 多孔盖板型太阳能平板空气集热器工作原理

2.2 集热器热性能评价指标

空气经过集热器后的温升Δt(集热器出口空气温度与进口空气温度之差)表征集热器的加热能力,是衡量太阳能空气集热器热性能的重要参数。温升Δt的计算式为:

Δt=to-ti

式中 Δt——温升,℃

to——出口空气温度,℃

ti——进口空气温度,℃

集热效率是衡量集热器热性能最重要的参数,为单位时间内太阳能空气集热器获得的有效集热量与投射到集热器上的太阳辐射能之比。集热效率η的计算式为:

式中η——集热效率

qm——空气质量流量,kg/s

cp——空气的比定压热容,J/(kg·K),取1 000 J/(kg·K)

E——太阳辐射照度,W/m2

A——PC板(包括小孔)的面积,m2

2.3 数值模型的建立与求解

基于以下假设,对集热器进行建模:室外空气经多孔PC板进入集热器后,不会产生回流;室外空气在进入集热器前与集热板换热产生的温升忽略不计;集热器四周保温良好,不与环境产生热量交换。

采用ANAYS软件的SCDM模块建立了集热器模型,见图2,集热器内腔尺寸为900 mm×320 mm×120 mm,小孔直径2 mm,孔中心距16 mm,小孔数量51×19个,位于盖板正中央。空气出口的尺寸为200 mm×50 mm。空气从图2中前面的小孔流入,从右侧面的空气出口流出。利用mesh软件进行了网格划分,经网格无关性验证,计算网格数为160×104。边界条件设置见表1,其中将小孔设为速度入口,将多孔盖板设置为半透明介质面,一些辐射通量被其接收,剩下的入射到集热器内部,太阳辐射方向设置为垂直于多孔盖板方向。求解器选择Fluent,基本控制方程由连续性方程、动量方程和能量方程构成,在稳态条件下求解。湍流模型选择RNGk-ε模型,辐射模型选择DO模型,压力-速度耦合计算选择SIMPLE算法,压力项选择Standard,其他项采用二阶迎风微分离散格式(Second order upwind)。

图2 集热器物理模型

表1 边界条件

2.4 模型验证

环境压力为101.325 kPa,空气进口温度为0 ℃。进口单位面积系统风量(简称系统风量)分别为70、130、180 m3/(h·m2)时,集热器模拟工况下与文献[9]中实验工况下空气温升对比见图3。可见,在相同工况下,实验工况空气温升略高于模拟工况。不同系统风量下空气温升的相对误差见表2。由表2可知,对于全部工况,空气温升的最大相对误差的最大值为8.88%,平均相对误差的最大值为7.11%,说明此数值模型具有较高的准确性,能够满足集热器热性能模拟研究需要。

图3 实验工况与模拟工况下空气温升对比

表2 不同系统风量下空气温升的相对误差

3 集热器热性能模拟研究

3.1 系统风量对集热器热性能的影响

集热层吸收率为0.95条件下,系统风量对集热器热性能的影响见图4。由图4a可以看出,随着系统风量增加,空气温升呈下降趋势。系统风量在35～75 m3/(h·m2)范围内变化时,空气温升下降趋势很显著,当系统风量大于100 m3/(h·m2)以后,空气温升缓慢减小。所以在实际应用中,可以根据需要的集热器出口空气温度合理地选择系统风量。图4b表明随着系统风量增大,集热效率呈现增大趋势。系统风量从35 m3/(h·m2) 增至75 m3/(h·m2)时,集热效率随之逐渐增大,当系统风量大于140 m3/(h·m2)以后,集热效率非常缓慢地增加。因此,依靠增大系统风量提高集热器的集热效率是不可取的。

图4 系统风量对集热器热性能的影响

3.2 太阳辐射照度对集热器热性能的影响

集热层吸收率为0.95条件下,系统风量分别为70、105、140、175 m3/(h·m2)时,太阳辐射照度对集热器热性能的影响见图5。由图5a可以看出,空气温升随着辐射照度增大而升高,并且接近线性增长,原因在于集热器出口空气温度主要取决于集热层表面温度,而太阳辐射照度是影响集热层表面温度最重要的因素之一。由图5b可以看出,随着辐射照度增大,不同系统风量下集热效率的变化趋势基本一致,呈缓慢下降趋势。系统风量为140 m3/(h·m2)时,太阳辐射照度从600 W/m2增大为800 W/m2,集热效率仅下降2%左右。

3.3 集热层吸收率对集热器热性能的影响

太阳辐射照度为900 W/m2条件下,集热层吸收率对集热器热性能的影响见图6。可以看出,集热层吸收率对空气温升的影响非常大,随着集热层吸收率升高,空气温升不断变大,基本上呈线性变化。集热效率随着吸收率增大而明显升高,且接近于线性增长,吸收率增加0.1,集热效率增加8%左右,因此集热层吸收率是影响集热效率的一个关键因素。

图6 集热层吸收率对集热器热性能的影响

4 结论

① 系统风量对集热器的热性能有较大的影响,系统风量增大,集热效率相应地增大,而空气通过集热器的压力降也会迅速增大,从而造成系统风机耗电量增加,所以应综合考虑系统的热性能和风机耗电量,合理选择系统风量。

② 太阳辐射照度是决定空气温升的主要因素,空气温升随着辐射照度增大而升高,并且接近线性增长。集热效率随着辐射照度增大呈缓慢下降趋势。

③ 集热层吸收率是影响集热器集热效率的一个关键因素。集热效率随着集热层吸收率增大而显著增大,且接近线性增长。吸收率增加0.1,集热效率增加8%左右。

④ 在适宜的系统风量下,多孔盖板型太阳能平板空气集热器的集热效率在65%以上,较普通平板集热器有明显提高。