吸热板涂层对太阳能空气集热器性能的影响

蔡庆峰, 刘 芳, 王泽林, 李佳琪

(山东建筑大学 热能工程学院,山东 济南 250101)

1 概述

太阳能空气集热器广泛用于室内空气除湿、建筑辅助供暖、农业干燥[1-2]等领域。吸热板涂层是影响太阳能空气集热器集热性能的重要因素,为提高太阳能空气集热器的集热性能,众多国内外专家学者对吸热板涂层材料进行了研究。Vishnoi[3]通过研究最新太阳能热技术,强调太阳能选择性涂层的应用是太阳能空气集热器性能改进的重要方法。赵桐等人[4]采用扫描电镜和X射线衍射仪对CoCo2O4尖晶石型涂层的结构和表面形貌进行观察,得知该涂层的高温稳定性优良。Poobalan等人[5]探究了太阳能NbB2基串联涂层的性能,发现该涂层具有较好的热稳定性。杨鲁伟等人[6]利用准稳态测试方法分析了3种涂层的热性能,得知黑铬涂层的热稳定性优于氮氧化钛蓝膜涂层。Senthil等人[7]实验研究了石墨烯基涂层对吸热板的影响,发现采用石墨烯基涂层的平板太阳能集热器的热效率有所提高。Qiu等人[8]制备了一种TiB2-ZrB2复合陶瓷基涂层,通过实验发现,该涂层的太阳能热转换效率高达82.6%。Li等人[9]建立了彩色涂层与普通涂层的对比实验,得知彩色涂层对太阳辐射更加敏感。

综上所述,现有研究大多集中在不同吸热板涂层对太阳能空气集热器热性能的影响,而不同涂层应用于太阳能空气集热器的经济性分析比较少。为此,本文以涡旋形流道太阳能空气集热器(简称集热器)为研究对象,采用模拟方法,对5种涂层集热器的热性能和经济性进行分析。

2 模型建立与求解

2.1 物理模型

涡旋形流道太阳能空气集热器由壳体、吸热板、折流板、透明盖板、保温层组成。保温材料为岩棉,集热器底部及四周保温层厚度均为50 mm。透明盖板为单层平板玻璃,厚度为3.2 mm。集热器进出口尺寸长×宽均为60 mm×40 mm,流道宽为100 mm。集热器外框尺寸为2 000 mm×1 000 mm×100 mm。集热器物理模型见图1。

1-流道进口; 2-保温层; 3-流道出口; 4-吸热板; 5-透明盖板; 6-折流板。图1 集热器物理模型

涂料仅喷涂在吸热板迎着太阳光的一侧和折流板两侧,各种涂层的吸收率、发射率及价格见表1[10]。根据市场平均单价,吸热板和折流板成本为149.7 元,保温层成本为42.9 元,透明盖板成本为42.3 元。

表1 各种涂层的吸收率、发射率及价格

2.2 数学模型

为了便于对集热器进行数值模拟,进行以下设定:忽略由黏性力做功引起的耗散热。仅透明盖板与吸热板吸收太阳辐射。流道内空气为黏性不可压缩流体、辐射透明介质。空气在集热器中的流动状态和换热过程为稳态。忽略相邻流道间空气传热。忽略壳体厚度。

根据上述设定,建立通用控制方程。由于空气在流道内为湍流流动,且在流道内会产生角隅涡、分离涡,因此,本文选用RNGk-ε模型,该模型在模拟复杂二次流动具有较大优势。辐射模型选择适用于半透明介质的DO辐射模型。

2.3 边界条件

集热器各组件物性参数见表2[11]。集热器物理模型的边界条件:集热器入口为速度入口,进口空气温度与环境温度一致。集热器出口为压力出口。集热器与水平面夹角为50°。透明盖板、保温层与环境空气接触面均为对流传热边界,表面传热系数为15 W/(m2·K)。环境温度、太阳辐照度根据室外逐时气象参数选取。

表2 集热器各组件物性参数

2.4 模拟软件与相关设定

采用Fluent软件进行模拟,计算采用三维双精度、稳态压力基求解器,速度与压力基的耦合选用SIMPLE算法,压力插值方案选择PRESTO!。动量、能量方程均选用二阶迎风差分格式进行离散,收敛精度为10-6。

2.5 网格划分及无关性验证

采用Gambit软件建立集热器模型,由于集热器流道内空气流动情况复杂,并存在90°转弯,因此选用TGrid网格进行网格划分,并在流道部分进行了网格加密。网格无关性验证在黑镍涂层、入口风速为5 m/s情况下进行,环境温度为20 ℃,太阳辐照度为756.09 W/m2。网格无关性验证结果见表3。由表3可知,当网格数量由114×104个增加到180×104个时,集热器进出口温差、集热效率非常接近。综合考虑模型的计算精度与计算量,网格数量取114×104个。

表3 网格无关性验证结果

2.6 模型验证

文献[12]以土耳其阿克希萨尔地区2017年8月15日的室外气象参数作为实验条件,对集热器出口空气温度进行了测试。笔者采用相同的进口空气温度和气象参数,利用本文的模型算法模拟集热器出口空气温度。模拟结果与文献[12]实验结果对比见图2。由图2可知,模拟结果与实验结果的变化趋势一致,相对误差在合理范围内,说明本文模型算法的模拟结果可以接受。

图2 模拟结果与文献[12]实验结果对比

3 集热器性能评价指标

3.1 热性能评价指标

计算热评价指标时,环境温度为20 ℃、太阳辐照度为756 W/m2。

① 集热效率

集热器集热效率η的计算式为:

式中η--集热器集热效率

Φ--空气得热功率,W

A--集热器集热面积(透明盖板面积),m2

E--太阳辐照度,W/m2

cp--空气比定压热容,J/(kg·K)

q--空气流量(即进风量),m3/s

ρ--空气密度(根据流道平均温度确定),kg/m3

to--集热器出口空气温度,℃

ti--集热器进口空气温度,℃

② 热损系数

集热器与外界存在对流和辐射传热,热损系数综合考虑了顶部、底部、四周散热。热损系数表示集热器的散热强度,热损系数越高,集热器散热强度越大,集热能力越差。热损系数UL的计算式为[13]:

UL=Ut+Ub+Ue

ξ=520(1-0.000 051β2)

f=(1+0.089 2hw-0.116 6hwεp)(1+0.078 66N)

式中UL--集热器热损系数,W/(m2·K)

Ut--集热器顶部热损系数,W/(m2·K)

Ub--集热器底部热损系数,W/(m2·K)

Ue--集热器四周热损系数,W/(m2·K)

N--透明盖板层数,取1

ξ、f、x--系数

Tp,m--吸热板平均温度(由模拟结果输出),K

Ta--环境温度,K

hw--透明盖板、保温层外壁表面传热系数,W/(m2·K),取15 W/(m2·K)

σ--斯忒藩-玻耳兹曼常量,W/(m2·K4),取5.67×10-8W/(m2·K4)

εp--吸热板涂层发射率

εc--透明盖板发射率,取0.900

β--集热器倾角,(°),取50°

λ--保温材料热导率,W/(m·K)

δ--保温层厚度,m

Ae--集热器四周表面积,m2

3.2 经济性评价指标

计算经济性评价指标时,采用2021年全年的逐时气象参数,仅取每日有太阳辐射时间的气象参数。

① 单位空气得热量成本

单位空气得热量成本是衡量集热器经济性和热性能关系的重要指标[14]。单位空气得热量成本Cue的计算式为:

式中Cue--单位空气得热量成本,元/(kW·h)

Cc--集热器总成本,元

i--年利率,取0.05

n--集热器寿命,a,取20 a

Qu--年空气得热量,kW·h/a

集热器总成本包括吸热板和折流板成本、保温层成本、透明盖板成本、涂层成本,年维护成本按集热器总成本的2%计算。年空气得热量为空气得热功率Φ的年逐时累加值。

② 环境经济效益及投资回收期

集热器节约了相同条件下热泵机组加热消耗的电量,并且无二氧化碳产生,由此产生了一定环境经济效益(即二氧化碳减排效益)。环境经济效益ZCO2的计算式为[14]:

式中ZCO2--环境经济效益,元/a

PCO2--二氧化碳交易价格,元/t

mCO2--煤电二氧化碳排放强度,kg/(kW·h)

ICOP--热泵机组制热性能系数,本文取2.5

由北京市碳排放权电子交易平台公布的行情可知,2022年碳交易成交价波动范围为41.51～149.00元/t,笔者按100.00 元/t进行计算。煤电二氧化碳排放强度按华北地区电网二氧化碳排放强度0.884 3 kg/(kW·h)进行计算。

投资回收期t的计算式为:

式中t--投资回收期,a

PE--电价,元/(kW·h),取0.55 元/(kW·h)

4 结果分析与讨论

4.1 对集热器热性能的影响

各涂层集热器集热效率、出口空气温度随进风量的变化分别见图3、4。由图3可知,集热器集热效率随进风量增大而增大。从整体来看,集热器因涂层改变带来的集热效率变化率小于5%。由图4可知,集热器出口空气温度随进风量增大而降低。主要原因为空气流量增大强化了吸热板与空气传热。在5种涂层集热器中,相同进风量下黑铬涂层集热器出口空气温度最低,其他4种涂层集热器出口空气温度接近。这是由于在5种涂层中黑铬涂层的发射率最高,吸收率最低。

图3 各涂层集热器集热效率随进风量的变化

图4 各涂层集热器出口空气温度随进风量的变化

各涂层集热器热损系数随进风量的变化见图5。由图5可知,各涂层集热器热损系数均随进风量增大而减小。主要原因为进风量较小时,吸热板的平均温度比较高,导致吸热板散热量增加。随着进风量增大,吸热板与环境温差减小,吸热板散热情况得到改善,热损系数减小。5种涂层集热器热损系数相差较小,在进风量变化范围内,黑铬涂层集热器热损系数仅比氮氧化钛蓝膜涂层集热器热损系数高4.67%～4.94%。综上所述,涂层对集热器热性能影响比较小。

图5 各涂层集热器热损系数随进风量的变化

4.2 对集热器经济性的影响

① 单位空气得热量成本

各涂层集热器单位空气得热量成本随进风量的变化见图6。氮氧化钛蓝膜涂层集热器单位空气得热量成本随进风量增大的变化最明显,黑镍涂层集热器单位空气得热量成本随进风量增大的变化并不显著。进风量一定时,氮氧化钛蓝膜涂层集热器的单位空气得热量成本最高,黑镍涂层的单位空气得热量成本最低。

图6 各涂层集热器单位空气得热量成本随进风量的变化

整体来看,5种涂层集热器的单位空气得热量成本均低于常规电价,常规电价为0.45～0.80 元/(kW·h)[15],这表明集热器是一种节能设备。

② 环境经济效益及投资回收期

各涂层集热器环境经济效益、投资回收期随进风量的变化分别见图7、8。由图7可知,各涂层集热器的环境经济效益均随进风量增大而上升。氮氧化钛蓝膜涂层集热器的环境经济效益最高,黑铬涂层集热器的环境经济效益最低。由图8可知,各涂层集热器的投资回收期均随进风量增大而降低。受涂层价格、性能影响,氮氧化钛蓝膜涂层集热器的投资回收期最长,黑镍涂层集热器的投资回收期最短。综上所述,相同条件下,涂层对集热器投资回收期的影响比较明显。

图7 各涂层集热器环境经济效益随进风量的变化

图8 各涂层集热器投资回收期随进风量的变化

4.3 涂层优选

虽然氮氧化钛蓝膜涂层具有较低的发射率、较高的吸收率,但较高的价格导致其经济性不佳。综合考虑集热器热性能、经济性,黑镍涂层是理想的选择。

5 结论

① 涂层对集热器热性能影响比较小,对集热器投资回收期的影响比较明显。

② 5种涂层集热器的单位空气得热量成本均低于常规电价。

③ 综合考虑集热器热性能、经济性,黑镍涂层是理想选择。