直膨式太陽能熱泵熱水器集熱/蒸發器流道結構分析與實驗

劉睿盈,吳靜怡，孫曉琳

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

直膨式太陽能熱泵熱水器集熱/蒸發器流道結構分析與實驗

劉睿盈*,吳靜怡，孫曉琳

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

隨著我國經濟和社會的發展,建筑能耗正在飛速上升。國家正大力研究開發綠色建筑，充分利用可再生能源，因此太陽能得到了廣泛的重視。太陽能熱泵熱水器將熱泵與太陽能相結合，生產生活熱水以滿足人們的需求。太陽能熱泵熱水器中的集熱/蒸發器是重要的核心部件，只有優化其結構，才能更高效的利用太陽能。本文采用Fluent軟件對太陽能熱泵集熱/蒸發器三種不同流道形式的結構單元進行了數值分析，獲得了流道表面溫度場分布，通過對流道單元換熱特性的分析，對集熱/蒸發器的優化方法進行理論分析與實際應用。

集熱/蒸發器；不同流道單元；Fluent軟件；溫度分布

0 前言

為滿足社會可持續發展的需求，需要盡可能地減少建筑能耗，一方面要推廣節能技術，另一方面也要充分利用可再生資源。太陽能熱泵熱水器是近年發展起來的一個重要的節能產品，它將熱泵技術與太陽能相結合，加熱熱水滿足人們的生活需要。太陽能熱泵熱水器主要分為直膨式和非直膨式兩種。直膨式太陽能熱泵熱水器將太陽能集熱器與熱泵蒸發器結合，相比于非直膨式不僅簡化了結構，而且彌補了太陽能熱水器陰雨天無法使用的缺點。太陽能集熱/蒸發器可以安裝于建筑外立面，實現與建筑的一體化結合。作為太陽能熱泵熱水器的核心部件，集熱/蒸發器的性能對太陽能熱泵熱水器系統的工作效率有很大影響，因此對于集熱/蒸發器的結構研究和優化十分重要。在保證太陽能集熱/蒸發器吸收效率的同時，減少材料的使用和占地空間是對其結構改進的主要方向[1]。

集熱/蒸發器的形式主要是平板式集熱/蒸發器。文獻[2]中針對有效集熱面積為 l m2全鋁板式結構的集熱/蒸發器進行了研究，證明其良好的工作性能。徐國英等[3]對一復合熱源熱泵系統中的螺旋翅片蒸發盤管平板型集熱/蒸發器進行熱性能分析,證明其能在四季全天候高效工作，劉艷玲等和孫振華等[4-5]也對采用不同結構集熱/蒸發器的熱水器系統進行過研究。

本文主要就是針對平板吹脹式集熱/蒸發器的流道結構單元進行研究。吹脹式蒸發器就是將一張印有回路的板與另一張沒有印刷回路的板壓合，然后進行吹脹管路而形成的，這種蒸發器具有熱傳導效率高、結構簡單、安裝方便等特點。本文通過對平板吹脹式集熱/蒸發器不同流道結構的流動換熱特性的模擬分析，從理論上分析了不同的流道結構單元對集熱/蒸發器換熱效果的影響，為太陽能集熱/蒸發器的設計和太陽能熱泵熱水器系統的優化提供理論依據和指導。

1 太陽能熱泵熱水器系統及工作原理

直膨式太陽能熱泵熱水器的蒸發器同時作為太陽能集熱器使用，制冷劑在太陽能集熱/蒸發器中直接獲取太陽能吸熱蒸發。系統主要構成部件包括：太陽能集熱/蒸發器、壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥和儲熱水箱等,如圖1所示。

圖1 直膨式熱泵熱水器流程圖

這種熱水器的工作原理是：制冷劑作為循環工質，流經壓縮機后形成高溫高壓的氣體,高溫的制冷劑氣體流入蓄熱水箱內部的冷凝器中,與冷凝器外部的水進行熱交換,此時水箱內的水吸熱升溫,同時制冷劑由于放熱冷凝變為液體，液體制冷劑流經熱力膨脹閥節流降溫降壓后流入太陽能集熱/蒸發器中,吸收太陽輻射熱蒸發并再次進入壓縮機，從而完成一次循環。當水箱內的水溫達到設定值時，壓縮機通過恒溫器控制自動停機。在太陽輻射值較高時，太陽能熱泵熱水器以太陽能為主要熱源；當輻射值較小時，則主要從空氣中獲取熱量。除太陽能集熱/蒸發器外，直膨式太陽能熱泵的其余部件與常規熱泵相同。與常規熱泵相比，直膨式太陽能熱泵的優勢在于能夠達到更高的蒸發溫度，從而獲得較高的COP[6]。

2 流道單元模擬模型

為了研究不同結構的流道對集熱/蒸發器性能的影響，本文選取三種不同的流道結構單元，進行了CFD模擬。

2.1 研究對象

本文主要研究三種不同流道結構的吹脹式集熱/蒸發器。其結構的幾何尺寸如表 1所示，三種流道結構單元如圖2所示。

表1 鋁板幾何參數

圖2 三種流道結構單元

2.2 數學模型

2.2.1 模型假設

在實際生產中，所研究的結構單元按一定規律排布，形成集熱/蒸發器制冷劑流道。然而數值分析中只研究尺寸較小的單一結構單元，故而假設制冷劑在三種流道結構單元中沒有溫度變化。數學模型建立中有如下假設[7]：

1）流動為定常流動。

2）流體為不可壓縮的牛頓流體。

3）忽略重力和由于密度差異引起的浮力。

2.2.2 流道單元的控制方程[8]

1）流體質量守恒方程：

式中：

u，v，w——速度的三個分量。

2）流體動量方程：

式中：

式中：

a——流體的熱擴散率，m2/s。

4）湍流模型

在本文中采用k-ε雙方程模型，是標準k-ε兩方程湍流模型。標準k-ε模型通過求解湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程，得到k和ε的解，再用k和ε的值計算得出湍流粘度，進而求出雷諾應力的解。

以下為湍流動能k方程和湍流耗散率ε方程。k方程：

ε方程：

以上兩式中，C1ε、C2ε、σk、σε四個經驗常數一般通過對某些特定的湍流過程的分析和測量得到，其標準取值為：

3 網格模型及數值計算

3.1 網格模型

為了減小計算量從而縮小模型規模，故采用非結構化的四面體網格。對計算區域內的邊均采取均勻網格劃分，如圖3所示；并且為了驗證網格的數量對模擬結果沒有影響，采用不同網格數的劃分方法進行了驗證。

圖3 三種結構單元網格劃分圖

3.2 求解器求解

將網格文件導入數值求解器中，在設置粘性模型前需要先計算雷諾數：

式中：

ρ——制冷劑密度，kg/m3；

v——制冷劑流速，m/s；

η——動力粘度，Pa·s；

d——特征長度，m；由于制冷劑流道為矩形流道，故d= 4A/L，其中A為流道面積，L為濕周。

由于Re＞2500，流動為湍流，故選擇k-ε雙方程模型。

定義R134a在0℃下飽和液體物性參數：密度為1294.78 kg/m3，定壓比熱容為1341 J/(kg·K)，導熱系數0.092 W/(m·K)，粘度2.665×10-4Pa·s。

并且數值分析時邊界條件設定見表 2，選取制冷劑入口流速為初始條件進行迭代，研究穩定后流道單元的溫度場。

表2 邊界條件設置

3.3 數值計算結果

選取輻射面為研究基準面，分別得到三種不同結構流道的表面溫度分布圖，如圖4所示。部分數值計算數據見表3。

圖4 三種不同結構流道的表面溫度分布圖

表3 仿真數據

3.4 結果分析

根據模擬結果，當制冷劑蒸發溫度相等均為273 K時，采用矩形及六邊形流道的蒸發器表面溫度更低，蒸發器單位面積得熱量更大。在蒸發器面積相等、冷凝溫度與環境工況相同的條件下，相較于蛇形流道的蒸發器，矩形及六邊形流道的蒸發器能為制冷劑提供更多的熱量，此時熱力膨脹閥將增大制冷劑流量（同時蒸發溫度提高）以達到設定的過熱度。因此與蛇形流道相比，采用矩形或六邊形流道能夠提高蒸發溫度及蒸發器得熱量，從而提高系統COP及加熱功率。

4 實驗結果及分析

仿真結果顯示，采用結構單元2和3時，能夠有效增加集熱效率，改善蒸發器換熱性能，從而提高系統COP。為驗證這一結論，在相同環境條件下，對采用三種結構流道單元的集熱板進行系統實驗研究，流道網絡見圖 5，并且得到相關運行參數，從實際運行效果上，分析集熱器結構形式對系統性能的影響，為集熱蒸發器結構優化提供依據。

實驗樣機采用直膨式熱泵系統，太陽能集熱/蒸發器均為裸板式，采用兩塊板并聯的方式連接，系統部件主要參數見表 4。壓縮機啟動前，首先打開充水閥將蓄熱水箱充滿，然后啟動電功率表以及計算機自動數據采集系統，每隔 55秒采集一次熱泵系統的各運行參數并存儲至EXCEL中，直至蓄熱水箱內的熱水溫度達到55℃，此時溫控器會控制壓縮機停止運轉。

圖5 流道網絡圖

表4 系統的主要部件參數

4.1 結構單元1和2對比實驗

為比較結構單元1和2，分別采用面積相同，流道結構分別為蛇形和矩形的兩塊集熱板進行實驗，系統其它部件均相同，其中壓縮機排量為12.77 cm3/rev。部分實驗結果見表5，可以看到在相同的大氣溫度和太陽輻射值下，采用結構單元2的系統累計COP為4.7，集熱因子為1.36，優化集熱板結構后系統COP明顯提高。

表5 實驗結果對比

為了對比結構優化后的蒸發器的換熱性能，將采集到的數據進行整理，比較結構單元1和結構單元2的集熱/蒸發器的蒸發溫度和系統累計COP隨水溫的變化，見圖6。

由圖6可見，當水溫上升到55℃時，采用結構單元2的蒸發溫度高于結構單元1約為7℃，并且采用結構單元2的系統COP提高15%。采用結構單元2后改善了集熱板換熱性能，從而提高了系統蒸發溫度及COP。

圖6 結構單元1和2蒸發器蒸發溫度及系統COP隨水溫變化

4.2 結構單元2和3對比實驗

為比較結構單元2和3，分別采用面積相同、流道結構分別為矩形和六邊形的兩塊集熱板進行實驗，系統其它部件均相同，其中壓縮機排量為排8.77 cm3/rev。部分實驗結果見表6，可以看到在相同的大氣溫度和太陽輻射值下，采用結構單元3的系統累計COP為5.56，集熱因子為1.37，優化集熱板結構后系統性能略有提高。

表6 實驗結果對比

為了對比結構優化后，蒸發器的換熱性能，將采集到的數據進行整理，比較結構單元2和3的集熱/蒸發器蒸發溫度及系統累計COP隨水溫的變化見圖7。

圖7 結構單元2和3蒸發器蒸發溫度及系統COP隨水溫變化

由圖7可見，當水溫上升到55℃時，采用結構單元3的蒸發溫度略高于結構單元2，并且采用結構單元3的系統COP略有提升。采用結構單元3后改善了集熱板換熱性能，從而提高了系統蒸發溫度及COP。

5 結論

本文以三種結構不同的流道單元為研究對象，對太陽能集熱/蒸發器三維流場進行了流動與傳熱數值模擬。得到了集熱/蒸發器表面溫度場分布圖，并對結果進行了討論。仿真結果顯示，采用結構單元2和3流道形式的集熱/蒸發器可以有效改善集熱板的傳熱性能，并且采用這兩種流道形式的集熱板溫度分布更加均勻，集熱板表面平均溫度更低，在蒸發溫度相同時，結構單元2和3換熱量更大，大大提高太陽能集熱/蒸發器的集熱效率。為了進一步驗證仿真結果，采用三種流道結構的集熱/蒸發器帶入到系統實驗當中，并且對獲得的實驗參數進行處理和計算，從實驗結果可以看出，采用結構單元 2和 3的集熱/蒸發器在水箱內初始水溫與終止水溫均相同情況下，系統COP和集熱因子有顯著提高。

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Analysis of Collector/Evaporator for Direct Expansion Solar Assisted Heat Pump Water Heater

LIU Rui-ying*, WU Jing-yi, SUN Xiao-lin
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With the development of economic and social in our country, building energy consumption is rising. Government is vigorously developing green building to make full use of renewable energy. As a result, solar energy has been paid widely attention. Solar assisted heat pump water heater combines heat pump and solar energy to satisfy the domestic hot water demand. A solar assisted heat pump system was introduced in this paper. In a direct solar assisted heat pump system, the solar collector/evaporator is a critical component, and the performance of the collector/evaporator is affected a lot by the flow channel structure. Through the theoretical 3D numerical simulation of three different channel styles with Fluent software, the temperature distribution on the surface of the collector was obtained. Based on the heat transfer in the channels, a methodology for the design optimization of the collector/evaporator was introduced and applied.

Collector/evaporator; Different channels; Fluent software; Temperature distribution

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.101

*劉睿盈（1988-），女，工程碩士。研究方向：太陽能熱泵。聯系地址：上海市東川路800號上海交通大學制冷與低溫工程研究所，郵編：200240。聯系電話：13671779684。E-mail：ruiyingliu@163.com。