太陽能蓄熱水箱的溫度分層研究

■ 朱寧 王占恒 王大水 李繼民

一 引言

在能源與環(huán)境問題日益突出的當今社會，太陽能作為一種取之不盡的清潔能源，正得到越來越廣泛的應用，引領著節(jié)能與環(huán)保的時代步伐。太陽能利用中一個重要領域就是光熱技術，最常見的就是太陽能熱水和采暖系統(tǒng)，利用平板或真空管集熱器吸收太陽輻射并將其轉化成熱能。由于太陽輻射強度具有周期性變化的特點，而且集熱過程與用熱過程存在著不一致性，因此在太陽能熱水采暖系統(tǒng)中通常都采用蓄熱水箱來存儲熱能，經集熱器加熱后的熱水進入水箱頂部，水箱中較低溫的水從底部進入集熱器加熱。

隨著水箱內整體溫度上升，水溫自上而下呈現由高到低的分層現象，這是因為水溫越高其密度越小，熱水在浮升力作用下往上流，冷水向下沉。在平均溫度相同的條件下，相較于溫度均勻分布的水箱，具有溫度分層功能的水箱對集熱器回水溫度更低，有利于降低集熱器中的熱損失，提高集熱效率。另外，溫度分層為太陽能熱水采暖系統(tǒng)的多用途應用提供了良好條件，不同溫區(qū)的熱水用于不同的加熱對象，例如按照溫度由低到高可分別用于熱泵蒸發(fā)器熱源、加熱生活用水、直接供暖熱水、加熱洗澡水等。

溫度分層的好壞受水箱進口熱水流速、溫度、高度以及水箱高徑比等因素的影響。Darci Luiz Savicki和Hor?cio A Vielmo研究了不同流速對臥式水箱溫度分層的影響，發(fā)現流速在0.5～2L/min范圍內不會對分層造成明顯破壞，需要指出的是，以上結論是在進出口均位于3/4底面直徑高度的情況下得出的。王登甲、劉艷峰對高2m、底面半徑1m的正圓柱體蓄熱水箱進行了CFD仿真研究，水箱熱水進口位于水箱2/3高度處，發(fā)現流速在0.01～0.05m/s范圍內對分層的形成最有利，而降低流速至0.01m/s以下時則對分層效果的進一步提升作用不大。

目前，對水箱溫度分層研究的理論分析模型主要有兩種：插栓模型(plug flow)、多節(jié)點模型(multinode)。

二 實驗與仿真結果對比

本文實驗對象為一個長方體的太陽能蓄熱水箱，去除保溫層后凈尺寸為400mm×400mm×1800mm，采用真空管集熱器加熱。

1 實驗工況

進水口在離頂部1/3處，進口流速為0.22m/s，出水口距底部100mm。集熱器面積為4m，太陽能集熱的瞬時效率為

其中，Ti為集熱器內水的平均溫度，Ta為環(huán)境溫度，I為太陽輻射瞬時強度。

以北京地區(qū)2011年5月某天為例，其太陽輻射強度在全天內變化情況如圖1所示。

圖1 北京地區(qū)2011年5月某天輻射強度變化規(guī)律

2 非穩(wěn)態(tài)參數設定

水的物性參數隨溫度的變化規(guī)律如下：

其中，t是攝氏溫度，℃。

水箱熱水進口溫度Ti與出口（即集熱器進口）溫度To、質量流量m、集熱效率η、集熱面積A、太陽輻射強度I等因素有關。

3 長方體水箱的仿真結果

基于浮力模型(Buoyancy Model)，利用CFD軟件對水箱內水的對流換熱過程進行了變物性的非穩(wěn)態(tài)數值求解，時間步長取3s。圖2依次為1h、3h、5h、7h四個時刻的仿真結果。

從圖2可見，隨著集熱過程的進行，水箱內的整體溫度是在不斷上升的。由于5h時刻為下午一點鐘，此時的太陽輻射強度達到最大，所以(c)中的進出口溫差最大，為6.2℃。1h時刻頂部和底部之間的溫差大約為2.5℃，3h時刻為3℃，5h時刻為3.3℃，7h時刻則略降至2.7℃，這是因為隨著進口溫度的升高，水箱內湍流強度加劇，促進了冷、熱水之間的混合，可見，這對溫度分層是不利的。此外，由圖2可知，水箱內溫度最高點是在高度方向2/3處，即進口附近，這使得該溫度層尚未得到充分加熱之前，受熱的流體在浮升力作用下摻混到頂部，顯然這也對分層極為不利。因此，只要不影響水箱的加工工藝，進口位置應盡量靠近頂部。

數值仿真還得到了水箱頂部、中部和底部的溫度值，與實驗結果進行比較，如圖3、4、5所示。頂部溫度的仿真結果與實驗結果吻合得很好，中部溫度有較小偏差，底部溫度則相差較大。

三 改進水箱設計

由以上的計算可以得出，簡單結構的蓄熱水箱很難形成明顯的溫度分層，有必要在結構設計和工作工況上采取一些改進措施。以下提出一種新的設計方案及其模擬的蓄熱結果。

圓柱形水箱尺寸為φ600mm×1400mm，在其內部安置一根低導熱率的套筒，頂部貫通，離水箱頂部距離為200mm，沿套筒高度方向均勻布置兩列連通孔。集熱器流出的熱水從上部進入水箱內套筒，水箱低溫出水從底部流出進入集熱器，如圖6所示。

圖6 一種加內套筒的蓄熱水箱結構示意圖

對該套筒水箱進行CFD仿真計算，計算結果如圖7所示。從1h～4h溫度分布的變化情況來看，水箱上部的水經過充分加熱后才將熱量傳遞至下面，于是就出現了非常明顯的溫度分層。套筒的設置使得水箱主體區(qū)域受進口水流的影響很小，縱使套筒內存在較強的湍流，但水流經套筒頂部和各連通孔分流后進入水箱主體區(qū)域時其流速已經降至很低，而且低導熱率的筒壁也阻隔了套筒和水箱主體區(qū)域的導熱。

同時實驗結果也證明了，改進套筒結構的水箱會得到較好的分層結果，如圖8所示。

四 結論

基于浮力模型、采用CFD數值仿真方法，對水箱蓄熱時的溫度分層過程進行了模擬計算，模擬結果動態(tài)顯示了水箱內水的溫度分層現象。若水箱不采取特殊設計，在入口熱水0.22m/s進口流速條件下，水箱頂部與底部基本只能維持2℃～3℃的溫差，分層效果不理想；隨著進口溫度的升高，水箱內湍流強度增大，冷、熱水之間摻混加劇，對分層的維持更為不利。實驗結果驗證了該模擬結果的正確性。

本文的模擬計算方法經實驗驗證切實可行，因此可以通過此方法指導集熱水箱結構的設計和優(yōu)化，如提高熱水進口位置、降低熱水進口流速、設計特殊的熱水通道等，抑制水箱內水的湍流形成，從而獲得更大的溫度分層。

本文最后提出的一種改進方案利用低導熱率的套筒削弱水箱主體區(qū)域的流動強度，以避免冷、熱水之間的摻混，CFD仿真的結果顯示出明顯的溫度分層效果。該方案為今后的分層蓄熱水箱設計提供了一個很好的參考。