太陽能烤房的平板型空氣集熱器流道優化模擬分析

珠海興業新能源科技有限公司 ■ 馬世歌譚軍毅華南理工大學機械與汽車工程學院 ■ 張賓

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太陽能烤房的平板型
空氣集熱器流道優化模擬分析

珠海興業新能源科技有限公司 ■ 馬世歌*譚軍毅華南理工大學機械與汽車工程學院 ■ 張賓

摘 要：針對太陽能烤房的平板型空氣集熱器出口空氣溫度如何提高的問題，本文對烤房頂部平板型空氣集熱器進行流道模擬分析，通過改變太陽能烤房頂部平板型空氣集熱器內折流板數量、尺寸及外形，進行Fluent模擬計算分析，得出集熱效率較高的集熱器內部設計方案，當太陽能空氣集熱器供熱量不足以供給烤房使用時，空氣源熱泵作為輔助熱源，保證烤房不間斷工作。

關鍵詞：太陽能烤房；CFD模擬；空氣集熱器；折流板；空氣源熱泵

0 引言

當前環境污染和能源危機是制約我國乃至人類社會可持續發展的兩大瓶頸，而推廣可再生能源是解決問題的關鍵之一[1]。太陽能空氣集熱裝置結構簡單可靠，安裝維護方便，無泄漏、堵塞、防凍等問題，因此被廣泛用于輔助供暖、制取生活熱水、農副產品干燥[2]等領域。我國是太陽能資源比較豐富的國家，全國總面積2/3以上的地區年日照時數超過2200 h，年輻射總量超過5×103MJ/m2。全年照射到我國的太陽能是全年的煤、石油、天然氣、柴草等全部常規燃料所提供能量的2000多倍[3]。平板空氣集熱器成本低、承壓高，但熱效率較低，其因結構簡單、價廉和安裝方便而在全世界獲得廣泛應用，在我國南方也占主導地位。平板型集熱器不論是外觀上還是整體上都能同環境協調，易與建筑形成一體，因此更易被人們接受。

目前，需要烘烤所涉及的物品種類繁多、數量巨大，占全國能耗的10%～12%，傳統的燃煤(其他燃料)烘烤能耗大、污染嚴重。若采用太陽能作為烤房主要能源來源，將極大降低烤房對傳統能源的依賴性，從而減少對大氣的污染。

由于太陽能供熱的瞬時性和不穩定性，常需空氣源熱泵做輔助熱源。當空氣源熱泵作為輔助能源運行時，每臺空氣源熱泵的冷凝器冷凝功率是一定的。空氣經過冷凝器的流量與溫升即為冷凝器的冷凝功率，可提高冷凝器側空氣進口溫度。出口溫度恒定時，通過冷凝器的空氣流量就可增大，即整體上可提高空氣源熱泵的利用效率。

本文中的平板型空氣集熱器主要應用于烤房中，且烤房配有空氣源熱泵作為輔助能源。通過平板型空氣集熱器流道優化模擬結果與實驗結果進行對比，并得出性能較好的空氣集熱器方案。

1 太陽能烤房的基本結構與工作原理

太陽能烤房的結構主要有：空氣源熱泵、空氣集熱器及烤房箱體。其基本結構如圖1所示，烤房工作原理如圖2所示。于底板及四周均進行高效絕熱，計算時忽略兩者向外界的散熱損失；2)忽略進出口截面的熱量散失；3)實際采用的折流板為玻璃材質，計算時忽略折流板對吸熱板的遮擋，同時不考慮折流板與底板和四周的輻射換熱；4)假定底板發射的長波輻射不能穿越玻璃蓋板直接與環境進行輻射換熱；5)忽略測量裝置對流場的影響[4]。

3.1 建模及網格劃分

運用Fluent自帶軟件ICEM按實際尺寸對集熱器進行建模并進行網格劃分，如圖3所示。采用結構化網格對流域進行劃分。

當平板型空氣集熱器出口溫度可滿足烤房溫度需要時，無須啟動空氣源熱泵，即圖2中虛線框中空氣循環即可；當平板型空氣集熱器出口溫度不能滿足烤房溫度需要時，空氣源熱泵啟動，平板型空氣集熱器出口空氣進入熱泵冷凝器中，加熱空氣至烤房所需溫度，即圖2中整個循環。

2 平板型太陽能空氣集熱器集熱性能的影響因素分析

平板型太陽能空氣集熱器集熱性能的外部影響因素主要為：空氣流量、太陽輻射、空氣入口溫度等運行參數。集熱器本身的影響因素主要是透明蓋板和吸熱板的情況。目前，國內外多數針對平板型太陽能空氣集熱器所做的相關優化研究均是從以上幾個方面進行的。

除了以上因素外，空氣集熱器內空氣腔的折流板的形狀、尺寸、數量等也對集熱器的效率起到至關重要的作用。本文主要分析空氣集熱器內空氣腔的折流板設計參數對空氣溫升的作用。

3 計算模型

由實際裝置抽象得到的計算模型假定：1)由

圖1　太陽能烤房結構示意圖

圖2　太陽能烤房工作原理圖

3.2 湍流模型、邊界條件及物性參數

集熱器內部流動為近似矩形管道流，在所研究的處理氣量范圍內，由于折流板的存在，流動中伴隨著因強烈分離而帶來的擾動，加之浮力流的影響，判定其內部流動狀態為湍流，后面計算結果也表明按湍流處理與實際測量結果符合較好。湍流模型選取標準k-e模型，此模型本身具有穩定性、經濟性和較高的計算精度。

本文中，主要對2 m×2 m的空氣集熱器進行模擬分析，空氣集熱器主要尺寸為：長2000 mm；寬2000 mm；厚54 mm；折流板長1538 mm、高54 mm；阻流口尺寸長550 mm×寬32 mm；進出口直徑150 mm；玻璃蓋板及藍膜厚度簡化為4 mm；進出口風道高簡化為100 mm。

圖3　各種方案的三視圖

CFD模擬計算主要邊界條件為：進口風速7 m/s；玻璃蓋板比熱容966 J/(kg?K)；進口溫度50 ℃；玻璃導熱系數0.3 W/(m?K)；輻照度700 W/m2；邊框與環境換熱系數2.8 W/(m2?K)；環境溫度26 ℃；背板與環境換熱系數0.023 W/(m2?K)；玻璃與環境換熱系數11.4 (W/m2?K)；風道與環境換熱系數2.8 W/(m2?K)。

4 平板型空氣集熱器性能的CFD理論模擬

4.1 模擬方案

此模擬計算分4種方案，其三視圖如圖3所示。

4.2 4種方案的進出口溫差分析

分別對4種方案進行CFD模擬計算，邊界條件為上文所述，其溫度云圖如圖4所示。

圖4　各種方案模擬計算出的溫度云圖

從圖4可知，方案1、2的進出口溫差不大，約1 ℃，方案不可取；方案3、4的進出口溫差約為6 ℃，但是方案3的局部溫度較高，達到100 ℃，對空氣集熱器的空氣腔有危害作用，大幅降低了空氣集熱器的使用壽命。因此，從溫度方面來講，方案4可行。

4.3 4種方案的進出口速度分析

分別對4種方案進行CFD模擬計算，邊界條件為上文所述。各種方案模擬計算出的速度云圖如圖5所示。

圖5　各種方案模擬計算出的速度云圖

由圖5可知，方案1、2、4的速度湍流區域面積較小，方案3的速度渦流區域面積較大，易造成大量空氣停滯在空氣腔內，使集熱器空氣腔內局部溫度過高，影響集熱器壽命，所以方案3不可行。

5 實驗驗證

在實際試驗中，選擇太陽能輻照度約為700 W/m2、環境溫度約為25 ℃、進口溫度為50 ℃、進口速度控制在7 m/s左右，在某天下午對4個方案中涉及集熱器進行近1 h的試驗，試驗結果如圖6所示。

圖6　各方案實驗結果

由圖6可知，方案4的空氣出口溫度較高，方案1的空氣出口溫度較低，各方案的空氣進出口溫差依次為1、5、13、14 ℃，得到結果基本符合Fluent軟件模擬結果。

6 結論

本文對空氣源熱泵烤房頂部空氣集熱器進行了結構說明及原理分析，并對空氣集熱器建立了4種模型，采用CFD模擬與試驗驗證結合的方法，得出以下結論：

1)空氣源熱泵烤房頂部布置空氣集熱器，使得空氣源熱泵與空氣集熱器得到完美耦合，既充分利用了可再生能源，增加能源利用率，又可有效降低空氣源熱泵的運行費用。

2)空氣集熱器的4種方案模擬結果，從溫度和速度兩方面考慮，對4種方案進行分析對比，方案4使空氣得到大的溫升范圍，渦流區域面積不大，局部最高溫度不大于70℃，因此方案4可行。即空氣集熱器內空氣流向應成S型分布，此種方法既可增大空氣溫升，還可降低空氣湍流區域面積。

3)方案4空氣集熱器空氣出口溫度約為65 ℃，可滿足烤房需要。即當太陽輻照在700 W/m2時，無需啟動空氣源熱泵；當太陽能輻照度較低時，如夜晚，需要啟動空氣源熱泵給烤房提供滿足所需空氣。

參考文獻

[1] 艾寧, 樊建華, 計建炳. CFD-PIV流場分析技術應用于太陽熱水系統的研究進展[J].化工進展, 2007, 26(4): 513－518.

[2] 張東峰, 陳曉峰. 高效太陽能空氣集熱器的研究[J]. 太陽能學報, 2009, 30(1): 61－63.

[3] 李立賢. 我國的太陽能資源[J]. 資源科學, 1977, (1): 69－71, 75－79．

[4] 胡建軍, 孫喜山, 徐進良．折流板型太陽能空氣集熱器數值優化[J]．燕山大學報, 2011, 35(5): 417－422.

基金項目：國家125科技支撐項目(2012BAA10B02)；珠海市戰略性新興產業(不含新能源汽車)項目(2012D1801990049)通信作者：馬世歌(1988—)，女，研發工程師，主要從事太陽能光熱利用方面的研究。mashige88@126.com

收稿日期：2014-11-17