太陽能熱水器D形水箱溫度場的模擬及驗證

山東華宇工學院山東省潔凈空調工程技術研發中心 ■ 孔德霞 趙玉磊

0 引言

按結構不同，我國的太陽能熱水器可分為分體式和整體式2種。分體式太陽能熱水器主要安裝在用戶的南面陽臺上，所以也被稱為陽臺分體式太陽能熱水器，其可有效解決高層用戶在使用太陽能熱水器產品時樓頂沒有安裝場所的問題；但分體式太陽能熱水器的結構復雜、價格偏高、效率偏低。整體式太陽能熱水器的加熱部件(真空管、平板)和儲熱水箱固定在一起，具有安裝方便、價格低、儲水量大的優點。其中，真空管太陽能熱水器(見圖1)因具有升溫快、降溫慢的特點，得到了廣大用戶的認可，尤其是在長江以北地區，其市場份額更大。

現在市場上的真空管太陽能熱水器及平板太陽能熱水器的儲水水箱大多為圓形水箱，該種水箱的結構簡單，便于生產加工。但也有廠家設計了新型的D形水箱結構，其產品外觀如圖2所示。本文利用Phoenics軟件對真空管太陽能熱水器的D形水箱和傳統圓形水箱內的溫度場進行了模擬，并對2種水箱進行了測試。

圖1 真空管太陽能熱水器(圓形水箱)的外觀圖

圖2 真空管太陽能熱水器(D形水箱)的外觀圖

1 利用Phoenics軟件模擬

Phoenics是世界上第一套計算流體與傳熱學的商業軟件，筆者利用此軟件對真空管太陽能熱水器的2種水箱結構的傳熱效果進行了模擬。

1.1 物理模型

圖3為D形水箱的結構圖，圖4為傳統圓形水箱的結構圖。

圖3 D形水箱結構圖

圖4 傳統圓形水箱結構圖

真空管太陽能熱水器的加熱原理是利用流體溫差引起的其自身密度變化形成自然對流循環，從而進行換熱。本文以空氣代替水來進行熱流場模擬。模擬條件中，時間步長取10 s，網格分布為204×194。2種水箱的絕熱材料均為酚醛泡沫(Phenolic foam)；模擬的外界環境溫度為20 ℃，真空管出口處熱水溫度恒定為80 ℃。針對水箱內自然循環有旋渦回流的特點，選用KE湍流模形試算，經調試，收斂情況較好。計算10 min內2種水箱的溫度分布，具體分布云圖如圖5、圖6所示。

圖5 D形水箱的溫度分布云圖

圖6 傳統圓形水箱的溫度分布云圖

1.2 模擬結果分析

從圖5、圖6可以看出2種水箱內溫度場各時刻的變化。圖5中，D形水箱的熱水沿內筒上升時，在內筒D形平面內壁面上產生了1個逆時針的漩渦，隨著流體溫度的升高，漩渦不斷被強化，且沿內筒面向中心方向蔓延，上升的熱水離開內筒面向中心流動，加速了熱水與中心溫度較低的水的混合與換熱。圖6中，傳統圓形水箱的熱水沿內筒面順時針向上流動，并向內筒中心處導熱和擴散；高溫區先出現在內筒面，這是因為內筒與外界溫差較大，所以在相同的保溫條件下，散失的熱量也較多。

通過對水箱結構進行調整，產生了2個積極的效果：1)水箱中的水混合的更快；2)降低了水箱與外界換熱的溫差，在相同的保溫條件下，減少了對外散失的熱量。

從圖5、圖6中指針所示溫度可以看出，D形水箱中的溫度要比傳統圓形水箱的高。圖中所示平均溫度為水箱內和水箱外整個計算域的平均溫度。

2 試驗驗證

2.1 試驗對象

為了驗證Phoenics軟件的模擬結果，選擇2臺分別帶有D形水箱和傳統圓形水箱的真空管太陽能熱水器進行對比試驗，具體規格參數如表1所示。

表1 規格參數

2.2 系統日有用得熱量試驗

日有用得熱量是判斷家用太陽能熱水器熱性能好壞的重要參數之一[1]。本試驗根據《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》[2]對太陽能熱水器日有用得熱量進行測試，具體試驗參數如表2所示。測試時間段為08:00～16:00，系統工作時間為8 h，為太陽正午時的前后4 h。

表2 太陽能熱水器日有用得熱量試驗參數表

根據表1、表2的數據，以及文獻[3]中給出的單位面積日有用得熱量的計算公式，可以得出：采用D形水箱的太陽能熱水器的日有用得熱量為9.28 MJ/m2，采用傳統圓形水箱的太陽能熱水器的日有用得熱量為8.65 MJ/m2，二者相差0.63 MJ/m2，前者比后者提高了7.3%。與國家標準要求的系統日有用得熱量7.7 MJ/m2[4]相比，采用D形水箱的太陽能熱水器的日有用得熱量提高了20.5%。

2.3 太陽能熱水器平均熱損因數試驗

根據《家用太陽熱水系統熱性能試驗方法》[2]對太陽能熱水器平均熱損因數進行測試。測試時間段為20:00～次日04:00，水箱降溫8 h；測試時的環境初始溫度為31.6 ℃，終止溫度為25.3℃，風速為1.0 m/s。具體的試驗參數如表3所示。

表3 太陽能熱水器平均熱損因數試驗參數表

根據表3中的數據和文獻[3]給出的平均熱損因數公式，可以得出：采用D形水箱的太陽能熱水器的平均熱損因數為8.98 W/(m3·K)，采用傳統圓形水箱的太陽能熱水器的平均熱損因數為 9.58 W/(m3·K)，二者相差 0.6 W/(m3·K)，前者比后者降低了6.3%。與國家標準要求的系統平均熱損因數16 W/(m3·K)[4]相比，采用D形水箱的太陽能熱水器的平均熱損因數降低了43.9%。

通過試驗發現，采用D形水箱的太陽能熱水器與采用傳統圓形水箱的太陽能熱水器相比，熱性能指標有明顯提升。這與利用Phenics軟件模擬分析的結果相吻合。

3 結論

本文對采用D形水箱的太陽能熱水器和采用傳統圓形水箱的太陽能熱水器的傳熱效果進行了模擬，并對2種水箱的熱性能指標進行了測試。從模擬結果和實際測試可以看到，與采用傳統圓形水箱的太陽能熱水器相比，采用D形水箱的太陽能熱水器的日有用得熱量提高了7.3%，平均熱損因數降低了6.3%，熱性能指標有明顯提升。D形水箱改變了傳統太陽能熱水器水箱的圓形外觀，不僅提升了傳熱效果，還增加了視覺效果，可以與建筑物的斜屋頂進行更好的結合；并且方便布置光伏組件，增加了其附加功能。