西部綠色建筑國家重點實驗室，建筑設備科學與工程學院，西安建筑科技大學      任育超   王登甲   鄧林新   劉艷峰

［摘   要］平板型太陽能集熱器集熱效率除了與內部結構參數、運行參數等因素有關外，還受集熱器外形尺寸大小的影響。本文建立了相同集熱面積條件下單一大尺寸平板集熱器、并聯常規平板集熱器的三維物理模型，模擬分析了入口溫度、入口流量等參數對兩類集熱系統集熱效率、集熱量、熱損失的影響關系。發現：（1）相同集熱面積條件下，相比并聯常規平板集熱器形式，大尺寸平板集熱器集熱效率增加，約增加4%；（2）隨著平板集熱器面積增大，其熱損失所占比例增大，集熱效率有所降低。該結論可為大尺寸平板集熱器生產、加工及應用提供一定的理論依據。

［關鍵詞］平板集熱器；尺寸規模；集熱效率；數值模擬

0   引言

       太陽能集熱器是組成各種太陽能熱利用系統的關鍵部件。平板式太陽能集熱器具有集熱面積大，承壓性好，與建筑結合性強等優點。隨著太陽能熱利用技術的發展，開發適合不同溫度需求、運用場所的集熱器，個性化設計集熱器將是未來發展的新方向^[1]。其中，將平板太陽能集熱器運用于太陽能采暖系統將是一個發展趨勢。

       近幾十年來，國內外學者就平板太陽能集熱器的內部結構參數做了大量優化研究，在提高集熱器的集熱效率、集熱量，降低熱損失系數等方面取得了顯著成果。高騰^[2]在平板集熱器理論計算模型的基礎上利用Visual Basic 6.0軟件編制了計算程序，結合平板太陽能集熱器的實際運行工況可模擬計算集熱器的翅片效率、效率因子、熱遷移因子和熱效率等性能指標，并通過實驗驗證了理論計算模型和模擬程序的正確性。劉亞珂^[3]針對平板太陽能集熱器空氣夾層的自然對流問題做了CFD模擬研究，針對封閉空腔的自然對流換熱問題做了分析，為減小平板集熱器的熱損失提供了理論依據。天津大學高留花[4]研究了不同空氣夾層厚度下平板集熱器的熱性能，當夾層厚度從20mm增加到30mm時，集熱效率呈現下降趨勢；當夾層厚度從40mm增加到60mm時，集熱效率呈現上升趨勢。Fahim Ullah^[5]采用Fluent軟件對具有單層和雙層玻璃蓋板的平板集熱器進行了研究，結果表明在環境溫度較低時雙層玻璃蓋板的平板集熱器具有更高的集熱效率。Selmi M^[6]通過CFD軟件對平板集熱器的單管模型進行了數值模擬，在悶曬工況和循環工況下對比分析了集熱器的溫度分布情況，研究結果經過了實驗驗證。

       隨著太陽能熱利用技術的發展，研究開發適合不同領域、多功能的集熱器成為一個熱點方向。季杰^[7]等提出了一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統，該系統可實現被動采暖和集熱水兩種工作模式。東南大學彭冬華^[8]設計了一種相變儲能平板集熱器，以泡沫金屬為骨架在集熱器中加入相變材料達到儲能的效果，通過理論分析和模擬研究能夠克服太陽能間斷不連續帶來的集熱量不足等問題。并通過搭建實驗臺進行測試研究驗證了理論分析的正確性。C.Tiffs^[9]等對吸熱板結構提出創新，以成本下降與集熱效率減少的比值為指標研究了矩形、三角形結構吸熱板，結果表明局部有階躍變化的平直矩形吸熱板表現出最好的熱性能。Ziqian Chen^[10]對Arcon-sunmark的兩種大尺寸平板太陽能集熱器進行了實驗測試和模擬研究，得出了流量對集熱效率的影響公式。Dawit Gudeta Gunjo^[11]建立了具有單排管和吸熱板的平板太陽能集熱器CFD穩態模型，研究結果表明開式集熱系統比閉式集熱系統的水溫變化更高。

       大量研究表明，采用CFD軟件模擬研究平板太陽能集熱器的熱性能是一個有效的方法，可以避免實驗研究所需嚴苛的環境條件和綿長的時間周期。因此，本文通過Fluent軟件研究了入口溫度、入口流量對單一大尺寸平板太陽能集熱器熱性能的影響，并和并聯常規平板集熱器進行對比分析。本研究豐富了大尺寸平板太陽能集熱器的理論研究，為平板太陽能集熱器的設計生產和工程應用提供參考。

       1   大尺寸平板集熱器模型建立

       1.1   物理模型

       對現有平板太陽能集熱器結構參數進行調研，按照模塊數增大平板集熱器的外形尺寸。在此基礎上建立了單一大尺寸平板集熱器、并聯常規平板集熱器模型，如圖1和圖2所示。通過調研發現目前應用的工程平板太陽能集熱器的長為2m，寬為1m，本文所建立的單一大尺寸平板集熱器外形尺寸有2×2m、2×3m、2×4m、2×5m。兩類集熱器的管道均為0.5mm厚的銅管，集管和排管內徑分別為25mm和10mm，管間距為120mm，吸熱板采用厚度為0.4mm的鋁板，集熱器的底部和側面有40mm和20mm的聚氨酯保溫。

圖1   單一大尺寸平板集熱器示意圖	圖2   并聯常規平板集熱器示意圖

       1.2   模擬設置

       本文模擬的平板太陽能集熱器的集熱管材料為銅，吸熱板材料為鋁，保溫材料為聚氨酯，管內工質為水，采用單層玻璃蓋板。所用材料的物性參數見表1。在模擬過程中采用以下假設：

     （1）采用boussinesq假設，集熱器空氣夾層內空氣的物性參數除密度隨溫度變化外，其它物性認為恒定不變。其它材料的物性參數不隨溫度而變化。

     （2）水為不可壓縮流體。

     （3）集熱器和環境的對流傳熱系數由風速引起。

表1   材料物性參數表

       考慮玻璃蓋板和環境的對流和輻射傳熱，玻璃蓋板采用混合邊界條件，邊框和背面僅考慮與環境的對流傳熱，因此采用第三類邊界條件，吸熱板和管道均為流固耦合邊界條件。壁面與環境的對流傳熱系數可用下式計算[6]：

  

       集熱器入口采用速度入口邊界條件，出口采用自由出流邊界條件。管道近壁處采用無滑移邊界條件，即貼近壁面處流體：u=v=w=0。壓力和速度的耦合選擇SIMPLE算法，采用二級迎風格式求解動量、能量的離散方程。由于集熱器內部壁面之間有較大溫差，壁面之間的輻射換熱不可忽略，采用Discrete Ordinates 輻射模型進行計算，太陽輻射的加載使用Solar Ray Tracing模型。在集熱器運行過程中設置環境溫度為20℃，太陽輻射為800W/m²，風速為3m/s。

       1.3   參數定義

       平板式太陽能集熱器在穩態條件下運行時，集熱器吸收的有用能為管內水吸收的熱量：

       單位時間照射到集熱器表面的太陽輻射用下式計算：

       集熱器的瞬時效率η定義為單位時間內工質吸收的有用能和單位時間內照射在集熱器表面的太陽輻射之比。可用下式表示：

       集熱器的瞬時效率受環境溫度、入口溫度和太陽輻射等輸入參數的影響較大。以入口溫度為基準計算的集熱器瞬時效率如下：

       截距η₀表示在歸一化溫差((T_i -T_a)/I)為零時的集熱器的集熱效率，斜率α₀表示集熱器的熱損失系數。

       1.4   模型驗證

       為了檢驗所建立計算模型的準確性，本文建立了與文獻[10]中相同的物理模型，使用以上數值模型模擬得出大尺寸平板太陽能集熱器的瞬時效率曲線，將模擬計算結果和文獻[10]中實驗結果進行對比，對比結果如圖3所示。本文中的模擬結果和文獻實驗結果的相對誤差可由下式計算：

       式中：η為集熱器瞬時效率模擬值，η′為文獻[10]中實驗測試的集熱器效率。通過式（6）計算兩者的相對誤差在5%以內，說明文本中的模擬結果與文獻[10]中實驗結果的吻合度較高，表明本文所建立的計算模型是正確的，可以用于平板式太陽能集熱器的數值模擬研究。

圖3   瞬時效率曲線模擬結果與實驗結果對比

       2   結果與分析

       2.1   集熱器尺寸對熱效率的影響

       平板集熱器穩態條件下的集熱量可以由集熱器的質量流量和進出口溫差計算求出，集熱器在規定時間內的集熱效率可由式（4）計算出。在實際運行中集熱器的熱性能隨著氣象條件的變化而改變，在分析過程中可以將離散的數據進行線性擬合。用瞬時效率方程來估算集熱器的集熱效率、熱損失系數是一個很好的近似表示方法。

       選擇不同的入口溫度（10℃、20℃、30℃、40℃、50℃）模擬計算出集熱器的瞬時效率，將各個瞬時效率點線性擬合得到不同尺寸集熱器的瞬時效率曲線如圖4所示。由圖4可知，不同工況下單一大尺寸平板集熱器的效率都比并聯集熱器的效率高。當集熱器尺寸為2×2 m時截距效率增加最大為4.1%，當集熱器尺寸從2×2m增加到2×5m時截距效率增加在1.19%~3.09%之間。

圖4   不同尺寸集熱器的瞬時效率曲線

       2.2   入口溫度對熱效率的影響

       平板太陽能集熱器的瞬時效率和熱損失隨入口水溫變化如圖5所示（太陽輻射800W/m²，環境溫度為20℃時）。由圖5可知，集熱器的瞬時效率隨著入口水溫的升高而降低，這主要因為隨著入口水溫升高集熱管和水的對流換熱系數降低，換熱削弱，吸熱板的溫度升高，這導致集熱器向環境的散熱量增加，從而導致集熱效率降低。此外，當集熱器尺寸增加到2×2m時，大尺寸集熱器的熱損失小于并聯形式，當集熱器尺寸大于2×2m時，大尺寸集熱器的熱損失大于并聯形式。這是由于集熱器尺寸增大后邊框所占體積比減小，通過邊框的的熱損失減小，在相同的輻射條件下大尺寸集熱器的吸熱板溫度比并聯形式高1~2℃，從而導致通過玻璃蓋板的對流和輻射熱損失增加，進而導致大尺寸集熱器總的熱損失大于并聯形式。

圖5   瞬時效率和熱損失隨入口溫度的變化

       圖6和圖7顯示了不同尺寸集熱器的集熱量和熱損失隨入口溫度的變化。如圖所示，隨著入口溫度升高，不同集熱器的集熱量均逐漸下降，熱損失逐漸升高，而且尺寸越大變化趨勢越明顯。這是由于通過玻璃蓋板的散熱量占集熱器熱損失的主要部分，當集熱器的尺寸增大時，吸熱板通過玻璃蓋板向環境散熱的比例增大，不能有效的將吸熱板吸收的太陽輻射轉化為有用能。

圖6   集熱量隨入口溫度的變化	圖7   熱損失隨入口溫度的變化

       2.3   入口流量對熱效率的影響

       圖8和圖9顯了入口流量對大尺寸集熱器瞬時效率和出口溫度的影響。如圖所示，隨著入口流量增大集熱器的瞬時效率升高，出口溫度降低；當流量增大到一定值后瞬時效率對流量的變化不再敏感。這是因為當流量增大，集熱器管道中水的流速變大，管內工質和管道的對流傳熱系數增大，當流量增大到一定程度后，管內工質的流速不再是影響對流傳熱強弱的主要因素。

圖8   瞬時效率隨入口流量變化	圖9   出口溫度隨入口流量的變化

       在相同流量下，集熱器尺寸增大出口水溫升高，集熱器的瞬時效率降低。這是因為集熱器的尺寸增大后，水在管道中流過的路徑變長，能夠獲得更多的熱量，因此，出口水溫和水的平均溫度升高。同時，水的平均溫度升高導致集熱器中熱損失所占的比例增加而導致瞬時效率降低。

       3   結論

       本文建立了相同集熱面積條件下的單一大尺寸平板集熱器、并聯常規平板集熱器的三維物理模型。模擬得出了不同尺寸集熱器的瞬時效率曲線，分析了入口溫度、入口流量對不同尺寸集熱器集熱效率、集熱量和熱損失的影響。得出以下結論：

     （1）相同集熱面積條件下，相比并聯常規平板集熱器形式，單一大尺寸平板集熱器的集熱效率增加，約增加4%；

     （2） 隨著平板集熱器面積增大，其熱損失所占比例增大，集熱效率有所降低。

參考文獻

       [1] 黃俊鵬, 陳講運, 徐尤錦. 平板太陽能集熱器技術發展趨勢[J].建設科技, 2017(4):40–47.

       [2] 高騰. 平板太陽能集熱器的傳熱分析及設計優化.天津大學，2012.

       [3] 劉亞珂. 平板型太陽能集熱器空氣夾層對流換熱數值模擬與實測分析.西安建筑科技大學, 2011.

       [4] 高留花. 平板太陽能集熱器內部溫度場和流場分布特性的研究.天津大學，2012.

       [5] Fahim Ullah et al. Numerical Simulation on Thermal Performance of Flat Plate Solar Collector with Double Glass Covers. Journal of Applied Sciences, 2017,17(10): 502–510.

       [6] Mohamed Selmi, Mohammed J. et al. Validation of CFD simulation for flat plate solar energy collector. Renewable Energy 33(2008) 383–387.

       [7] 季杰, 羅成龍, 等.一種新型的與建筑一體化太陽能雙效集熱器系統的實驗研究.太陽能學報，2011,32(2):149–153.

       [8] 彭冬華.高效儲能型太陽能平板集熱器相變傳熱的研究.東南大學,2009.

       [9] Tiffs C, Tiffs M, Ture IE. Effects of fin design on collector efficiency[J]. Energy, 1995,20(10):1021–1026.

       [10] Ziqian Chen, Simon Furbo et al., 2012. Efficiencies of flat plate solar collectors at different flow rates. Energy Procedia, 30(2012):65–72.

       [11] Dawit Gudeta Gunjo et al., 2017, CFD and experimental investigation of flat plate solar water heating system under steady state condition. Renewable Energy, 106 (2017):24–36.

       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年5月刊總第21期。
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