冲缝式太阳能热风采暖系统热性能研究

冲缝式太阳能热风采暖系统热性能研究

0在集热器结构上的应用太阳能热水采暖系统利用空气集热器收集热量，将热量直接输送给所需房间或蓄热装置，然后分发给其他房间。结构简单，系统启动快，工作量大，与建筑结合良好。同时,该系统不存在冷冻、腐蚀、泄露等问题,因此,相对于太阳能热水采暖系统来说,该系统具有一定优势,但热效率相对较低。目前,国内外学者已对如何提高空气集热器的热性能作了大量研究[1~4],其中,渗透型空气集热器引用冲击射流,大大提高了对流传热系数和热效率,成为研究的焦点。C.F.Kutscher等进行了理论研究,总结了三角形排列的圆孔式集热器的经验模型。S.J.Arulanandam等利用CFD模拟,总结了在无风条件下,正方形排列的圆孔式集热器的传热经验公式。G.W.E.VanDecker等研究了在不同迎面风速和室外风速下,三角形或正方形排列的圆孔式集热器的热效率,扩大了Kutscher理论的应用范围。LeonM.Augustus等研究了在一系列设计和实际工作条件下,无盖板孔洞式空气集热器热效率的理论模型。但无盖板集热器直接将室外新风加热送入室内,有时无法满足住宅建筑的采暖要求,另外,圆孔式集热器往往存在空气流动阻力大等问题,因此本文提出一种新型的真空玻璃盖板式冲缝型集热器,将吸热板设置成冲缝型,从而在不影响集热面积的同时,增大吸热板与空气间的对流传热系数,提高了集热器的热性能。在此基础上,本文建立了由该集热器和卵石蓄热器构成的太阳能热风采暖系统和建筑传热模型,并经过实验验证,进而以1月份平均太阳能保证率为目标函数,研究集热器内吸热板结构参数和物性参数、集热器面积和蓄热器体积对太阳能热风采暖系统热性能的影响。1数学模型1.1a节点能量平衡方程该空气集热器由真空玻璃盖板、冲缝型吸热板和外壳(包含背板)构成,如图1所示。在保证准确度和精度的前提下,为方便求解,对集热器进行如下假设:1)传热过程是(准)稳态的;2)忽略集热器沿Y方向及盖板外玻璃、内玻璃和吸热板沿Z方向的热传递;3)忽略集热器背部和侧面传热;4)空气与盖板内表面、吸热板内表面以及背板间的对流传热系数采用对应空间内的平均风速;5)穿过吸热板后的空气与空间内原有空气之间可达到迅速混合。在此基础上根据热平衡法建立集热器内部的控制方程组,并将集热器沿X方向分成i=0,1,2,…等n个控制体,对控制方程离散化。对于盖板外玻璃,i节点能量平衡方程为:对于盖板内玻璃,i节点能量平衡方程:对于吸热板,i节点能量平衡方程为:对于保温背板,i节点能量平衡方程为:对于内玻璃与吸热板间空气流道1,i节点能量平衡方程为:对于吸热板与保温背板间空气流道2,i节点能量平衡方程为:式(1)~式(6)中,αg1,αg2———盖板外玻璃和内玻璃的吸收率;Ic———太阳辐射强度,W/m2;Ta,Tg1,Tg2———环境、盖板外玻璃和内玻璃温度,K;qrad———盖板外玻璃与外界环境之间的辐射换热量,W/m2;h1———外玻璃与外界环境之间的对流换热系数,W/(m2·K);λg1,λg2———盖板外玻璃和内玻璃的导热系数,W/(m·K);δg1,δg2———盖板外玻璃和内玻璃的厚度,m;τg1———盖板外玻璃的透过率;h8———盖板外玻璃与内玻璃之间的辐射换热系数,W/(m2·K);h3———内玻璃与吸热板之间的辐射换热系数,见式(7),W/(m2·K);h2———内玻璃与流道1内空气之间的对流换热系数,W/(m2·K);Tf1,Tf2———流道1和流道2内空气温度,K;τg———盖板总的透过率,,其中,τg2为内玻璃的透过率,ρg1,ρg2分别为外玻璃和内玻璃的反射率;Tp,Tb———吸热板和背板温度,K;α———吸热板的吸收率;h6———吸热板与保温背板之间的辐射换热系数,W/(m2·K);h4———吸热板与流道1内空气之间的对流换热系数,见式(8),W/(m2·K);sinθ———集热器高度与吸热板高度之比;h5———吸热板与流道2内空气之间的对流换热系数,W/(m2·K);λ,λp,λb———空气、吸热板和背板的导热系数,W/(m·K);δp,δb———吸热板和背板厚度,m;h7———保温背板与流道2内空气之间的对流换热系数,W/(m2·K);Qf1,Qf2———流道1和流道2内空气流量,m3/h;ρ———密度,kg/m3;cp———比热容,J/(kg·K);Qz———集热器内空气总流量,m3/h;nj———总节点数量;W———集热器的宽度,m;d1———盖板与吸热板间空气间层厚度,m;d2———吸热板与背板间空气间层厚度,m。式中,σb———斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2·K4);εp1,εg2———吸热板外表面发射率和内玻璃内表面发射率;Nu4———努谢尔数;D———冲缝当量直径,m;Re4———雷诺数;σ———开孔率;vf2———吸热板与背板间空气截面速度,m/s;vapp———吸热板的迎面风速,m/s;P———平均冲缝间距,m;vhole———冲缝内的风速,m/s;ν———空气的运动系数。上述几个方程联立构成了控制方程组,对应的边界条件为:1.2温度和压力值如图2所示,蓄热器由蓄热材料(卵石)、外壳、下风口和上风口等构成。本文采用Huges总结出的离散方程组来分析卵石蓄热器的情况,具体表达式参见文献。采用陈友明等提出的频域回归方法计算围护结构反应系数,进而建立建筑整体的数学模型,其中建筑围护结构表面的热平衡关系式可参考文献。n时刻,室内空气的热平衡方程式:式中,hi,c———第i围护结构内表面与室内空气之间的对流换热系数,W/(m2·K);Aw,i———第i围护结构内表面面积,m2;Ti,i(n)———n时刻,第i围护结构内表面温度,K;Tr(n)———n时刻,室内空气温度,K;Tr(n-1)———n-1时刻,室内空气温度,K;HGl(n)———n时刻照明得热量,W;HGbs(n)———n时刻人体显热得热量,W;Cl,Cb,Ca———照明、人体和设备显热等得热量中对流部分所占百分比;HGas(n)———n时刻设备显热得热量,W;La(n)———n时刻空气渗透量,m3/s;qrf(n),qfz(n)———n时刻热风采暖系统和辅助能源提供的热量,W;V———房间的体积,m3;Δτ———时间间隔,h。热风采暖系统及建筑的数学模型建立后,求解步骤如下:1)输入气象参数,建筑、集热器和蓄热器结构参数、进口参数和初始参数;2)假设集热器盖板外玻璃、内玻璃、吸热板和背板温度以及蓄热器内卵石温度和围护结构各表面温度;3)计算反应系数和传热系数;4)根据建立起的控制方程组,迭代求解,对比变量的计算值与假定值,若两者的差值不在误差范围内,则以该变量的计算值作为下一轮计算的假设值继续迭代求解,最终计算得到n时刻各围护结构表面温度、室内空气温度、蓄热器内卵石温度、集热器和蓄热器空气出口温度以及n+1时刻集热器和蓄热器空气进口温度。2学习方法2.1蓄热装置设计在天津大学内搭建实验房。集热器附于实验房南墙上,透明盖板采用真空玻璃,传热系数为2.7W/(m2·K);吸热板材料选用1mm厚的钢板,600mm(宽)×1500mm(高),外表面上覆盖吸收性涂层,吸收率α=0.96,外表面发射率εp1=0.78,内表面发射率εp2=0.86,吸热板上开设24行5列冲缝,80mm(长)×1mm(宽);外壳选用保温性能好的无机玻璃钢材料。蓄热装置设置于实验房附近,由普通钢板制作而成,周围用橡塑绝热材料保温,有效利用空间为0.06m3,横截面积为0.03m2,空气穿过蓄热器的总长度为2m,卵石平均粒径为6cm。实验房尺寸为1.6m(长)×0.8m(宽)×1.8m(高),东向墙体面积为2.88m2,南向和北向墙体面积为1.44m2,西向墙体上有一个窗和门,窗由双层中空玻璃构成,传热系数为2.94W/(m2·K);门的材料和其他围护结构相同,由彩钢板构成,传热系数为0.529W/(m2·K)。采用TRT-2总辐射表记录辐射强度(测量范围:0~2000W/m2,灵敏度:10.119×10-6V/(W·m-2)),输出电缆与Fluke相连接,可实现自动记录;采用T型热电偶测量温度(热电偶已经国家二等标准玻璃水银温度计和恒温水浴校核),其中,蓄热器的温度测点如图1所示;采用ZRQF系列智能风速计(测量范围:0.05~30m/s,精度:±3%)和KANOMAXKA22热线风速仪(测量范围:VL0~4.99m/s,精度:±2%FS)测量风管和室外风速。另外,受实验条件所限,集热器模型的验证实验和蓄热器与实验房模型的验证实验分别进行。2.1.1空气出口温度选取9月份天气晴好的某日进行实验,图3描述了该日环境温度、室外风速、空气进口温度和辐射强度的实测值以及空气出口温度的模拟值和实测值,其中,送风量保持不变,120m3/h。由图3可看出,随着太阳辐射强度增大和环境温度、空气进口温度升高,集热器空气出口温度也迅速升高,下午14∶00,模拟值达到最大,为302.32K,而实验值在14∶20达到最大,为302.10K。采用平均偏差指标对比空气出口温度的模拟值和实验值,其中,平均偏差σabs可用式(11)表示。式中,Tout,s,Tout,m———空气出口温度的模拟值和实验值,K;n———测点数量。计算得到,平均偏差为1.08K,误差主要是因测试是在动态的环境条件下进行的导致集热器内部状态会出现延迟,另外,也有实验仪器本身和人为误差,也可导致这一结果的出现,但总体来说,两者吻合较好。2.1.2蓄热器操作温度与空气温度的关系当蓄热器为房间提供热量时,室内空气从蓄热器下风口进入,被卵石加热后,从上风口流出。图4显示了不同时刻下,环境温度和室外风速变化。模拟和实测得到的蓄热器送风温度和室内温度值如图5所示。其中,在模拟过程中,忽略室内热源的作用;测量得到的室内空气初始温度为306.09K;风量保持为40m3/h。由图5可看出,随着环境温度降低,蓄热器送风温度和室内空气温度均降低,说明蓄热器不能为房间提供足够多的热量,其主要原因是蓄热器容量不够和建筑材料的热容量较小。然而,蓄热器的作用不容忽视,对比室内空气温度与环境温度,在17∶11,两者之差为8.0K,到22∶11,室内空气温度仍比环境温度高5.9K。根据式(11)计算得到,蓄热器送风温度和室内空气温度的模拟值与实测值之间的平均偏差σabs分别为0.73、0.90K。模拟值和实测值吻合较好,理论模型可作为进一步研究的基础。2.2模拟分析2.2.1辅助热源的设置图6为太阳能热风采暖系统的工作原理图。其控制策略:当太阳辐射强度较大,集热器空气出口温度与进口温度之差大于设定值时,集热器为房间供暖,此时,阀门1、阀门2、阀门5和阀门6开启,风机1开启,风机2关闭;若集热器提供的热量不足以满足房间热负荷,则开启辅助热源,对集热器出口空气进行再加热;若集热器提供的热量大于房间热负荷且空气出口温度大于卵石床内部平均温度,则阀门3开启,将剩余热风从上而下引入蓄热器蓄热;若集热器提供的热量大于房间热负荷但空气出口温度小于卵石床内部平均温度,则阀门4开启,将剩余热风直接回流入集热器。当太阳辐射强度较小,集热器空气出口温度与进口温度之差小于设定值时,集热器停止为房间供暖,阀门1和阀门5关闭,风机1关闭;若蓄热器内卵石平均温度与室内空气温度之差大于设定值,则阀门3和风机2开启,室内空气反向流入蓄热器,被加热后送入室内,其中,若蓄热器提供的热量不足以满足房间热负荷,开启辅助热源;若蓄热器内卵石平均温度与室内空气温度之差小于设定值,则单独由辅助热源向房间供暖。2.2.2气调与太阳能热模拟本文采用太阳能保证率来评价太阳能热风采暖系统的热性能。太阳能保证率指太阳能采暖系统为建筑提供的能量与建筑热负荷的比值,如式(12)所示。太阳能保证率越大,太阳能采暖系统的热性能越好。式中,f(n)———n时刻的太阳能保证率。由于太阳能保证率随气象条件的变化而变化,本文选取典型的1月份平均太阳能保证率为目标函数,来分析在保持其他参数不变时,某一参数变化对太阳能热风采暖系统热性能的影响。气象资料来自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》,为消除假定初始温度带来的误差,本文提前1个月进行模拟,其中,基础数据:模拟建筑位于天津市,建筑尺寸为6m×3m×3m,建材为钢筋混凝土外加苯板;钢筋混凝土导热系数为1.74W/(m·K),密度为2500kg/m3,苯板导热系数为0.042W/(m·K),密度为30kg/m3;南窗洞口尺寸为0.9m(宽)×1.2m(高),传热系数为2.5W/(m2·K);北门尺寸为0.9m(宽)×1.8m(高),传热系数为2.5W/(m2·K);房间换气次数为0.5次/时;集热器贴附于南墙,面积为10.8m2,吸热板发射率为0.38,平均冲缝间距为0.08m,冲缝当量直径为0.01m,空气流量为450m3/h;蓄热器体积为2m3;室内空气温度为291.15K。1发射率对太阳能保证率的影响保持其他因素不变,吸热板发射率从0.18变化到0.78对1月份平均太阳能保证率的影响如图7所示。由图7可看出,随着发射率增大,1月份平均太阳能保证率逐渐减小。这是由于发射率的增长,会导致吸热板对真空盖板的辐射换热增强,吸热板温度降低,与空气之间的势差减小,对流换热减弱;与此同时,盖板温度升高,导致集热器的对外热损失增强,集热器所能提供的热量减少。因此,吸热板发射率越大,太阳能热风采暖系统的热性能越差。2冲缝减量直径对集热器太阳能保证率的影响保持其他因素不变,当冲缝当量直径从6mm变化到20mm对1月份平均太阳能保证率的影响如图8所示。由图8可得出,随着冲缝当量直径增大,集热器内部冲击射流作用减弱,Nu数减小,即吸热板与空气间对流换热系数减小,集热器的空气出口温度降低,集热器所能提供的热量减少,1月份平均太阳能保证率随之降低,从47.0%降低到46.5%。因此,冲缝当量直径越大,太阳能热风采暖系统的热性能越差。3冲缝间距的影响保持其他因素不变,当平均冲缝间距从0.04m变化到0.20m对1月份平均太阳能保证率的影响如图9所示。由图9可看出,1月份平均太阳能保证率随平均冲缝间距增大先减小后增大。平均冲缝间距增大,会导致等同面积吸热板的开孔率降低穿过单个冲缝的空气流量增加,即冲缝内的风速增大。根据式(8),这三者的相互作用制约了集热器内部冲击射流作用的强弱。因此,当平均冲缝间距从0.04m增加到0.07m时,冲击射流作用减弱,集热器所能提供的热量减少,1月份平均太阳能保证率从47.5%降低到46.7%;当平均冲缝间距从0.08m增加到0.20m时,湍流度增大,空气与吸热板之间的对流换热系数增强,集热器所能提供的热量增大,1月份平均太阳能保证率升高。总体来看,适宜的平均冲缝间距取值范围为P≥0.08m。4证率的影响保持其他因素不变,当集热器面积从5.4m2变化到16.2m2对1月份平均太阳能保证率的影响如图10所示。如图10所示,集热器面积越大,1月份平均太阳能保证率越大,从26.8%增大到58.8%,但增长速率逐渐减小,这是因为空气流量一定,集热器面积越大,冲缝处风速越小,冲击射流作用减弱,单位面积的吸热板