沖縫式太陽能熱風采暖系統(tǒng)熱性能研究

沖縫式太陽能熱風采暖系統(tǒng)熱性能研究

0在集熱器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用太陽能熱水采暖系統(tǒng)利用空氣集熱器收集熱量，將熱量直接輸送給所需房間或蓄熱裝置，然后分發(fā)給其他房間。結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)啟動快，工作量大，與建筑結(jié)合良好。同時,該系統(tǒng)不存在冷凍、腐蝕、泄露等問題,因此,相對于太陽能熱水采暖系統(tǒng)來說,該系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢,但熱效率相對較低。目前,國內(nèi)外學者已對如何提高空氣集熱器的熱性能作了大量研究[1~4],其中,滲透型空氣集熱器引用沖擊射流,大大提高了對流傳熱系數(shù)和熱效率,成為研究的焦點。C.F.Kutscher等進行了理論研究,總結(jié)了三角形排列的圓孔式集熱器的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。S.J.Arulanandam等利用CFD模擬,總結(jié)了在無風條件下,正方形排列的圓孔式集熱器的傳熱經(jīng)驗公式。G.W.E.VanDecker等研究了在不同迎面風速和室外風速下,三角形或正方形排列的圓孔式集熱器的熱效率,擴大了Kutscher理論的應(yīng)用范圍。LeonM.Augustus等研究了在一系列設(shè)計和實際工作條件下,無蓋板孔洞式空氣集熱器熱效率的理論模型。但無蓋板集熱器直接將室外新風加熱送入室內(nèi),有時無法滿足住宅建筑的采暖要求,另外,圓孔式集熱器往往存在空氣流動阻力大等問題,因此本文提出一種新型的真空玻璃蓋板式?jīng)_縫型集熱器,將吸熱板設(shè)置成沖縫型,從而在不影響集熱面積的同時,增大吸熱板與空氣間的對流傳熱系數(shù),提高了集熱器的熱性能。在此基礎(chǔ)上,本文建立了由該集熱器和卵石蓄熱器構(gòu)成的太陽能熱風采暖系統(tǒng)和建筑傳熱模型,并經(jīng)過實驗驗證,進而以1月份平均太陽能保證率為目標函數(shù),研究集熱器內(nèi)吸熱板結(jié)構(gòu)參數(shù)和物性參數(shù)、集熱器面積和蓄熱器體積對太陽能熱風采暖系統(tǒng)熱性能的影響。1數(shù)學模型1.1a節(jié)點能量平衡方程該空氣集熱器由真空玻璃蓋板、沖縫型吸熱板和外殼(包含背板)構(gòu)成,如圖1所示。在保證準確度和精度的前提下,為方便求解,對集熱器進行如下假設(shè):1)傳熱過程是(準)穩(wěn)態(tài)的;2)忽略集熱器沿Y方向及蓋板外玻璃、內(nèi)玻璃和吸熱板沿Z方向的熱傳遞;3)忽略集熱器背部和側(cè)面?zhèn)鳠?4)空氣與蓋板內(nèi)表面、吸熱板內(nèi)表面以及背板間的對流傳熱系數(shù)采用對應(yīng)空間內(nèi)的平均風速;5)穿過吸熱板后的空氣與空間內(nèi)原有空氣之間可達到迅速混合。在此基礎(chǔ)上根據(jù)熱平衡法建立集熱器內(nèi)部的控制方程組,并將集熱器沿X方向分成i=0,1,2,…等n個控制體,對控制方程離散化。對于蓋板外玻璃,i節(jié)點能量平衡方程為:對于蓋板內(nèi)玻璃,i節(jié)點能量平衡方程:對于吸熱板,i節(jié)點能量平衡方程為:對于保溫背板,i節(jié)點能量平衡方程為:對于內(nèi)玻璃與吸熱板間空氣流道1,i節(jié)點能量平衡方程為:對于吸熱板與保溫背板間空氣流道2,i節(jié)點能量平衡方程為:式(1)~式(6)中,αg1,αg2———蓋板外玻璃和內(nèi)玻璃的吸收率;Ic———太陽輻射強度,W/m2;Ta,Tg1,Tg2———環(huán)境、蓋板外玻璃和內(nèi)玻璃溫度,K;qrad———蓋板外玻璃與外界環(huán)境之間的輻射換熱量,W/m2;h1———外玻璃與外界環(huán)境之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);λg1,λg2———蓋板外玻璃和內(nèi)玻璃的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);δg1,δg2———蓋板外玻璃和內(nèi)玻璃的厚度,m;τg1———蓋板外玻璃的透過率;h8———蓋板外玻璃與內(nèi)玻璃之間的輻射換熱系數(shù),W/(m2·K);h3———內(nèi)玻璃與吸熱板之間的輻射換熱系數(shù),見式(7),W/(m2·K);h2———內(nèi)玻璃與流道1內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);Tf1,Tf2———流道1和流道2內(nèi)空氣溫度,K;τg———蓋板總的透過率,,其中,τg2為內(nèi)玻璃的透過率,ρg1,ρg2分別為外玻璃和內(nèi)玻璃的反射率;Tp,Tb———吸熱板和背板溫度,K;α———吸熱板的吸收率;h6———吸熱板與保溫背板之間的輻射換熱系數(shù),W/(m2·K);h4———吸熱板與流道1內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù),見式(8),W/(m2·K);sinθ———集熱器高度與吸熱板高度之比;h5———吸熱板與流道2內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);λ,λp,λb———空氣、吸熱板和背板的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);δp,δb———吸熱板和背板厚度,m;h7———保溫背板與流道2內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);Qf1,Qf2———流道1和流道2內(nèi)空氣流量,m3/h;ρ———密度,kg/m3;cp———比熱容,J/(kg·K);Qz———集熱器內(nèi)空氣總流量,m3/h;nj———總節(jié)點數(shù)量;W———集熱器的寬度,m;d1———蓋板與吸熱板間空氣間層厚度,m;d2———吸熱板與背板間空氣間層厚度,m。式中,σb———斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),5.67×10-8W/(m2·K4);εp1,εg2———吸熱板外表面發(fā)射率和內(nèi)玻璃內(nèi)表面發(fā)射率;Nu4———努謝爾數(shù);D———沖縫當量直徑,m;Re4———雷諾數(shù);σ———開孔率;vf2———吸熱板與背板間空氣截面速度,m/s;vapp———吸熱板的迎面風速,m/s;P———平均沖縫間距,m;vhole———沖縫內(nèi)的風速,m/s;ν———空氣的運動系數(shù)。上述幾個方程聯(lián)立構(gòu)成了控制方程組,對應(yīng)的邊界條件為:1.2溫度和壓力值如圖2所示,蓄熱器由蓄熱材料(卵石)、外殼、下風口和上風口等構(gòu)成。本文采用Huges總結(jié)出的離散方程組來分析卵石蓄熱器的情況,具體表達式參見文獻。采用陳友明等提出的頻域回歸方法計算圍護結(jié)構(gòu)反應(yīng)系數(shù),進而建立建筑整體的數(shù)學模型,其中建筑圍護結(jié)構(gòu)表面的熱平衡關(guān)系式可參考文獻。n時刻,室內(nèi)空氣的熱平衡方程式:式中,hi,c———第i圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面與室內(nèi)空氣之間的對流換熱系數(shù),W/(m2·K);Aw,i———第i圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面面積,m2;Ti,i(n)———n時刻,第i圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度,K;Tr(n)———n時刻,室內(nèi)空氣溫度,K;Tr(n-1)———n-1時刻,室內(nèi)空氣溫度,K;HGl(n)———n時刻照明得熱量,W;HGbs(n)———n時刻人體顯熱得熱量,W;Cl,Cb,Ca———照明、人體和設(shè)備顯熱等得熱量中對流部分所占百分比;HGas(n)———n時刻設(shè)備顯熱得熱量,W;La(n)———n時刻空氣滲透量,m3/s;qrf(n),qfz(n)———n時刻熱風采暖系統(tǒng)和輔助能源提供的熱量,W;V———房間的體積,m3;Δτ———時間間隔,h。熱風采暖系統(tǒng)及建筑的數(shù)學模型建立后,求解步驟如下:1)輸入氣象參數(shù),建筑、集熱器和蓄熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、進口參數(shù)和初始參數(shù);2)假設(shè)集熱器蓋板外玻璃、內(nèi)玻璃、吸熱板和背板溫度以及蓄熱器內(nèi)卵石溫度和圍護結(jié)構(gòu)各表面溫度;3)計算反應(yīng)系數(shù)和傳熱系數(shù);4)根據(jù)建立起的控制方程組,迭代求解,對比變量的計算值與假定值,若兩者的差值不在誤差范圍內(nèi),則以該變量的計算值作為下一輪計算的假設(shè)值繼續(xù)迭代求解,最終計算得到n時刻各圍護結(jié)構(gòu)表面溫度、室內(nèi)空氣溫度、蓄熱器內(nèi)卵石溫度、集熱器和蓄熱器空氣出口溫度以及n+1時刻集熱器和蓄熱器空氣進口溫度。2學習方法2.1蓄熱裝置設(shè)計在天津大學內(nèi)搭建實驗房。集熱器附于實驗房南墻上,透明蓋板采用真空玻璃,傳熱系數(shù)為2.7W/(m2·K);吸熱板材料選用1mm厚的鋼板,600mm(寬)×1500mm(高),外表面上覆蓋吸收性涂層,吸收率α=0.96,外表面發(fā)射率εp1=0.78,內(nèi)表面發(fā)射率εp2=0.86,吸熱板上開設(shè)24行5列沖縫,80mm(長)×1mm(寬);外殼選用保溫性能好的無機玻璃鋼材料。蓄熱裝置設(shè)置于實驗房附近,由普通鋼板制作而成,周圍用橡塑絕熱材料保溫,有效利用空間為0.06m3,橫截面積為0.03m2,空氣穿過蓄熱器的總長度為2m,卵石平均粒徑為6cm。實驗房尺寸為1.6m(長)×0.8m(寬)×1.8m(高),東向墻體面積為2.88m2,南向和北向墻體面積為1.44m2,西向墻體上有一個窗和門,窗由雙層中空玻璃構(gòu)成,傳熱系數(shù)為2.94W/(m2·K);門的材料和其他圍護結(jié)構(gòu)相同,由彩鋼板構(gòu)成,傳熱系數(shù)為0.529W/(m2·K)。采用TRT-2總輻射表記錄輻射強度(測量范圍:0~2000W/m2,靈敏度:10.119×10-6V/(W·m-2)),輸出電纜與Fluke相連接,可實現(xiàn)自動記錄;采用T型熱電偶測量溫度(熱電偶已經(jīng)國家二等標準玻璃水銀溫度計和恒溫水浴校核),其中,蓄熱器的溫度測點如圖1所示;采用ZRQF系列智能風速計(測量范圍:0.05~30m/s,精度:±3%)和KANOMAXKA22熱線風速儀(測量范圍:VL0~4.99m/s,精度:±2%FS)測量風管和室外風速。另外,受實驗條件所限,集熱器模型的驗證實驗和蓄熱器與實驗房模型的驗證實驗分別進行。2.1.1空氣出口溫度選取9月份天氣晴好的某日進行實驗,圖3描述了該日環(huán)境溫度、室外風速、空氣進口溫度和輻射強度的實測值以及空氣出口溫度的模擬值和實測值,其中,送風量保持不變,120m3/h。由圖3可看出,隨著太陽輻射強度增大和環(huán)境溫度、空氣進口溫度升高,集熱器空氣出口溫度也迅速升高,下午14∶00,模擬值達到最大,為302.32K,而實驗值在14∶20達到最大,為302.10K。采用平均偏差指標對比空氣出口溫度的模擬值和實驗值,其中,平均偏差σabs可用式(11)表示。式中,Tout,s,Tout,m———空氣出口溫度的模擬值和實驗值,K;n———測點數(shù)量。計算得到,平均偏差為1.08K,誤差主要是因測試是在動態(tài)的環(huán)境條件下進行的導(dǎo)致集熱器內(nèi)部狀態(tài)會出現(xiàn)延遲,另外,也有實驗儀器本身和人為誤差,也可導(dǎo)致這一結(jié)果的出現(xiàn),但總體來說,兩者吻合較好。2.1.2蓄熱器操作溫度與空氣溫度的關(guān)系當蓄熱器為房間提供熱量時,室內(nèi)空氣從蓄熱器下風口進入,被卵石加熱后,從上風口流出。圖4顯示了不同時刻下,環(huán)境溫度和室外風速變化。模擬和實測得到的蓄熱器送風溫度和室內(nèi)溫度值如圖5所示。其中,在模擬過程中,忽略室內(nèi)熱源的作用;測量得到的室內(nèi)空氣初始溫度為306.09K;風量保持為40m3/h。由圖5可看出,隨著環(huán)境溫度降低,蓄熱器送風溫度和室內(nèi)空氣溫度均降低,說明蓄熱器不能為房間提供足夠多的熱量,其主要原因是蓄熱器容量不夠和建筑材料的熱容量較小。然而,蓄熱器的作用不容忽視,對比室內(nèi)空氣溫度與環(huán)境溫度,在17∶11,兩者之差為8.0K,到22∶11,室內(nèi)空氣溫度仍比環(huán)境溫度高5.9K。根據(jù)式(11)計算得到,蓄熱器送風溫度和室內(nèi)空氣溫度的模擬值與實測值之間的平均偏差σabs分別為0.73、0.90K。模擬值和實測值吻合較好,理論模型可作為進一步研究的基礎(chǔ)。2.2模擬分析2.2.1輔助熱源的設(shè)置圖6為太陽能熱風采暖系統(tǒng)的工作原理圖。其控制策略:當太陽輻射強度較大,集熱器空氣出口溫度與進口溫度之差大于設(shè)定值時,集熱器為房間供暖,此時,閥門1、閥門2、閥門5和閥門6開啟,風機1開啟,風機2關(guān)閉;若集熱器提供的熱量不足以滿足房間熱負荷,則開啟輔助熱源,對集熱器出口空氣進行再加熱;若集熱器提供的熱量大于房間熱負荷且空氣出口溫度大于卵石床內(nèi)部平均溫度,則閥門3開啟,將剩余熱風從上而下引入蓄熱器蓄熱;若集熱器提供的熱量大于房間熱負荷但空氣出口溫度小于卵石床內(nèi)部平均溫度,則閥門4開啟,將剩余熱風直接回流入集熱器。當太陽輻射強度較小,集熱器空氣出口溫度與進口溫度之差小于設(shè)定值時,集熱器停止為房間供暖,閥門1和閥門5關(guān)閉,風機1關(guān)閉;若蓄熱器內(nèi)卵石平均溫度與室內(nèi)空氣溫度之差大于設(shè)定值,則閥門3和風機2開啟,室內(nèi)空氣反向流入蓄熱器,被加熱后送入室內(nèi),其中,若蓄熱器提供的熱量不足以滿足房間熱負荷,開啟輔助熱源;若蓄熱器內(nèi)卵石平均溫度與室內(nèi)空氣溫度之差小于設(shè)定值,則單獨由輔助熱源向房間供暖。2.2.2氣調(diào)與太陽能熱模擬本文采用太陽能保證率來評價太陽能熱風采暖系統(tǒng)的熱性能。太陽能保證率指太陽能采暖系統(tǒng)為建筑提供的能量與建筑熱負荷的比值,如式(12)所示。太陽能保證率越大,太陽能采暖系統(tǒng)的熱性能越好。式中,f(n)———n時刻的太陽能保證率。由于太陽能保證率隨氣象條件的變化而變化,本文選取典型的1月份平均太陽能保證率為目標函數(shù),來分析在保持其他參數(shù)不變時,某一參數(shù)變化對太陽能熱風采暖系統(tǒng)熱性能的影響。氣象資料來自《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》,為消除假定初始溫度帶來的誤差,本文提前1個月進行模擬,其中,基礎(chǔ)數(shù)據(jù):模擬建筑位于天津市,建筑尺寸為6m×3m×3m,建材為鋼筋混凝土外加苯板;鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為1.74W/(m·K),密度為2500kg/m3,苯板導(dǎo)熱系數(shù)為0.042W/(m·K),密度為30kg/m3;南窗洞口尺寸為0.9m(寬)×1.2m(高),傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·K);北門尺寸為0.9m(寬)×1.8m(高),傳熱系數(shù)為2.5W/(m2·K);房間換氣次數(shù)為0.5次/時;集熱器貼附于南墻,面積為10.8m2,吸熱板發(fā)射率為0.38,平均沖縫間距為0.08m,沖縫當量直徑為0.01m,空氣流量為450m3/h;蓄熱器體積為2m3;室內(nèi)空氣溫度為291.15K。1發(fā)射率對太陽能保證率的影響保持其他因素不變,吸熱板發(fā)射率從0.18變化到0.78對1月份平均太陽能保證率的影響如圖7所示。由圖7可看出,隨著發(fā)射率增大,1月份平均太陽能保證率逐漸減小。這是由于發(fā)射率的增長,會導(dǎo)致吸熱板對真空蓋板的輻射換熱增強,吸熱板溫度降低,與空氣之間的勢差減小,對流換熱減弱;與此同時,蓋板溫度升高,導(dǎo)致集熱器的對外熱損失增強,集熱器所能提供的熱量減少。因此,吸熱板發(fā)射率越大,太陽能熱風采暖系統(tǒng)的熱性能越差。2沖縫減量直徑對集熱器太陽能保證率的影響保持其他因素不變,當沖縫當量直徑從6mm變化到20mm對1月份平均太陽能保證率的影響如圖8所示。由圖8可得出,隨著沖縫當量直徑增大,集熱器內(nèi)部沖擊射流作用減弱,Nu數(shù)減小,即吸熱板與空氣間對流換熱系數(shù)減小,集熱器的空氣出口溫度降低,集熱器所能提供的熱量減少,1月份平均太陽能保證率隨之降低,從47.0%降低到46.5%。因此,沖縫當量直徑越大,太陽能熱風采暖系統(tǒng)的熱性能越差。3沖縫間距的影響保持其他因素不變,當平均沖縫間距從0.04m變化到0.20m對1月份平均太陽能保證率的影響如圖9所示。由圖9可看出,1月份平均太陽能保證率隨平均沖縫間距增大先減小后增大。平均沖縫間距增大,會導(dǎo)致等同面積吸熱板的開孔率降低穿過單個沖縫的空氣流量增加,即沖縫內(nèi)的風速增大。根據(jù)式(8),這三者的相互作用制約了集熱器內(nèi)部沖擊射流作用的強弱。因此,當平均沖縫間距從0.04m增加到0.07m時,沖擊射流作用減弱,集熱器所能提供的熱量減少,1月份平均太陽能保證率從47.5%降低到46.7%;當平均沖縫間距從0.08m增加到0.20m時,湍流度增大,空氣與吸熱板之間的對流換熱系數(shù)增強,集熱器所能提供的熱量增大,1月份平均太陽能保證率升高?？傮w來看,適宜的平均沖縫間距取值范圍為P≥0.08m。4證率的影響保持其他因素不變,當集熱器面積從5.4m2變化到16.2m2對1月份平均太陽能保證率的影響如圖10所示。如圖10所示,集熱器面積越大,1月份平均太陽能保證率越大,從26.8%增大到58.8%,但增長速率逐漸減小,這是因為空氣流量一定,集熱器面積越大,沖縫處風速越小,沖擊射流作用減弱,單位面積的吸熱板