太陽(yáng)能蓄熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究

太陽(yáng)能蓄熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究

0蓄熱裝置設(shè)計(jì)隨著農(nóng)村住房秩序的提高，人們對(duì)內(nèi)部的舒適度要求有了很大提高，建筑能耗也有所增加。針對(duì)常規(guī)能源日益緊張和環(huán)境污染問(wèn)題,對(duì)太陽(yáng)能空氣采暖建筑一體化關(guān)鍵技術(shù)的研究具有非常深遠(yuǎn)的意義。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能空氣集熱器進(jìn)行了較廣泛和深入的研究,不斷從形式、材料和技術(shù)上加以改進(jìn)以提高集熱效率。然而由于太陽(yáng)能的晝夜間斷性,單純依靠集熱器不僅會(huì)造成一部分太陽(yáng)能被浪費(fèi)而且存在室內(nèi)晝夜溫差大的問(wèn)題。因此,可在太陽(yáng)能系統(tǒng)中設(shè)置蓄熱裝置,將剩余的熱量貯存起來(lái),在無(wú)日照或太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不足時(shí)向房間提供所需的熱量,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。蓄熱材料按照蓄熱方式的不同一般可分為顯熱型、潛熱型和化學(xué)反應(yīng)型。在選擇蓄熱材料時(shí),需綜合考慮蓄熱能力、成本、占地面積、使用壽命和可靠性等。在《太陽(yáng)能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》GB50495—2009中規(guī)定,空氣集熱器蓄熱系統(tǒng)應(yīng)選用巖石或相變材料作為蓄熱材料。鑒于目前相變材料存在著成本高、封裝泄漏、長(zhǎng)期使用有性能退化等問(wèn)題,針對(duì)村鎮(zhèn)建筑太陽(yáng)能空氣采暖系統(tǒng),本文選取卵石作為蓄熱材料,對(duì)蓄熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬研究,為太陽(yáng)能技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用打下必要的技術(shù)基礎(chǔ)。1蓄熱器蓄熱過(guò)程蓄熱器尺寸為1.0m×0.2m×1.0m,主要由外殼、支撐網(wǎng)、蓄熱材料、進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口等構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。蓄熱器外殼由普通鋼板制成,周圍用橡塑絕熱材料保溫,以減少熱損失。裝置由3層鋼絲網(wǎng)和阻隔柵分成4部分,其中卵石填充了3/10,卵石床的橫截面積為0.03m2,卵石平均粒徑為6cm,空隙率為0.45。蓄熱器的工作原理如圖1所示。當(dāng)蓄熱器蓄熱時(shí),熱空氣從上風(fēng)口進(jìn)入蓄熱器內(nèi)與卵石換熱,后從下風(fēng)口流出;當(dāng)蓄熱器放熱時(shí),冷空氣從下風(fēng)口進(jìn)入蓄熱器與卵石換熱,被加熱的空氣從上風(fēng)口流出。2蓄熱裝置的數(shù)學(xué)模型2.1空氣傳熱微分方程組Schumann最先對(duì)填充床蓄熱器的熱性能進(jìn)行研究并總結(jié)出填充床與空氣換熱的微分方程組,由于該模型不適于求解,Huge等利用熱量平衡法和控制容積法,對(duì)方程組進(jìn)行離散,且經(jīng)研究表明該離散方程組適用于對(duì)以卵石為蓄熱材料的系統(tǒng)。因此本文采用此模型分析蓄熱器的熱性能。2.1.1空氣界面控制方程在保證數(shù)學(xué)模型精度和準(zhǔn)確度的前提下,為方便建模與求解,對(duì)蓄熱器內(nèi)部換熱過(guò)程做出以下假設(shè):3)物性參數(shù)均為常數(shù)?？刂企w節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示,在i控制體內(nèi),卵石的溫度保持一致。由此得到卵石與空氣之間換熱的控制方程組,如式(1)~式(4)。體積換熱系數(shù)hx,v與空氣流量和卵石的粒徑大小有關(guān),本文采用J.P.Coutier等提出的關(guān)系式。2.1.2空氣溫度的求解上述方程組對(duì)應(yīng)的邊界條件為:至此,描述蓄熱器內(nèi)部傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型建立完畢,可利用Matlab程序求解,步驟如下:4)計(jì)算k+1時(shí)刻,i+1節(jié)點(diǎn)的空氣溫度;5)由此依次推算出各時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)的空氣溫度和卵石溫度。2.2降壓力降蓄熱器的壓力損失是指空氣穿過(guò)卵石床的壓力降。本文選用SabriErgun總結(jié)的壓力降公式作為計(jì)算蓄熱器壓力損失的公式,如式(7)。3加熱裝置的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1實(shí)驗(yàn)與模擬的對(duì)比驗(yàn)證為驗(yàn)證本文所建立的蓄熱器數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,需要對(duì)蓄熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將實(shí)驗(yàn)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。根據(jù)測(cè)試對(duì)象不同,測(cè)試可分為環(huán)境氣象參數(shù)測(cè)試和蓄熱器性能測(cè)試2部分。環(huán)境氣象參數(shù)測(cè)試內(nèi)容主要包括:室外溫度、風(fēng)速;蓄熱器測(cè)試內(nèi)容主要包括:蓄熱器內(nèi)卵石溫度、空氣進(jìn)出口溫度、空氣穿過(guò)蓄熱器的阻力。3.2溫度和壓力測(cè)量系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量風(fēng)速、溫度和壓力3個(gè)物理量,采用ZRQF系列智能風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速,采用T-型熱電偶與Fluke2686ADataLoggingSystem(DLS)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)相結(jié)合的方法測(cè)量溫度,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。測(cè)點(diǎn)2、3、4測(cè)量的是卵石的溫度,測(cè)點(diǎn)1和5分別測(cè)量空氣進(jìn)出口溫度。采用美國(guó)生產(chǎn)的AirdataMultimeterADM-860C電子微壓計(jì)測(cè)量壓力。為更準(zhǔn)確地測(cè)量空氣穿過(guò)蓄熱器時(shí)的阻力,本實(shí)驗(yàn)在蓄熱器上風(fēng)口和下風(fēng)口附近氣流穩(wěn)定處打孔,用黑色膠布和柔軟部件密封孔的周邊,以防漏風(fēng)。3.3結(jié)果3.3.1蓄熱器內(nèi)部溫度與實(shí)驗(yàn)溫度的模擬對(duì)比蓄熱裝置放置在天津大學(xué)太雷路西側(cè)平房屋頂上的太陽(yáng)集熱器附近,該建筑周圍無(wú)高大建筑及樹(shù)木遮擋。測(cè)試日期為2011年2月12日,日照條件良好,風(fēng)速較小,波動(dòng)不大,符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。集熱器性能良好,對(duì)蓄熱器進(jìn)行蓄熱,蓄熱器風(fēng)量為40m3/h。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試出不同時(shí)刻下蓄熱器進(jìn)口處空氣溫度如圖3所示,并以此作為邊界條件之一,利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出蓄熱器內(nèi)部卵石和空氣的溫度為模擬值。將模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出,隨著時(shí)間的變化,蓄熱器內(nèi)部卵石溫度和送風(fēng)溫度逐漸升高,在14∶10,蓄熱器空氣出口溫度的模擬值和實(shí)驗(yàn)值分別達(dá)313.77K和313.50K。本文采用平均偏差來(lái)對(duì)比蓄熱器內(nèi)部卵石溫度和送風(fēng)溫度的實(shí)驗(yàn)值和模擬值,由式(8)計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)2~測(cè)點(diǎn)5的平均偏差分別為0.69、1.50、1.09和0.79K。實(shí)驗(yàn)值與模擬值間存在差距,這是由于理論分析時(shí)為簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行了假設(shè),而實(shí)際測(cè)試是在動(dòng)態(tài)的環(huán)境條件下,蓄熱器內(nèi)部狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)延遲,且阻隔柵材料為鐵絲,導(dǎo)熱系數(shù)大,測(cè)量時(shí)熱電偶黏貼在阻隔柵上有可能導(dǎo)致卵石實(shí)測(cè)溫度稍偏低。另外實(shí)驗(yàn)儀器本身和人為讀數(shù)的誤差,也可導(dǎo)致模擬值和實(shí)驗(yàn)值不同。但總體來(lái)看,該數(shù)學(xué)模型能夠反映蓄熱器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì),可用來(lái)預(yù)測(cè)蓄熱器的實(shí)際使用狀況,作為理論研究的基礎(chǔ)。3.3.2壓力損失仿真結(jié)果改變蓄熱器單位橫截面積的風(fēng)速,使風(fēng)速?gòu)?.22m/s提高到0.51m/s,實(shí)驗(yàn)及模擬得到的壓力損失值如圖5所示。從圖5可看出,隨著單位橫截面積風(fēng)速的增大,空氣穿過(guò)蓄熱器時(shí)的壓力損失迅速增加,在斷面流速達(dá)到0.51m/s時(shí),壓力損失的模擬值和實(shí)驗(yàn)值分別為112.2Pa和126.0Pa,這是由于壓力損失與空氣流量之間呈兩次方的關(guān)系。計(jì)算得到壓力損失的實(shí)驗(yàn)值和模擬值之間的平均偏差為7.1Pa。因此,該模型準(zhǔn)確可靠,可作為理論研究的基礎(chǔ)。4儲(chǔ)熱裝置的模擬分析4.1《漢字》《法國(guó)民法典》《法國(guó)民法典》所示蓄熱器的蓄熱量可以通過(guò)穿過(guò)卵石床的空氣進(jìn)出口狀態(tài)變化計(jì)算得到,如式(9)所示。平均蓄熱功率φx,即太陽(yáng)能蓄熱器單位時(shí)間內(nèi)的蓄熱量為:考慮到空氣穿過(guò)蓄熱器的壓力損失對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響,本文采用平均蓄熱功率和壓力損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)斷面流速、卵石的粒徑和卵石床長(zhǎng)度對(duì)蓄熱器性能的影響進(jìn)行模擬分析。4.2參數(shù)變化對(duì)蓄熱器性能的影響在模擬過(guò)程中,保持其他參數(shù)不變的情況下改變其中一個(gè)參數(shù),分析該參數(shù)對(duì)蓄熱器性能的影響。其中,初始時(shí)刻卵石內(nèi)部溫度為296.0K,空氣進(jìn)口溫度維持在303.0K。4.2.1斷面流速對(duì)平均蓄熱功率和壓力損失的影響控制斷面流速?gòu)?.07m/s變化到0.52m/s,即體積流量從90.7m3/h變化到673.9m3/h。其他參數(shù)如下:卵石粒徑為0.06m,卵石床長(zhǎng)度為3m,卵石堆積密度為1600kg/m3,卵石比熱容為879J/(kg·K),卵石床橫截面積為0.36m2,空隙率為0.45。經(jīng)模擬得到斷面流速對(duì)平均蓄熱功率和壓力損失的影響如圖6所示。隨著斷面流速的增大,空氣與卵石之間的換熱系數(shù)增大,摩擦增強(qiáng),平均蓄熱功率由216.90W增大到1120.10W,壓力損失由3.65Pa增大到175.42Pa。由于蓄熱器容量一定,在斷面流速增大到一定程度時(shí),對(duì)平均蓄熱功率的影響會(huì)逐漸減弱并趨于平衡。4.2.2空氣與結(jié)構(gòu)最佳劑量的確定設(shè)定斷面流速為0.309m/s,即體積流量為400m3/h,空隙率分別為0.40、0.45和0.50,其他參數(shù)同4.2.1節(jié)。得到卵石粒徑從0.04m變化到0.14m時(shí),對(duì)平均蓄熱功率和壓力損失的影響,見(jiàn)圖7。隨著卵石粒徑的增大,空氣與卵石之間的換熱系數(shù)變小,平均蓄熱功率有所降低。對(duì)于空隙率為0.40的卵石床,平均蓄熱功率由936.44W降低到911.00W。同時(shí),空氣穿過(guò)卵石床所受的阻力減小,壓力損失也隨之降低,對(duì)于空隙率為0.40的卵石床,壓力損失由149.8Pa降低到40.9Pa。當(dāng)粒徑大于0.06m時(shí),壓力損失隨粒徑變化的趨勢(shì)漸弱。另外,空隙率對(duì)平均蓄熱功率和壓力損失也存在影響,因?yàn)槁咽脚c空隙率之間存在一定關(guān)系,粒徑越大,空隙率越大。考慮到阻力損失帶來(lái)的運(yùn)行費(fèi)用問(wèn)題,建議卵石粒徑取0.06~0.10m。4.2.3空氣和實(shí)施壓力損失的對(duì)比卵石床長(zhǎng)度從0.5m變化到4.5m時(shí),對(duì)平均蓄熱功率和壓力損失的影響如圖8所示。隨著卵石床長(zhǎng)度的增大,空氣穿過(guò)卵石床的時(shí)間變長(zhǎng),換熱效果增強(qiáng),平均蓄熱功率增大,由219.8W增大到955.1W。但當(dāng)卵石床長(zhǎng)度大于3.0m時(shí),卵石與空氣之間的換熱逐漸趨于平衡狀態(tài),平均蓄熱功率不再增長(zhǎng)。而壓力損失隨著卵石床長(zhǎng)度的增大成比例增大,從壓力損失的計(jì)算公式中也可反映出來(lái)。因此,卵石床長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)斷面流速合理確定。5對(duì)蓄熱器性能的影響本文對(duì)村鎮(zhèn)太陽(yáng)能空氣采暖系統(tǒng)的蓄熱器進(jìn)行研究。選取卵石作為蓄熱材料,以熱平衡法為基礎(chǔ),對(duì)蓄熱器建立蓄熱器數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和模擬研究,得到以下結(jié)論:1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量蓄熱器內(nèi)部卵石溫度、空氣溫度以及空氣穿過(guò)蓄熱器的壓力損失,對(duì)比模擬值和實(shí)驗(yàn)值,兩者的平均偏差不大,結(jié)果吻合較好。2)以平均蓄熱功率和壓力損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)斷面流速、卵石的粒徑和卵石床長(zhǎng)度對(duì)蓄熱器性能的影響進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明,卵石床的蓄熱性能良好,在文中參數(shù)