太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析_王登甲

太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析王登甲刘艳峰西安建筑科技大学环境与市政工程学院摘要：文中通过对太阳能采暖蓄热水箱多节点模型分析研究，建立蓄热水箱模型，利用CFD 软件对蓄热水箱内温度分层情况分各种工况进行模拟分析，分析结果表明：蓄热水箱进出水管流速越小，水箱内温度分层越明显，给出推荐最佳流速应在0.01～0.05m/s 范围内，且可通过在进水管端处设置渐扩装置来保证流速取到最佳流速；蓄热水箱采暖供水管的位置建议至少应在2/3水箱高度以上，具体位置应根据采暖用户供水温度的要求而将管段设置在要求的温度范围对应的水箱高度处。

关键词：太阳能采暖蓄热水箱CFD 温度分层Tem perat ure St rat ific at ion St udying of Heat St orage TankWANG Deng-jia,LIU Yan-fengSchool of Environmental and Municipal Engineering,Xi'an University of Architecture and TechnologyAbst r act :Based on the analysis of the nodal model of heat storage tank for solar heating system,a nodal model of heat storage tank was simulated in different conditions with the help of CFD.It is found that the lower the water velocity at the inlet of the pipe is,the more obviously the layers are,and the recommended velocity is between 0.01and 0.05m/s,which can be obtained with a increasing coupling at the entrance of the pipe.The water supply pipe should be installed no lower than 2/3times high of the tank,and in practical project,the location should be decided according to the supply water temperature.Keywor ds:solar heating,heat storage tank,Computational Fluid Dynamics (CFD),temperature stratification收稿日期：2009-6-27作者简介：王登甲（1984~），男，博士研究生；西安市雁塔路13号西安建筑科技大学环境学院（710055）；E-mail:wangdengjia1020@ 基金项目：国家自然科学基金项目（No.50778144）0引言我国大多数采暖地区太阳能资源丰富，而利用太阳能采暖是一项符合可持续发展战略的技术。

要利用太阳能采暖，必须克服太阳能周期性和随机性的缺点，而利用蓄热水箱对热量进行蓄调是解决此问题的有效途径，由于水箱内竖向温度有差异，导致高温水密度小上升到水箱上部，低温水层在水箱底部，形成温度分层。

蓄热水箱内温度分层与水箱的结构、进出口水温度、采暖供回水温度以及进出水管流速等因素有关。

充分利用蓄热水箱温度分层能降低集热器进口温度，提高集热器效率；又能增加可被利用的热水量，减少辅助加热量，从而提高太阳能采暖保证率，提高系统效率。

1988年彭飞[1]给出了蓄热水箱温度分层的数学模型，2004年张鹤飞[2]给出了蓄热水箱热损失传热方程式，为蓄热水箱温度分层分析研究提供了理论依据。

本文拟通过对蓄热水箱多节点模型进行理论分析，且利用CFD [3]软件对蓄热水箱内温度分层在各种工况下进行模拟分析，从而得到蓄热水箱进出水管最佳流速，以及蓄热水箱采暖供水管最佳位置。

1理论分析1.1蓄热水箱温度分层采用集总参数分析法一般认为水箱内水温T s 在第29卷第1期2010年2月建筑热能通风空调Building Energy &Environment Vol.29No.1Feb.2010.16~19文章编号：1003-0344（2010）01-016-4空间上是均匀的，只是时间的函数，事实上由于对流掺混作用，蓄热水箱内水的温度分布既是时间又是空间的函数：T s =T s （x ，y ，z ，τ）（1）由于温度不同水的密度不同，这使得水箱下部温度较低，水箱顶部温度较高，在研究时可认为至少在垂直方向上是不均匀的，因此蓄热水箱在垂直方向上的分层数学模型的建立为：T s =T s （x ，τ）（2）1.2蓄热水箱温度分层模型建立为准确模拟水箱的实际工作状况，将水箱分为N 段（即N 个节点），对各段可分别列出能量平衡方程，得到N 个微分方程，解此方程组便可求得随时间变化的N 个节点的温度。

N 节点模型的基本思想是：将水箱沿竖直方向上分为N 个层，每层为一个节点，每个节点内完全混合且只有一个温度，不同的节点温度不同，由于希望集热器回水温度尽可能低，因此总位于水箱下端，而采暖供热水管一般在水箱上端；集热器出水和自来水补水（或采暖回水）入口均采用浮动，寻求最佳的温度层进入[4]，假设集热器出口的水以低速进入水箱，并能自动进入与其密度水平相当，即温度比它略低的那一段，如图1所示。

集热器出水进入哪一节的集热器控制函数F ic 定义如下：式中：Tc ，0为集热器出水温度；F ic 为1或0，运行时只有一种情况即为1时，为控制不同温度的集热器出水进入那一节水箱的函数。

假如温度大于第四节水温，而小于第三节，则集热器出水进入第四节；当集热器出水温度小于或等于水箱最低层温度，水箱停止运行。

采暖回水进入水箱哪一层，类似的由负荷控制函数F i L 控制，运行时也只有一种情况为非零函数。

式中：T L ，r 为采暖回水温度；F i L 负荷控制函数，为控制不同温度采暖回水进入哪一节水箱的函数。

在计算蓄热水箱某一层水温变化时，需对水箱中两节点之间垂直方向交换的净流量做计算，此量取决于集热器和采暖负荷的质量流量，以及该瞬时两个控制函数（F i c 和F i L ）的值。

由第i -1个节点进入第i 个节点的净流量可用掺混流量m m ，i 来表示，它只考虑垂直方向的交换，不考虑由集热器或采暖负荷直接进入节点的流量。

由上面的掺混流量以及控制函数方程，可得到节点i 的能量平衡方程：计算时，水进入与其水温相当的水箱层内，可认为式（8）中C ρS =C ρC =C ρL =C ρ，故式（8）可写为：式（9）中：m i为蓄热水箱内i 节点的质量；m c 为集热器出水管水的平均质量流量；m L 为采暖供回水管水的平均质量流量；T c ，0、T s ，i 、T c ，r 分别为集热器出水温度、水箱i 节点水温和采暖回水温度；UA 为水箱热损失系数；c ρ为水的比热。

式（9）中右边第一项代表集热器提供的热量；第二项代表采暖系统供热量；第三项代表节点对周围环境的损失热量；第四项上式代表上一节点与该节点由于垂直方向上的掺混而净交换的热量，下式代表下一节点与该节点掺混而净交换的热量。

除了每个节点都有图1N 节点分层水箱（3）（3）（5）（6）（7）（8）（9）...王登甲等：太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析第29卷第1期·17·损失项外，其余各项的大小或有或无是由控制函数来决定的。

要注意的是水箱某段内要有辅助加热装置，则应该将它加到式（9）中（该节点的能量平衡方程）。

2模拟分析2.1模拟对象所模拟蓄热水箱选取为正圆柱体，高为2m，底圆半径为1m，进蓄热水箱热水管（集热器出热水管）距水箱顶部0.15m，出蓄热水箱冷水管（集热器冷水回水管）和采暖回水管距蓄热水箱底面为0.15m，蓄热水箱供热水管距蓄热水箱顶部0.2m，水管均为管径为0.03m的圆管。

2.2模拟工况利用CFD软件对蓄热水箱内温度分层分五个工况进行了模拟，分别在同一进口温度不同冷热进水流速的情况下，以及相同冷热进水流速不同进口温度情况下进行模拟，模拟各工况如表1所示。

2.3模拟结果对CFD模拟结果图利用Tecplot软件进行图片后处理，得到不同工况下蓄热水箱中轴面（Z=0平面）的温度分层图，如图2~图6所示。

对不同进水流速时的蓄热水箱内流速分布进行模拟，如图7~图9所示。

2.4结果分析由图2~图4可以得到，蓄热水箱进水管流速越小温度分层越明显，则热利用率越高，采暖系统效率也相应提高，流速过大，会导致热水进口管与采暖供水管短路，且水箱内混合损失增大，不利于蓄热水箱的热存储；且可以看出流速为0.01m/s时，温度分层已经相当明显，流速小于0.01m/s后，温度将不会再有更为显著的分层变化，因此建议进水管最佳流速取0.01～0.05m/s之间，一般通过在进水管端处设置渐扩装置来保证流速取到最佳流速。

从图2~图6可以得到，采暖供水管均设置在距水箱顶部1/10水箱高度处，且五种工况下此层的温度分别在：54℃～55℃、54℃～54.6℃、54.2℃～55℃、48℃～49℃、59℃～62℃范围内，均能满足低温地板辐射采暖供水温度要求。

建议采暖供水管位置至少应在2/3水箱高度以上。

一般情况下，采暖供水管应根据采暖用户供水温度的要求而定，将管段设置在要求的温度范围对应的水箱高度处。

从图7~图9可明显看出，流速越大，水箱内掺混程度越明显，越不利于水箱温度分层。

表1蓄热水箱模拟工况一览表X图2蓄热水箱温度分层图（工况一）图3蓄热水箱温度分层图（工况二）X图4蓄热水箱温度分层图（工况三）X图5蓄热水箱温度分层图（工况四）X图6蓄热水箱温度分层图（工况五）X2010年建筑热能通风空调·18·3结论1）蓄热水箱进水管流速越小温度分层越明显，即热利用率越高，采暖系统效率也相应提高；流速越大，水箱内掺混程度越明显，越不利于水箱温度分层。

2）蓄热水箱进水管最佳流速取0.01～0.05m/s 之间，一般通过在进水管段处设置渐扩装置来保证流速取到最佳流速。

3）蓄热水箱采暖供水管位置建议至少应在2/3水箱高度以上，具体位置应根据采暖用户供水温度要求而将管段设置在要求的温度范围对应的水箱高度处。

参考文献[1]彭飞,张国勋．一个太阳能-热能系统的计算机分析模型[J]．太阳能学报,1988,9(4):383-390[2]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟[M]．西安:西北工业大学出版社,2004[3]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004[4]Jean-Christophe Hadorn.Thermal Storage for Solar and Low Energy Buildings-State of the Art [M].IEA SHC Task32,2005[5]于国清,汤金华,邹志军.太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层作用研究[J].建筑科学,2006,23(4):70-73[6]建设部标准定额研究所.民用建筑太阳能热水系统应用技术规程(GB50364-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005图7蓄热水箱内速度分布图（进水流速0.01m/s ）XY图8蓄热水箱内速度分布图（进水流速0.05m/s ）XY图9蓄热水箱内速度分布图（进水流速0.3m/s ）XY的耗电量。