摘 要：本文对燃辅太阳能热水系统中燃气对公共水罐的加热及水罐的保温过程进行了仿真分析。利用CFD软件，采用最常用的RNG k-ε湍流模型模拟燃气热水器对水罐加热的温度分布及加热完成后水罐内部换热的情况，提出了该类系统的水罐设计注意事项，所模拟结果与试验情况吻合度较高，利用该模型在改进水罐水嘴位置及布置方式，提高太阳能利用率方面可得到较为直观的效果。Fluent可以为同类设备的新品研发或优化改造提供高效、快捷、功能强大的数值计算和理论分析.
关键词：燃辅太阳能；水罐；fluent设计
太阳能作为一种无限的清洁能源，具有广阔的应用空间，近些年在家用热水系统市场上的应用也日益增多。但由于太阳能辐射不连续，储热必不可少，另外，太阳能的利用受气候、铺设面积、初期投资等的影响，利用率难以保证，因此多和其他辅助能源共同使用；本文针对采用燃气辅助太阳能的热水系统中的水罐进行设计分析，了解燃气加热时水罐的受热情况，为我们合理的设计储热水罐和高效的利用太阳能奠定基础。
针对市场主流的燃气和太阳能共水罐热水系统产品进行分析，其原理图如下：
上图中太阳能和燃气热水器使用同一个水罐进行储热，以此来实现系统的小型化、节能化的同时又能够保证系统快速恒温。
但此类系统的关键点在于如何做到节能与舒适的平衡，因为燃气热水器加热负荷较大，其瞬时加热能力相对于太阳能集热器来说非常大，因此要保证系统的太阳能利用率，提高系统的节能率，就要避免燃气加热对太阳能集热的影响，以减少对太阳能集热器系统的影响。
一、模型
通过理论分析及实际工作经验可知，此类系统的储热水罐设计非常重要，直接关系到系统产品能否满足设计要求，因此本文利用先进的Fluent流体分析软件辅助我们的设计，如图2所示水罐由304或316不锈钢焊接而成，周围敷有聚氨酯泡沫层作为保温层，最外层为普通喷涂碳钢板，水罐内胆尺寸为直径410mm，高度为1562mm。
模型建立前，先作如下假设[1]：
初始时刻水罐内水温均匀一致；
水罐周围聚氨酯物性均匀一致；
假设水的密度仅有温度有关；
燃气热水器对水罐的加热看作为恒热流输入；
水罐内压力变化较小，可以将水视为不可压缩流体，在加热过程中，水罐内水呈湍流流动。
忽略水罐壁面的漏热。
根据上述假设条件，建立物理模型如右图2。
基于以上假设，整个过程可用以下连续性方程、雷诺平均N-S方程、湍动能k
以及湍动能耗散率ε的输运方程来描述。[2]
式中：为平均速度矢量，为在x方向的分量，为在y方向的分量；S包含除压力梯度和粘性力以外的其他所有力的影响，包括重力，重力方向为y方向；为密度；为压力；T为温度；t为时间；为有效导热系数。
湍流模型为RNG k-ε模型
式中，是由平均速度梯度得到的湍流动能生成项，是由浮力得到的湍流动能生成项，和为k和的Prandt1数的倒数，为可压缩湍流中脉动量增长对湍流动能的贡献，和为源项。
RNG k-e模型中使用系统默认值，即：Cmu=0.85，C1-Epsion=1.42，C2-Epsion=1.68，Wall Prandt1 Number=0.85.
对燃气热水器对水罐的加热及水罐的保温进行数据求解时，综合燃气热水器瞬时加热负荷大及水罐小时热损失较小，可以将储热水罐近似看成是绝热体来简化参数设置。
二、计算结果及分析
采用ICEM对水罐划分如图3所示的网格，利用湍流模式中RNG k-ε模型对水罐加热过程进行模拟。
（一）普通太阳能燃气复合水罐
计算热水器对水罐的加热时间步长为设定探头处达到设定停止温度（55℃）的时间；计算水罐对流散热时间步长为设定探头处达到设定启动温度的时间（48℃）；计算结果如图4：
图4（a）为燃气热水器加热完成后的计算结果，从图中可以看出燃气加热对水罐下部温度影响较大，当水罐上部温度达到设定温度55℃时，下部水罐温度基本维持在30℃左右，但整个水罐的热影响区较大。
同时在实际整个换热过程中还需要考虑到水罐静止放置时的水罐内部对流换热，因此将图4（a）的瞬态加热状态作为初始条件，运用Fluent分析其一定时间内的对流换热影响区，通过计算其结果如图4（b），从图中可以经过10min后，其水罐内部水温基本均匀，维持在（42）℃，此时整个水罐的上下温度差较小，太阳能加热系统受热水器加热影响较大反复几次加热后，整个水罐中的水均会达到燃气加热目标温度，导致太阳能集热量非常少，产品不能够达到节能的目的。
分析产生这一问题的主要原因是进入水罐的热水在流速和重力的同时作用下分为向上和向下两股热流，而向下的热流直接会加速水罐上下的对流换热，导致水罐温差减少，是有害的热流，这一点可以在其加热过程中可看出如图4（C）。
（二）模型修正后的计算分析
通过上面的分析发现，上图水罐还有很大的改进空间，因此以下提出将燃气加热的进出水口位置进行更改，将水罐的出热水口设置高于进水口以减小有害热流的产生。计算结果如图5（a）。
从图可看出燃气加热对水罐下部温度影响不大，当水罐上部温度达到设定温度55℃时，下部水罐温度依然保持在20℃左右。
结果表明，合理的设计燃气热水器加热口的位置是减小对太阳能即集热区影响的有效途径之一。
修改后的水罐静止对流换热，其计算结果如图5（b）。
由图可知经过相同时间后，其水罐内部水温分层较原来理想，水罐下部依然保持在20—30℃的较低温度，有利于提高太阳能的保证率。
三、结论
1、提高水罐太阳能利用的途径并不唯一，本文只给出了常用水罐下通过合理的设计水罐各水嘴位置来提高太阳能利用率的一种经济有效的方法，特殊水罐未考虑（如水罐中增加间隔板、字母水罐等）。
2、此类共水罐设计时，需要综合考虑水罐的长径比和热流量大小，一般长径比越大，热流量越大，分层越明显，长径比越小，热流量越小，分层越不明显。
3、水罐设计时应注意减少进入水罐热水的向下热流，缓解上下部的对流换热，提高水罐温度分层，方便更好的利用太阳能资源。
4、此类水罐设计时还应该考虑到水温探头的合理布置，以便更好的提高水罐温度分层。
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