第28卷第10期太陽能學(xué)報Val. 28, No 1020年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA0t.,2007文章編號:0254096(2007)1010916太陽墻熱特性分析楊昭,徐曉麗,韓金麗(天津大學(xué)熱能研究所,天津30002摘要:對改進(jìn)的特朗勃墻進(jìn)行熱過程分析,采用CFD技術(shù)耦合流固傳熱求解控制方程研究了該太陽墻的動態(tài)熱特性及在冬夏季華北典型氣象條件的集熱、保溫、隔熱及預(yù)熱特性。同時,對墻體材料、墻體高度、空氣層厚度、通風(fēng)孔尺寸等敏感因子進(jìn)行了分析,給出了適宜的墻體材料及構(gòu)造形式。所得結(jié)論將有利于推進(jìn)太陽能一建筑一體化技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞:太陽墻;熱特性;CFD中圖分類號:TK51文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言葉形式。一側(cè)表面涂有高吸收率低反射率的選擇性涂層(吸收率為090反射率為016),另外一側(cè)涂有傳統(tǒng)特朗勃集熱墻體的主要缺點(diǎn)是冬季白天,白漆(反射率為096吸收率為021)冬季將帶有選厚重集熱墻表面溫升較慢空氣加熱存在較大的時擇性涂層一側(cè)置于外側(cè)以利于集熱(風(fēng)口63開);夏滯性;冬季夜間溫度較高的集熱墻在向室內(nèi)散熱的季當(dāng)室內(nèi)側(cè)下風(fēng)口打開時將帶有選擇性涂層一側(cè)置同時向室外傳熱而產(chǎn)生較大的熱損失;夏季白天由于外側(cè)以強(qiáng)化太陽能煙囪的通風(fēng)效果(6、2、1開);當(dāng)于集熱墻表面溫度較高室內(nèi)易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。改室內(nèi)側(cè)風(fēng)口均封閉時可將涂有白漆一側(cè)置于外側(cè),進(jìn)的特朗勃集熱墻通過對結(jié)構(gòu)和建筑材料的改進(jìn),減少蓄存的熱量以避免產(chǎn)生過熱現(xiàn)象(風(fēng)口4、1開)。有效地克服了傳統(tǒng)特朗勃墻的缺點(diǎn)。作為被動式太過渡季節(jié)(風(fēng)口453開),可以靈活處理活動百葉板陽能建筑的主要形式,其極具發(fā)展?jié)摿市枰獙ζ浼瓤梢詫⑷~片旋轉(zhuǎn)至水平以減小空氣流動阻力也可熱過程進(jìn)行較詳細(xì)的分析,以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年以仍作為集熱板以實(shí)現(xiàn)空氣預(yù)熱且提高空氣通道內(nèi)來CFD技術(shù)在太陽能建筑應(yīng)用的可靠性已得到驗(yàn)可資利用壓力。與傳統(tǒng)特朗勃墻相比,改進(jìn)的特朗勃證{。文獻(xiàn)[5]關(guān)于集熱墻的研究是基于恒定壁墻可以克服傳統(tǒng)特朗勃墻體所存的弊端。同時,可以面溫度下提出的,與實(shí)際熱邊界條件有差距。本文提高LAQ且有利于節(jié)能。通過建立三維模型,采用耦合流固傳熱及修改控制方程源項(xiàng)的方法,更貼近實(shí)際的研究了改進(jìn)的特朗勃墻的熱特性及其影響因子。1數(shù)學(xué)模型雙層玻璃11模型結(jié)構(gòu)圖1為本文介紹的兼有被動冷卻和加熱的改進(jìn)的特朗勃墻。它由雙層玻璃、金屬吸熱板、兩層空氣a改進(jìn)的太陽墻b不同的運(yùn)行模式間層、聚苯板層厚實(shí)體墻構(gòu)成。本文選用玻璃為圖1改進(jìn)太陽墻及不同運(yùn)行模式的結(jié)構(gòu)圖3m厚普通白玻璃,消光系數(shù)為003mm1,折射指數(shù)為1.526。金屬板為10mn鋁板鋁板設(shè)計(jì)為活動百中國煤化工收稿日期:2005-1229CNMHG基金項(xiàng)目:2]1二期工程建設(shè)項(xiàng)目;國家自然基金項(xiàng)目(5076048)作者簡介:徐曉麗(1975—),女博士研究生從事建筑節(jié)能與智能化研究。hino0@163,cm1092太陽能學(xué)報28卷為了準(zhǔn)確分析該太陽墻內(nèi)的熱特性,建立三維初始溫度場均勻(282K)的穩(wěn)態(tài)下,突然將太陽結(jié)構(gòu)模型。模型外形長08m高27m,寬度隨空氣輻射量的透過吸收量由零變?yōu)?00w/m2時,傳統(tǒng)和夾層厚度的變化而變化改進(jìn)型太陽墻內(nèi)空氣夾層溫度的動態(tài)熱響應(yīng)曲線有分析中做了如下假定:①忽略濕度變化對熱平很大的區(qū)別如圖2所示。衡的影響;②忽略墻體各層材料間的接觸熱阻;③材料熱物性視為常量;④各時刻內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)為定值,且忽略空氣滲透換熱作用一·傳統(tǒng)型1.2控制方程了294改進(jìn)型流體區(qū)域 RNG k-E0是對NS方程的平衡態(tài)做 Gauss統(tǒng)計(jì)展開,并對脈動頻譜進(jìn)行濾波處理,在e方程引入時均應(yīng)變率。方程中的有關(guān)系數(shù)不再是0246141618202224實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理結(jié)果,而是理論分析結(jié)果。流體區(qū)域計(jì)算步長(1步=20)RNG兩方程模型為圖2太陽墻的動態(tài)熱響應(yīng)曲線Fig. 2 Curve o dynamical thermal response of solar wallat +di(eup)=div(grad)+S (1)可見,改進(jìn)的太陽墻具有集熱速度快且空氣溫關(guān)于RN兩方程中有關(guān)系數(shù)本處不再展開。度升高幅值大的特點(diǎn)。因傳統(tǒng)型太陽墻需先加熱墻壓力速度耦合采用 simple算法,對流項(xiàng)采用二階迎體后再加熱空氣,所以加熱速度慢且空氣溫度升高風(fēng)格式幅值小。固體區(qū)域傳熱方程為22冬季夜晚熱損失分析at atat a2室外天空輻射溫度為(2)Ts=√0.51+0208√e,T本模型中,Sx各固體介質(zhì)層所吸收的太陽輻射室內(nèi)外溫度分別為∞1、267.6K;e。=0,3403kPa,其熱量和輻射換熱量8余條件同前述模擬結(jié)果見圖3。從圖中可以清晰地看吸收太陽能輻射量為:到:由于a型墻的對流換熱和傳導(dǎo)換熱量高,其空氣間Q,=aA(r,Ib+tald)(3)層內(nèi)的空氣平均溫度高于b型號。同時,由于改進(jìn)的太本文選用D0( FLUENT INC生產(chǎn))輻射模型(離陽墻的熱阻較高在聚苯板內(nèi)存在較大的溫度梯度,從散坐標(biāo)法)計(jì)算輻射換熱以提高計(jì)算速度。DO輻射而使得太陽墻室內(nèi)側(cè)表面溫度波動很小,可以營造較為模型不屬于射線追蹤法它是沿任一方向?qū)臻g內(nèi)舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。仿真結(jié)果顯示控制容積中的角度進(jìn)行離散并建立輸運(yùn)方程。Q(m8B=0.235Q認(rèn)4太陽墻內(nèi)的可資利用壓力為熱壓、風(fēng)壓和室內(nèi)外空氣壓差組成的綜合壓力(分析中采用了 Boussineq模型)△P,=k倍-h+△4團(tuán)H+△P(4計(jì)算中,對近壁面區(qū)選用增強(qiáng)壁面函數(shù)法進(jìn)行處3=:82理。數(shù)值模擬的邊界條件:在太陽墻的室內(nèi)外表面處施以第三類熱邊界條件,換熱系數(shù)為18787W/(m2K);風(fēng)口處為壓力進(jìn)出口邊界條件,本文不考慮風(fēng)壓和室內(nèi)外壓差的影響風(fēng)囗處相對壓力均為0PaM凵中國煤化工數(shù)進(jìn)形式2太陽墻熱特性模擬結(jié)果分析CNMH溫度分布Fig 3 Temperature field of two type solar wall in winter night21動態(tài)熱響應(yīng)10期楊昭等:太陽墻熱特性分析09323冬季集熱特性分析體系內(nèi)溫度場模擬結(jié)果。模擬分析中,內(nèi)、外層玻璃典型日太陽南向輻射和雙玻透過體系逐時的太陽能吸收率分別為01270068,雙層玻璃的太值見圖4a。由圖4b的逐時計(jì)算結(jié)果可知改進(jìn)陽能透過率為0538。太陽能煙囪模式下室內(nèi)外空型特朗勃上下風(fēng)口最大溫差可達(dá)到30。在冬季陽氣溫度均為285℃,太陽輻射為466W/m2。外循環(huán)光充足的白天,通道內(nèi)的空氣質(zhì)量流量可達(dá)模式下,室內(nèi)溫度為26℃,其余同前述。0012kg,循環(huán)對流得熱量可達(dá)438W,即可有效的■3224021實(shí)現(xiàn)被動集熱,降低建筑能耗。值得注意的是:在3.19e+023.17e+028:00和17:00,循環(huán)對流得熱量為負(fù)值。這說明:此3.15e+02時通過太陽墻不僅不能集熱,反而會形成逆循環(huán)而3.13e+02出現(xiàn)散熱現(xiàn)象。故在實(shí)際操作中,不宜在太陽輻射量較小的清晨或傍晚開啟風(fēng)口3.08+023.06e+023.04e+023.0le+022.99c+02k05a太陽能煙囪模式b.外循環(huán)模式03圖5夏季白天太陽墻內(nèi)溫度場0summer在太陽能煙囪模式下,通道內(nèi)空氣溫度為一太陽高度角一太陽輻射量314.K,通過風(fēng)口排出的熱量為46474W,空氣流第一層玻璃太陽能吸收率→第二層玻璃太陽能吸收率量為0.01817kgs,即可實(shí)現(xiàn)被動冷卻而節(jié)約能耗。層玻璃的太陽能透過率在外循環(huán)模式下,將金屬板涂有白漆和涂有選擇性a冬季計(jì)算參數(shù)天津1月21日)涂層的一面分別旋至外側(cè)時,體系內(nèi)溫度場有較大差異。盡管后者可誘導(dǎo)產(chǎn)生的空氣流量是前者的1.84倍,但是就隔熱效果而言,前者的室內(nèi)側(cè)墻體內(nèi)表面溫度較后者低08℃,這主要是由于金屬板涂有低吸收率(021)和高發(fā)射率(0%6)的白漆面與內(nèi)層玻璃相對,而涂有發(fā)射率較低的選擇性涂層的一面與聚苯板面相對,使得夾層內(nèi)平均溫度明顯降低,方面起到積極的隔熱作用,另一方面削弱了熱壓作1012141618用,使通道內(nèi)空氣流量明顯降低。時刻25預(yù)熱特性分析上風(fēng)口溫度亠室外溫度選取冬季典型日12:00的室外氣象參數(shù)為模擬室內(nèi)溫度工況。上下風(fēng)口相對壓力為0Pa,其余參數(shù)同前(結(jié)b.太陽墻冬季典型日日照期間集熱特性果見圖6)。圖4冬季日照期間的CFD模擬結(jié)果圖6中的速度場圖示表明:通道內(nèi)存在較為復(fù)雜Fig 4 CFD simulation results in winter daytime的流動。在熱壓作用下,空氣由下風(fēng)口以較為均勻的24夏季隔熱特性分析速度吸入,當(dāng)撞擊到聚苯板后被迫改變方向沿通道向太陽墻在夏季可以以太陽能煙囪模式運(yùn)行,另上運(yùn)動在速度場中可看到由于速度方向改變而形外如果室內(nèi)為空調(diào)工況,可將金屬板涂有白漆的成的中國煤化工苯板所引起的兩面旋轉(zhuǎn)至外側(cè)。同時,封閉室內(nèi)側(cè)上、下風(fēng)口,開啟股CNMH了通道中部速度室外側(cè)風(fēng)口以外循環(huán)模式運(yùn)行圖5為兩種模式下較小,而在近壁區(qū)域速度及速度梯度較大的現(xiàn)象。同094太陽能學(xué)報3.22e+023.19e+0233017e+023.15+023.13e+023153.10e+023.08e+023.06c+02304e+023035404.5505.5高度99e+02圖7太陽墻高度對其溫度場的影響且溫度場b.速度場Fig7 Influence of the solar wall height on the temperature field210圖6預(yù)熱模式下的仿真結(jié)果Fig. 6 The simulation results under pre-heating operation mode325時,由于上部空間阻礙自然對流的充分發(fā)展,在通道195頂部形成了明顯的漩渦區(qū),即溫度場中出現(xiàn)的“熱墊層”區(qū)域。與速度場類似,由溫度場圖示可以看到在粘性力作用下,壁面處存在較大的溫度值和溫度梯度;在通道內(nèi),空氣溫度及壁面溫度沿高度逐漸升高,(1.苯板加混凝土2.小砌筑塊3.混凝土)一般可認(rèn)為呈指數(shù)函數(shù)變化。另外,傳熱量和傳熱方圖8墻體材料對其溫度場的影響向亦隨通道高度變化而變化。在通道下部,由于聚苯Fig. 8 Influence of wall material on the temperature field板的界面溫度小于室內(nèi)側(cè)墻體表面溫度,熱量由室內(nèi)傳向夾層;在上部則出現(xiàn)相反情況熱量由空氣夾層330向室內(nèi)傳遞。本工況下的模擬結(jié)果顯示:通過太陽墻的預(yù)熱作用,進(jìn)入室內(nèi)的空氣流量為001475m3/8,出口空氣溫度約為30℃,即產(chǎn)生近30%的溫升。以34/+二+0,12220m2的房間為例:使用該太陽墻,每小時換氣次數(shù)可達(dá)到09,完全滿足衛(wèi)生要求。0060080100.120.140.160.180.20空氣層厚度/m26敏感因子分析影響太陽墻性能的主要因素是室外氣象參數(shù)及9空氣層厚度對其溫度場的影響太陽墻結(jié)構(gòu)。由于室外參數(shù)有較大的脈動和不確定Fg,9 fluence of the thickness of air gap on the temperature field性所以主要以結(jié)構(gòu)參數(shù)作為敏感因子對太陽墻模式下的改進(jìn)的特朗勃墻體的熱特性進(jìn)行分析(邊界條件和氣象參數(shù)與太陽能煙囪模式下參數(shù)相同)。￥325由圖7圖10知1)集熱墻的高度對溫度場的影響較小,而對通道內(nèi)空氣流量影響較大。高度由27m變化到6203040s54m。流量增加了1.56倍。引用 Bansal的結(jié)論,風(fēng)口寬度/m通道內(nèi)空氣流量可表示為圖10通風(fēng)口面積對其溫度場的影響y1+4~36002gA(T.)(6) EN\中國煤化工口高CNMHG對于很多揣流邊界24-如。本模型也可利由上式知:在風(fēng)口尺寸一定的條件下,流量是風(fēng)用上式進(jìn)行定性分析,即:當(dāng)流動進(jìn)入旺盛森流區(qū)10期楊昭等:太陽墻熱特性分析時隨著高度的增加,對流換熱系數(shù)增加的輻度較即隨著風(fēng)口面積的增大,局部阻力降低夾層內(nèi)的風(fēng)小,故夾層內(nèi)溫度變化較小。熱壓作用力的大小與速將加大,通風(fēng)量增加?；谀芰渴睾阍?在相同夾層高度成正比,高度的增加只是加大空氣驅(qū)動力,的室外氣象條件下,夾層內(nèi)的溫升幅度將降低,進(jìn)而進(jìn)而增強(qiáng)通風(fēng)量又將抑制風(fēng)速的增加故二者存在一平衡點(diǎn)。同時2)集熱墻體的材料及組成對溫度場影響較大。由于頂部熱阻力區(qū)的存在,加大出口面積將降低出由熱傳導(dǎo)理論可得:墻體傳熱系數(shù)隨墻體熱阻加大口溫度。通風(fēng)口的高度宜盡量靠近頂部。由于太陽而減小。在圖8中體現(xiàn)為界面溫度和鐵板溫度隨熱能煙囪主要考察其流量特性,故在該模式下應(yīng)盡可阻增加而升高流體溫升隨之加大。相同情況下,外能實(shí)現(xiàn)風(fēng)口面積與通道橫斷面積比接近于1。這樣貼100m0聚苯板的2m混凝土墻體與單一可最大限度的減小流動阻力,提高通道內(nèi)可資利用300m混凝土墻體、30m小砌塊墻體相比較其夾壓力,進(jìn)而增大通風(fēng)量以最大程度的實(shí)現(xiàn)建筑中的層空氣溫度前者較后二者高3℃左右。由式(4)知:自然通風(fēng),這一點(diǎn)與預(yù)熱模式不同。后者既要考察通道內(nèi)空氣可資利用壓力增加,流量呈增大趨勢?？諝饬髁扛杓骖櫩諝獬隹跍囟?通風(fēng)口面積宜為基于反應(yīng)系數(shù)法,在單位三角波擾動作用下,編制程空氣間層橫斷面積的20%~40%,所以兩種模式對序計(jì)算集熱墻與空氣夾層的耦合界面處的吸熱反應(yīng)風(fēng)口面積的要求不同。系數(shù)Z(j)和墻體的傳熱反應(yīng)系數(shù)Y(j)。結(jié)果表明:上述3種墻體表面在擾量作用下初期z()基3結(jié)論本相同,在后期j>5時,聚苯板復(fù)合墻體的放熱系)改進(jìn)的太陽墻具有較傳統(tǒng)型更優(yōu)良的熱特?cái)?shù)明顯大于其它兩種墻體。另外,由于λ苯板人凝士性。冬季選擇帶有選擇性表面的金屬板為吸熱面0024,可知聚苯板復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)具有熱響應(yīng)速度可有效的防止熱量散失進(jìn)而提高熱效率;夏季,快、表面溫升高的優(yōu)點(diǎn)。同時,由對流換熱理論知方面可以將金屬板翻轉(zhuǎn),選取白漆面為吸熱面可起該結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)對流換熱系數(shù)、快速提升夾層內(nèi)空氣到很好的隔熱效果,另一方面可用太陽能煙囪模式溫度和增強(qiáng)通風(fēng)量。雖然墻體的導(dǎo)熱量減小,但相運(yùn)行而實(shí)現(xiàn)被動冷卻。在過渡季,可利用太陽墻實(shí)應(yīng)地在無太陽輻射期間熱損失減小。3)增加空氣層厚度會略微增加空氣間層的游現(xiàn)通風(fēng)換氣作用,在一定程度上可縮短空調(diào)的使用度但對于通風(fēng)量的變化是先增大然后減小,存在時間。綜合可得:該體系具有明顯的節(jié)能效果;最佳厚度。本模擬條件下,空氣層厚度以0.1m為2)在材料上宜選用熱阻較大的集熱墻體類型,宜。分析認(rèn)為:夾層內(nèi)的空氣流動可近似看作是在加聚苯板的復(fù)合墻體具有加熱快、對流換熱量高的兩個恒熱流垂直壁板間形成的自然對流氣流的綜合優(yōu)點(diǎn)宜優(yōu)先選用;作用結(jié)果。在夾層寬度較小時,粘性力引起的摩擦3)太陽墻高度應(yīng)不小于33m;阻力較大,夾層內(nèi)空氣流速將降低。隨著夾層厚度4)空氣層厚度的加大,在一定程度上可以增加變寬粘性影響減小夾層空氣流速增大且通風(fēng)量增通風(fēng)量,但有極限。本文模報條件下以01m為宜加。但當(dāng)夾層厚度超過某一值時,兩自然對流氣流5)增大通風(fēng)孔面積可以提高通風(fēng)量,但相應(yīng)地的交互作用減弱表現(xiàn)為兩個邊界層相互獨(dú)立的自夾層空氣溫度會降低。冬季預(yù)熱通風(fēng)時通風(fēng)口面然對流。由模擬結(jié)果顯示夾層通道中部的速度和溫積宣為空氣間層橫斷面積的20%~40%。但是,作度變化趨于平緩但是速度和溫度都將降低;此時,為太陽能煙囪時由于不需考慮出口溫度所以宜盡通道內(nèi)也易于出現(xiàn)渦旋流,通風(fēng)量將減小。可能增大通風(fēng)口面積以減小流動阻力,使通風(fēng)口面4)通風(fēng)口的尺寸會影響集熱墻溫度場及空氣層積與通道橫斷面面積之比接近于1為宜。所以,通流動速度。在本文中保持集熱孔的高度不變,隨著風(fēng)口應(yīng)做成可以充分體現(xiàn)其智能化的可改變面積的寬度由01m變到08m其各層溫度下降而通風(fēng)量可變中國煤化工呈增加趨勢。由通道內(nèi)阻力計(jì)算式知卻、新風(fēng)預(yù)熱功能△P=521+5m2+l的符合CNMHO和之其成本較低,是極具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲芙ㄖ惑w化結(jié)構(gòu)。太陽能學(xué)報28卷[參考文獻(xiàn)][9] 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