太阳墙热特性分析

第28卷第10期太阳能学报Val. 28, No 1020年10月ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA0t.,2007文章编号:0254096(2007)1010916太阳墙热特性分析杨昭,徐晓丽,韩金丽(天津大学热能研究所,天津30002摘要:对改进的特朗勃墙进行热过程分析,采用CFD技术耦合流固传热求解控制方程研究了该太阳墙的动态热特性及在冬夏季华北典型气象条件的集热、保温、隔热及预热特性。同时,对墙体材料、墙体高度、空气层厚度、通风孔尺寸等敏感因子进行了分析,给出了适宜的墙体材料及构造形式。所得结论将有利于推进太阳能一建筑一体化技术的发展。关键词:太阳墙;热特性;CFD中图分类号:TK51文献标识码:A0引言叶形式。一侧表面涂有高吸收率低反射率的选择性涂层(吸收率为090反射率为016),另外一侧涂有传统特朗勃集热墙体的主要缺点是冬季白天,白漆(反射率为096吸收率为021)冬季将带有选厚重集热墙表面温升较慢空气加热存在较大的时择性涂层一侧置于外侧以利于集热(风口63开);夏滞性;冬季夜间温度较高的集热墙在向室内散热的季当室内侧下风口打开时将带有选择性涂层一侧置同时向室外传热而产生较大的热损失;夏季白天由于外侧以强化太阳能烟囱的通风效果(6、2、1开);当于集热墙表面温度较高室内易产生过热现象。改室内侧风口均封闭时可将涂有白漆一侧置于外侧,进的特朗勃集热墙通过对结构和建筑材料的改进,减少蓄存的热量以避免产生过热现象(风口4、1开)。有效地克服了传统特朗勃墙的缺点。作为被动式太过渡季节(风口453开),可以灵活处理活动百叶板阳能建筑的主要形式,其极具发展潜力故需要对其既可以将叶片旋转至水平以减小空气流动阻力也可热过程进行较详细的分析,以进行优化设计。近年以仍作为集热板以实现空气预热且提高空气通道内来CFD技术在太阳能建筑应用的可靠性已得到验可资利用压力。与传统特朗勃墙相比,改进的特朗勃证{。文献[5]关于集热墙的研究是基于恒定壁墙可以克服传统特朗勃墙体所存的弊端。同时,可以面温度下提出的,与实际热边界条件有差距。本文提高LAQ且有利于节能。通过建立三维模型,采用耦合流固传热及修改控制方程源项的方法,更贴近实际的研究了改进的特朗勃墙的热特性及其影响因子。1数学模型双层玻璃11模型结构图1为本文介绍的兼有被动冷却和加热的改进的特朗勃墙。它由双层玻璃、金属吸热板、两层空气a改进的太阳墙b不同的运行模式间层、聚苯板层厚实体墙构成。本文选用玻璃为图1改进太阳墙及不同运行模式的结构图3m厚普通白玻璃,消光系数为003mm1,折射指数为1.526。金属板为10mn铝板铝板设计为活动百中国煤化工收稿日期:2005-1229CNMHG基金项目:2]1二期工程建设项目;国家自然基金项目(5076048)作者简介:徐晓丽(1975—),女博士研究生从事建筑节能与智能化研究。hino0@163,cm1092太阳能学报28卷为了准确分析该太阳墙内的热特性,建立三维初始温度场均匀(282K)的稳态下,突然将太阳结构模型。模型外形长08m高27m,宽度随空气辐射量的透过吸收量由零变为300w/m2时,传统和夹层厚度的变化而变化改进型太阳墙内空气夹层温度的动态热响应曲线有分析中做了如下假定:①忽略湿度变化对热平很大的区别如图2所示。衡的影响;②忽略墙体各层材料间的接触热阻;③材料热物性视为常量;④各时刻内外表面对流换热系数为定值,且忽略空气渗透换热作用一·传统型1.2控制方程了294改进型流体区域 RNG k-E0是对NS方程的平衡态做 Gauss统计展开,并对脉动频谱进行滤波处理,在e方程引入时均应变率。方程中的有关系数不再是0246141618202224实验数据整理结果,而是理论分析结果。流体区域计算步长(1步=20)RNG两方程模型为图2太阳墙的动态热响应曲线Fig. 2 Curve o dynamical thermal response of solar wallat +di(eup)=div(grad)+S (1)可见,改进的太阳墙具有集热速度快且空气温关于RN两方程中有关系数本处不再展开。度升高幅值大的特点。因传统型太阳墙需先加热墙压力速度耦合采用 simple算法,对流项采用二阶迎体后再加热空气,所以加热速度慢且空气温度升高风格式幅值小。固体区域传热方程为22冬季夜晚热损失分析at atat a2室外天空辐射温度为(2)Ts=√0.51+0208√e,T本模型中,Sx各固体介质层所吸收的太阳辐射室内外温度分别为∞1、267.6K;e。=0,3403kPa,其热量和辐射换热量8余条件同前述模拟结果见图3。从图中可以清晰地看吸收太阳能辐射量为:到:由于a型墙的对流换热和传导换热量高,其空气间Q,=aA(r,Ib+tald)(3)层内的空气平均温度高于b型号。同时,由于改进的太本文选用D0( FLUENT INC生产)辐射模型(离阳墙的热阻较高在聚苯板内存在较大的温度梯度,从散坐标法)计算辐射换热以提高计算速度。DO辐射而使得太阳墙室内侧表面温度波动很小,可以营造较为模型不属于射线追踪法它是沿任一方向对空间内舒适的室内热环境。仿真结果显示控制容积中的角度进行离散并建立输运方程。Q(m8B=0.235Q认4太阳墙内的可资利用压力为热压、风压和室内外空气压差组成的综合压力(分析中采用了 Boussineq模型)△P,=k倍-h+△4团H+△P(4计算中,对近壁面区选用增强壁面函数法进行处3=:82理。数值模拟的边界条件:在太阳墙的室内外表面处施以第三类热边界条件,换热系数为18787W/(m2K);风口处为压力进出口边界条件,本文不考虑风压和室内外压差的影响风囗处相对压力均为0PaM凵中国煤化工数进形式2太阳墙热特性模拟结果分析CNMH温度分布Fig 3 Temperature field of two type solar wall in winter night21动态热响应10期杨昭等:太阳墙热特性分析09323冬季集热特性分析体系内温度场模拟结果。模拟分析中,内、外层玻璃典型日太阳南向辐射和双玻透过体系逐时的太阳能吸收率分别为01270068,双层玻璃的太值见图4a。由图4b的逐时计算结果可知改进阳能透过率为0538。太阳能烟囱模式下室内外空型特朗勃上下风口最大温差可达到30。在冬季阳气温度均为285℃,太阳辐射为466W/m2。外循环光充足的白天,通道内的空气质量流量可达模式下,室内温度为26℃,其余同前述。0012kg,循环对流得热量可达438W,即可有效的■3224021实现被动集热,降低建筑能耗。值得注意的是:在3.19e+023.17e+028:00和17:00,循环对流得热量为负值。这说明:此3.15e+02时通过太阳墙不仅不能集热,反而会形成逆循环而3.13e+02出现散热现象。故在实际操作中,不宜在太阳辐射量较小的清晨或傍晚开启风口3.08+023.06e+023.04e+023.0le+022.99c+02k05a太阳能烟囱模式b.外循环模式03图5夏季白天太阳墙内温度场0summer在太阳能烟囱模式下,通道内空气温度为一太阳高度角一太阳辐射量314.K,通过风口排出的热量为46474W,空气流第一层玻璃太阳能吸收率→第二层玻璃太阳能吸收率量为0.01817kgs,即可实现被动冷却而节约能耗。层玻璃的太阳能透过率在外循环模式下,将金属板涂有白漆和涂有选择性a冬季计算参数天津1月21日)涂层的一面分别旋至外侧时,体系内温度场有较大差异。尽管后者可诱导产生的空气流量是前者的1.84倍,但是就隔热效果而言,前者的室内侧墙体内表面温度较后者低08℃,这主要是由于金属板涂有低吸收率(021)和高发射率(0%6)的白漆面与内层玻璃相对,而涂有发射率较低的选择性涂层的一面与聚苯板面相对,使得夹层内平均温度明显降低,方面起到积极的隔热作用,另一方面削弱了热压作1012141618用,使通道内空气流量明显降低。时刻25预热特性分析上风口温度亠室外温度选取冬季典型日12:00的室外气象参数为模拟室内温度工况。上下风口相对压力为0Pa,其余参数同前(结b.太阳墙冬季典型日日照期间集热特性果见图6)。图4冬季日照期间的CFD模拟结果图6中的速度场图示表明:通道内存在较为复杂Fig 4 CFD simulation results in winter daytime的流动。在热压作用下,空气由下风口以较为均匀的24夏季隔热特性分析速度吸入,当撞击到聚苯板后被迫改变方向沿通道向太阳墙在夏季可以以太阳能烟囱模式运行,另上运动在速度场中可看到由于速度方向改变而形外如果室内为空调工况,可将金属板涂有白漆的成的中国煤化工苯板所引起的两面旋转至外侧。同时,封闭室内侧上、下风口,开启股CNMH了通道中部速度室外侧风口以外循环模式运行图5为两种模式下较小,而在近壁区域速度及速度梯度较大的现象。同094太阳能学报3.22e+023.19e+0233017e+023.15+023.13e+023153.10e+023.08e+023.06c+02304e+023035404.5505.5高度99e+02图7太阳墙高度对其温度场的影响且温度场b.速度场Fig7 Influence of the solar wall height on the temperature field210图6预热模式下的仿真结果Fig. 6 The simulation results under pre-heating operation mode325时,由于上部空间阻碍自然对流的充分发展,在通道195顶部形成了明显的漩涡区,即温度场中出现的“热垫层”区域。与速度场类似,由温度场图示可以看到在粘性力作用下,壁面处存在较大的温度值和温度梯度;在通道内,空气温度及壁面温度沿高度逐渐升高,(1.苯板加混凝土2.小砌筑块3.混凝土)一般可认为呈指数函数变化。另外,传热量和传热方图8墙体材料对其温度场的影响向亦随通道高度变化而变化。在通道下部,由于聚苯Fig. 8 Influence of wall material on the temperature field板的界面温度小于室内侧墙体表面温度,热量由室内传向夹层;在上部则出现相反情况热量由空气夹层330向室内传递。本工况下的模拟结果显示:通过太阳墙的预热作用,进入室内的空气流量为001475m3/8,出口空气温度约为30℃,即产生近30%的温升。以34/+二+0,12220m2的房间为例:使用该太阳墙,每小时换气次数可达到09,完全满足卫生要求。0060080100.120.140.160.180.20空气层厚度/m26敏感因子分析影响太阳墙性能的主要因素是室外气象参数及9空气层厚度对其温度场的影响太阳墙结构。由于室外参数有较大的脉动和不确定Fg,9 fluence of the thickness of air gap on the temperature field性所以主要以结构参数作为敏感因子对太阳墙模式下的改进的特朗勃墙体的热特性进行分析(边界条件和气象参数与太阳能烟囱模式下参数相同)。￥325由图7图10知1)集热墙的高度对温度场的影响较小,而对通道内空气流量影响较大。高度由27m变化到6203040s54m。流量增加了1.56倍。引用 Bansal的结论,风口宽度/m通道内空气流量可表示为图10通风口面积对其温度场的影响y1+4~36002gA(T.)(6) EN\中国煤化工口高CNMHG对于很多揣流边界24-如。本模型也可利由上式知:在风口尺寸一定的条件下,流量是风用上式进行定性分析,即:当流动进入旺盛森流区10期杨昭等:太阳墙热特性分析时随着高度的增加,对流换热系数增加的辐度较即随着风口面积的增大,局部阻力降低夹层内的风小,故夹层内温度变化较小。热压作用力的大小与速将加大,通风量增加。基于能量守恒原理,在相同夹层高度成正比,高度的增加只是加大空气驱动力,的室外气象条件下,夹层内的温升幅度将降低,进而进而增强通风量又将抑制风速的增加故二者存在一平衡点。同时2)集热墙体的材料及组成对温度场影响较大。由于顶部热阻力区的存在,加大出口面积将降低出由热传导理论可得:墙体传热系数随墙体热阻加大口温度。通风口的高度宜尽量靠近顶部。由于太阳而减小。在图8中体现为界面温度和铁板温度随热能烟囱主要考察其流量特性,故在该模式下应尽可阻增加而升高流体温升随之加大。相同情况下,外能实现风口面积与通道横断面积比接近于1。这样贴100m0聚苯板的2m混凝土墙体与单一可最大限度的减小流动阻力,提高通道内可资利用300m混凝土墙体、30m小砌块墙体相比较其夹压力,进而增大通风量以最大程度的实现建筑中的层空气温度前者较后二者高3℃左右。由式(4)知:自然通风,这一点与预热模式不同。后者既要考察通道内空气可资利用压力增加,流量呈增大趋势。空气流量更需兼顾空气出口温度,通风口面积宜为基于反应系数法,在单位三角波扰动作用下,编制程空气间层横断面积的20%~40%,所以两种模式对序计算集热墙与空气夹层的耦合界面处的吸热反应风口面积的要求不同。系数Z(j)和墙体的传热反应系数Y(j)。结果表明:上述3种墙体表面在扰量作用下初期z()基3结论本相同,在后期j>5时,聚苯板复合墙体的放热系)改进的太阳墙具有较传统型更优良的热特数明显大于其它两种墙体。另外,由于λ苯板人凝士性。冬季选择带有选择性表面的金属板为吸热面0024,可知聚苯板复合墙体结构具有热响应速度可有效的防止热量散失进而提高热效率;夏季,快、表面温升高的优点。同时,由对流换热理论知方面可以将金属板翻转,选取白漆面为吸热面可起该结构可增强对流换热系数、快速提升夹层内空气到很好的隔热效果,另一方面可用太阳能烟囱模式温度和增强通风量。虽然墙体的导热量减小,但相运行而实现被动冷却。在过渡季,可利用太阳墙实应地在无太阳辐射期间热损失减小。3)增加空气层厚度会略微增加空气间层的游现通风换气作用,在一定程度上可缩短空调的使用度但对于通风量的变化是先增大然后减小,存在时间。综合可得:该体系具有明显的节能效果;最佳厚度。本模拟条件下,空气层厚度以0.1m为2)在材料上宜选用热阻较大的集热墙体类型,宜。分析认为:夹层内的空气流动可近似看作是在加聚苯板的复合墙体具有加热快、对流换热量高的两个恒热流垂直壁板间形成的自然对流气流的综合优点宜优先选用;作用结果。在夹层宽度较小时,粘性力引起的摩擦3)太阳墙高度应不小于33m;阻力较大,夹层内空气流速将降低。随着夹层厚度4)空气层厚度的加大,在一定程度上可以增加变宽粘性影响减小夹层空气流速增大且通风量增通风量,但有极限。本文模报条件下以01m为宜加。但当夹层厚度超过某一值时,两自然对流气流5)增大通风孔面积可以提高通风量,但相应地的交互作用减弱表现为两个边界层相互独立的自夹层空气温度会降低。冬季预热通风时通风口面然对流。由模拟结果显示夹层通道中部的速度和温积宣为空气间层横断面积的20%~40%。但是,作度变化趋于平缓但是速度和温度都将降低;此时,为太阳能烟囱时由于不需考虑出口温度所以宜尽通道内也易于出现涡旋流,通风量将减小。可能增大通风口面积以减小流动阻力,使通风口面4)通风口的尺寸会影响集热墙温度场及空气层积与通道横断面面积之比接近于1为宜。所以,通流动速度。在本文中保持集热孔的高度不变,随着风口应做成可以充分体现其智能化的可改变面积的宽度由01m变到08m其各层温度下降而通风量可变中国煤化工呈增加趋势。由通道内阻力计算式知却、新风预热功能△P=521+5m2+l的符合CNMHO和之其成本较低,是极具发展潜力的太阳能建筑一体化结构。太阳能学报28卷[参考文献][9] Zhang Qingyuan. China standard meteorologic database for ar[1] Letan r, Dubowsky v, Ziskind G. Passive ventilation and[0陶文铨.传热学M].北京:高等教育出版社,198heating by natural convection in a multi-story building[ J]. [10] Tao Wenquan. Heat transfer[M]. Beijing: Higher EducationBuilding and Enviroment, 2003, 38: 197-208Prs,1998,tural covection in a heated[11] BansalN K, Mahur Rajesh, Bhandari S. Solar chimneytical channel for room ventilation[J]. Building and Environ-enhanced stack ventilation [J]. Building and Environmentmet,2000,35:455469993,28:373-3773] Ziskind G, Dubowsky V, Letan R Ventilation by natural con-vection d a one-story building[J]. Energy and Building2002,34;91-102S源项[4] Yin S H, Wung T Y, Chen K. Natural convection in a en-太阳辐射吸收率losed within rectangular cavities[J].Internatioanal Joumal通用变量Mass Transfer,l978,(21):307-315k1进口处空气动力系数[5] Gen guohua. A parametric study d Trombe walls for passive T温度Kcooling of building[J]. Energy and building,1998,27:37-k2出风口处空气动力系数P压力,Pa[6】]陶文铨,数值传热学[M].西安西安交通大学出版社,β空气热膨胀系数,1/KP密度,kgm[6] Tao Wenquan. Numerical heat transfer[ M].Xi'an: Xi'an水蒸汽压力Jiaotong University Publishing Company, 2001t时间,s[7]严启森,赵庆珠.建筑热过程[M].北京:中国建筑出T,室外空气温度版社,1986,1-99r广义扩散系数,C=csh7] Yan Qiwen, Zhao qingzhu. Thermal process of building[M].h太阳高度角Beijing: China architecture& Building Press,1986,1-9.L直射辐射强度,W/m2[8]李元哲,狄洪波.被动式太阳房原理及设计[M].北,散射阳光透过率京:能源出版社,1989,1-122J4散射辐射强度,w/m[8] Li Yuanzhe, Di Hongbo. Design and principle o passive solarr直射阳光透过率building[ M]. Beijing: Energy Sources Publishing Compar,r太阳辐射强度Wm2太阳辐射双玻透过率[9]张晴原.中国建筑用标准气象数据库[M].机械工业出表示温度波衰减倍数版社,2004STUDY ON THE THERMAL PERFORMANCE OF SOLAR WALLYang Zhao, Xu Xiaoli, Han JinliTianyin Universiy Therm Enargy Research insti, Tianyin 3000, China)Abstract: By analyzing the heat transfer process, a CFD model for simulatingmamic thermal perfeenhanceof reformative solar wall was presented and solved by coupling the heat transfer in solid region with the viscosity fluid Under thetypical winter and summer meteorologic condition of North China, the thermal performance of heat collection, heat preser-in the paper will promote the development of the technology中国煤化工mKeywords: solar wall; thermal performance; CFDTTYCNMHG