太陽(yáng)墻熱特性分析

第28卷第10期太陽(yáng)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(yáng)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(guò)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(yáng)墻的動(dòng)態(tài)熱特性及在冬夏季華北典型氣象條件的集熱、保溫、隔熱及預熱特性。同時(shí),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造形式。所得結論將有利于推進(jìn)太陽(yáng)能一建筑一體化技術(shù)的發(fā)展。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)墻;熱特性;CFD中圖分類(lèi)號:TK51文獻標識碼:A0引言葉形式。一側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),另外一側涂有傳統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(shí)擇性涂層一側置于外側以利于集熱(風(fēng)口63開(kāi));夏滯性;冬季夜間溫度較高的集熱墻在向室內散熱的季當室內側下風(fēng)口打開(kāi)時(shí)將帶有選擇性涂層一側置同時(shí)向室外傳熱而產(chǎn)生較大的熱損失;夏季白天由于外側以強化太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)效果(6、2、1開(kāi));當于集熱墻表面溫度較高室內易產(chǎn)生過(guò)熱現象。改室內側風(fēng)口均封閉時(shí)可將涂有白漆一側置于外側,進(jìn)的特朗勃集熱墻通過(guò)對結構和建筑材料的改進(jìn),減少蓄存的熱量以避免產(chǎn)生過(guò)熱現象(風(fēng)口4、1開(kāi))。有效地克服了傳統特朗勃墻的缺點(diǎn)。作為被動(dòng)式太過(guò)渡季節(風(fēng)口453開(kāi)),可以靈活處理活動(dòng)百葉板陽(yáng)能建筑的主要形式,其極具發(fā)展潛力故需要對其既可以將葉片旋轉至水平以減小空氣流動(dòng)阻力也可熱過(guò)程進(jìn)行較詳細的分析,以進(jìn)行優(yōu)化設計。近年以仍作為集熱板以實(shí)現空氣預熱且提高空氣通道內來(lái)CFD技術(shù)在太陽(yáng)能建筑應用的可靠性已得到驗可資利用壓力。與傳統特朗勃墻相比,改進(jìn)的特朗勃證{。文獻[5]關(guān)于集熱墻的研究是基于恒定壁墻可以克服傳統特朗勃墻體所存的弊端。同時(shí),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且有利于節能。通過(guò)建立三維模型,采用耦合流固傳熱及修改控制方程源項的方法,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數學(xué)模型雙層玻璃11模型結構圖1為本文介紹的兼有被動(dòng)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(yáng)墻b不同的運行模式間層、聚苯板層厚實(shí)體墻構成。本文選用玻璃為圖1改進(jìn)太陽(yáng)墻及不同運行模式的結構圖3m厚普通白玻璃,消光系數為003mm1,折射指數為1.526。金屬板為10mn鋁板鋁板設計為活動(dòng)百中國煤化工收稿日期:2005-1229CNMHG基金項目:2]1二期工程建設項目;國家自然基金項目(5076048)作者簡(jiǎn)介:徐曉麗(1975—),女博士研究生從事建筑節能與智能化研究。hino0@163,cm1092太陽(yáng)能學(xué)報28卷為了準確分析該太陽(yáng)墻內的熱特性,建立三維初始溫度場(chǎng)均勻(282K)的穩態(tài)下,突然將太陽(yáng)結構模型。模型外形長(cháng)08m高27m,寬度隨空氣輻射量的透過(guò)吸收量由零變?yōu)?00w/m2時(shí),傳統和夾層厚度的變化而變化改進(jìn)型太陽(yáng)墻內空氣夾層溫度的動(dòng)態(tài)熱響應曲線(xiàn)有分析中做了如下假定:①忽略濕度變化對熱平很大的區別如圖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(shí)刻內外表面對流換熱系數為定值,且忽略空氣滲透換熱作用一·傳統型1.2控制方程了294改進(jìn)型流體區域 RNG k-E0是對NS方程的平衡態(tài)做 Gauss統計展開(kāi),并對脈動(dòng)頻譜進(jìn)行濾波處理,在e方程引入時(shí)均應變率。方程中的有關(guān)系數不再是0246141618202224實(shí)驗數據整理結果,而是理論分析結果。流體區域計算步長(cháng)(1步=20)RNG兩方程模型為圖2太陽(yáng)墻的動(dòng)態(tài)熱響應曲線(xiàn)Fig. 2 Curve o dynamical thermal response of solar wallat +di(eup)=div(grad)+S (1)可見(jiàn),改進(jìn)的太陽(yáng)墻具有集熱速度快且空氣溫關(guān)于RN兩方程中有關(guān)系數本處不再展開(kāi)。度升高幅值大的特點(diǎn)。因傳統型太陽(yáng)墻需先加熱墻壓力速度耦合采用 simple算法,對流項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(yáng)輻射室內外溫度分別為∞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果見(jiàn)圖3。從圖中可以清晰地看吸收太陽(yáng)能輻射量為:到:由于a型墻的對流換熱和傳導換熱量高,其空氣間Q,=aA(r,Ib+tald)(3)層內的空氣平均溫度高于b型號。同時(shí),由于改進(jìn)的太本文選用D0( FLUENT INC生產(chǎn))輻射模型(離陽(yáng)墻的熱阻較高在聚苯板內存在較大的溫度梯度,從散坐標法)計算輻射換熱以提高計算速度。DO輻射而使得太陽(yáng)墻室內側表面溫度波動(dòng)很小,可以營(yíng)造較為模型不屬于射線(xiàn)追蹤法它是沿任一方向對空間內舒適的室內熱環(huán)境。仿真結果顯示控制容積中的角度進(jìn)行離散并建立輸運方程。Q(m8B=0.235Q認4太陽(yáng)墻內的可資利用壓力為熱壓、風(fēng)壓和室內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H+△P(4計算中,對近壁面區選用增強壁面函數法進(jìn)行處3=:82理。數值模擬的邊界條件:在太陽(yáng)墻的室內外表面處施以第三類(lèi)熱邊界條件,換熱系數為18787W/(m2K);風(fēng)口處為壓力進(jìn)出口邊界條件,本文不考慮風(fēng)壓和室內外壓差的影響風(fēng)囗處相對壓力均為0PaM凵中國煤化工數進(jìn)形式2太陽(yáng)墻熱特性模擬結果分析CNMH溫度分布Fig 3 Temperature field of two type solar wall in winter night21動(dòng)態(tài)熱響應10期楊昭等:太陽(yáng)墻熱特性分析09323冬季集熱特性分析體系內溫度場(chǎng)模擬結果。模擬分析中,內、外層玻璃典型日太陽(yáng)南向輻射和雙玻透過(guò)體系逐時(shí)的太陽(yáng)能吸收率分別為01270068,雙層玻璃的太值見(jiàn)圖4a。由圖4b的逐時(shí)計算結果可知改進(jìn)陽(yáng)能透過(guò)率為0538。太陽(yáng)能煙囪模式下室內外空型特朗勃上下風(fēng)口最大溫差可達到30。在冬季陽(yáng)氣溫度均為285℃,太陽(yáng)輻射為466W/m2。外循環(huán)光充足的白天,通道內的空氣質(zhì)量流量可達模式下,室內溫度為26℃,其余同前述。0012kg,循環(huán)對流得熱量可達438W,即可有效的■3224021實(shí)現被動(dòng)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)對流得熱量為負值。這說(shuō)明:此3.15e+02時(shí)通過(guò)太陽(yáng)墻不僅不能集熱,反而會(huì )形成逆循環(huán)而3.13e+02出現散熱現象。故在實(shí)際操作中,不宜在太陽(yáng)輻射量較小的清晨或傍晚開(kāi)啟風(fēng)口3.08+023.06e+023.04e+023.0le+022.99c+02k05a太陽(yáng)能煙囪模式b.外循環(huán)模式03圖5夏季白天太陽(yáng)墻內溫度場(chǎng)0summer在太陽(yáng)能煙囪模式下,通道內空氣溫度為一太陽(yáng)高度角一太陽(yáng)輻射量314.K,通過(guò)風(fēng)口排出的熱量為46474W,空氣流第一層玻璃太陽(yáng)能吸收率→第二層玻璃太陽(yáng)能吸收率量為0.01817kgs,即可實(shí)現被動(dòng)冷卻而節約能耗。層玻璃的太陽(yáng)能透過(guò)率在外循環(huán)模式下,將金屬板涂有白漆和涂有選擇性a冬季計算參數天津1月21日)涂層的一面分別旋至外側時(shí),體系內溫度場(chǎng)有較大差異。盡管后者可誘導產(chǎn)生的空氣流量是前者的1.84倍,但是就隔熱效果而言,前者的室內側墻體內表面溫度較后者低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,使通道內空氣流量明顯降低。時(shí)刻25預熱特性分析上風(fēng)口溫度亠室外溫度選取冬季典型日12:00的室外氣象參數為模擬室內溫度工況。上下風(fēng)口相對壓力為0Pa,其余參數同前(結b.太陽(yáng)墻冬季典型日日照期間集熱特性果見(jiàn)圖6)。圖4冬季日照期間的CFD模擬結果圖6中的速度場(chǎng)圖示表明:通道內存在較為復雜Fig 4 CFD simulation results in winter daytime的流動(dòng)。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,當撞擊到聚苯板后被迫改變方向沿通道向太陽(yáng)墻在夏季可以以太陽(yáng)能煙囪模式運行,另上運動(dòng)在速度場(chǎng)中可看到由于速度方向改變而形外如果室內為空調工況,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至外側。同時(shí),封閉室內側上、下風(fēng)口,開(kāi)啟股CNMH了通道中部速度室外側風(fēng)口以外循環(huán)模式運行圖5為兩種模式下較小,而在近壁區域速度及速度梯度較大的現象。同094太陽(yáng)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(yáng)墻高度對其溫度場(chǎng)的影響且溫度場(chǎng)b.速度場(chǎng)Fig7 Influence of the solar wall height on the temperature field210圖6預熱模式下的仿真結果Fig. 6 The simulation results under pre-heating operation mode325時(shí),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,即溫度場(chǎng)中出現的“熱墊層”區域。與速度場(chǎng)類(lèi)似,由溫度場(chǎng)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,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)一般可認為呈指數函數變化。另外,傳熱量和傳熱方圖8墻體材料對其溫度場(chǎng)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側墻體表面溫度,熱量由室內傳向夾層;在上部則出現相反情況熱量由空氣夾層330向室內傳遞。本工況下的模擬結果顯示:通過(guò)太陽(yáng)墻的預熱作用,進(jìn)入室內的空氣流量為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(yáng)墻,每小時(shí)換氣次數可達到09,完全滿(mǎn)足衛生要求。0060080100.120.140.160.180.20空氣層厚度/m26敏感因子分析影響太陽(yáng)墻性能的主要因素是室外氣象參數及9空氣層厚度對其溫度場(chǎng)的影響太陽(yáng)墻結構。由于室外參數有較大的脈動(dòng)和不確定Fg,9 fluence of the thickness of air gap on the temperature field性所以主要以結構參數作為敏感因子對太陽(yáng)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與太陽(yáng)能煙囪模式下參數相同)。￥325由圖7圖10知1)集熱墻的高度對溫度場(chǎng)的影響較小,而對通道內空氣流量影響較大。高度由27m變化到6203040s54m。流量增加了1.56倍。引用 Bansal的結論,風(fēng)口寬度/m通道內空氣流量可表示為圖10通風(fēng)口面積對其溫度場(chǎng)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:當流動(dòng)進(jìn)入旺盛森流區10期楊昭等:太陽(yáng)墻熱特性分析時(shí)隨著(zhù)高度的增加,對流換熱系數增加的輻度較即隨著(zhù)風(fēng)口面積的增大,局部阻力降低夾層內的風(fēng)小,故夾層內溫度變化較小。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動(dòng)力,的室外氣象條件下,夾層內的溫升幅度將降低,進(jìn)而進(jìn)而增強通風(fēng)量又將抑制風(fēng)速的增加故二者存在一平衡點(diǎn)。同時(shí)2)集熱墻體的材料及組成對溫度場(chǎng)影響較大。由于頂部熱阻力區的存在,加大出口面積將降低出由熱傳導理論可得:墻體傳熱系數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(yáng)而減小。在圖8中體現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(dòng)阻力,提高通道內可資利用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)與預熱模式不同。后者既要考察通道內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系數法,在單位三角波擾動(dòng)作用下,編制程空氣間層橫斷面積的20%~40%,所以?xún)煞N模式對序計算集熱墻與空氣夾層的耦合界面處的吸熱反應風(fēng)口面積的要求不同。系數Z(j)和墻體的傳熱反應系數Y(j)。結果表明:上述3種墻體表面在擾量作用下初期z()基3結論本相同,在后期j>5時(shí),聚苯板復合墻體的放熱系)改進(jìn)的太陽(yáng)墻具有較傳統型更優(yōu)良的熱特數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,可知聚苯板復合墻體結構具有熱響應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(shí),由對流換熱理論知方面可以將金屬板翻轉,選取白漆面為吸熱面可起該結構可增強對流換熱系數、快速提升夾層內空氣到很好的隔熱效果,另一方面可用太陽(yáng)能煙囪模式溫度和增強通風(fēng)量。雖然墻體的導熱量減小,但相運行而實(shí)現被動(dòng)冷卻。在過(guò)渡季,可利用太陽(yáng)墻實(shí)應地在無(wú)太陽(yáng)輻射期間熱損失減小。3)增加空氣層厚度會(huì )略微增加空氣間層的游現通風(fēng)換氣作用,在一定程度上可縮短空調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(shí)間。綜合可得:該體系具有明顯的節能效果;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(lèi)型,宜。分析認為:夾層內的空氣流動(dòng)可近似看作是在加聚苯板的復合墻體具有加熱快、對流換熱量高的兩個(gè)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;作用結果。在夾層寬度較小時(shí),粘性力引起的摩擦3)太陽(yáng)墻高度應不小于33m;阻力較大,夾層內空氣流速將降低。隨著(zhù)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。但當夾層厚度超過(guò)某一值時(shí),兩自然對流氣流5)增大通風(fēng)孔面積可以提高通風(fēng)量,但相應地的交互作用減弱表現為兩個(gè)邊界層相互獨立的自?shī)A層空氣溫度會(huì )降低。冬季預熱通風(fēng)時(shí)通風(fēng)口面然對流。由模擬結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(shí),為太陽(yáng)能煙囪時(shí)由于不需考慮出口溫度所以宜盡通道內也易于出現渦旋流,通風(fēng)量將減小?？赡茉龃笸L(fēng)口面積以減小流動(dòng)阻力,使通風(fēng)口面4)通風(fēng)口的尺寸會(huì )影響集熱墻溫度場(chǎng)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(dòng)速度。在本文中保持集熱孔的高度不變,隨著(zhù)風(fēng)口應做成可以充分體現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。由通道內阻力計算式知卻、新風(fēng)預熱功能△P=521+5m2+l的符合CNMHO和之其成本較低,是極具發(fā)展潛力的太陽(yáng)能建筑一體化結構。太陽(yáng)能學(xué)報28卷[參考文獻][9] Zhang Qingyuan. 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