內(nèi)置式PV—Trombe墻自然通風(fēng)的數(shù)值研究

摘要：

提出了一種新的內(nèi)置式PV-Trombe墻模型，并通過(guò)CFD方法對(duì)自然通風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析了太陽(yáng)輻射和流道寬度對(duì)氣流模式和通風(fēng)量的影響。結(jié)果表明，太陽(yáng)輻射、流道寬度和高度對(duì)通風(fēng)量的影響非常明顯。通風(fēng)量隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和高度的增加而增大。當(dāng)流道寬度從0.1 m增加到0.4 m時(shí)，通風(fēng)量呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，然而當(dāng)寬度增加到0.5 m時(shí)，流道頂部區(qū)域的空氣出現(xiàn)回流并且通風(fēng)量開(kāi)始減小。對(duì)于3 m高的模型，最大通風(fēng)量出現(xiàn)在流道寬度等于0.4 m時(shí)。流道寬度是影響流道內(nèi)空氣自然對(duì)流的流動(dòng)形態(tài)的主要因素，當(dāng)流道寬度尺寸在0.1～0.4 m之間時(shí)，流道內(nèi)的空氣為層流熱分層流動(dòng)。當(dāng)寬度超過(guò)0.5 m后，流道上部區(qū)域出現(xiàn)的回流使得熱分層流動(dòng)消失，空氣從層流向湍流轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：

自然通風(fēng)；內(nèi)置式PV-Trombe墻；CFD模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：

TK 519

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2014）05-0023-06

Numerical analysis of Natural Ventilation in Built-in Photovoltaic-Trombe Wall

Xu Xiaowei， Su Yaxin

（School of Environmental Science and Engineering， Donghua University，

Shanghai 201620， P.R.China）

Abstract：

The natural ventilation in a novel built-in photovoltaic-Trombe wall （BiPV-TW） was numerically simulated by CFD method. The effect of solar radiation， channel width and height on the air flow pattern and ventilation rate was analyzed. Results show that the solar radiation， channel width and height influenced the ventilation rate remarkably. As the solar radiation and BiPV-TW height increased，the ventilation rate increased. As the channel width increasing from 0.1 m to 0.4 m， the ventilation rate monotonously increased. However， when the channel width exceeded 0.5 m， the reverse flow was formed in the top zone and the ventilation rate decreased. A maximum air volume flow rate was achieved when the channel width was approximately equal to 0.4 m in a 3 m height model. The channel width was the dominant factor that influenced the flow pattern in the channel. When the channel width was smaller than 0.4 m， the airflow was thermally stratified laminar flow. When the channel width exceeded 0.5 m， thermally stratified flow disappeared due to the reverse flow formed in the top zone and the laminar flow became turbulent.

Key words：

natural ventilation； built-in photovoltaic-Trombe wall； CFD simulation

太陽(yáng)能煙囪是一種利用自然通風(fēng)原理實(shí)現(xiàn)建筑的暖通空調(diào)的被動(dòng)式太陽(yáng)能利用技術(shù)^[1]。Trombe墻是一種典型的太陽(yáng)能煙囪，作為一種高效節(jié)能的被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)，通常被應(yīng)用于新建和現(xiàn)有建筑的南墻外立面。典型的Trombe墻結(jié)構(gòu)由朝南方向的集熱墻以及一個(gè)覆蓋在集熱墻外面并與之保持一定間距的玻璃蓋板構(gòu)成。太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃蓋板被集熱墻吸收并儲(chǔ)存，被加熱后的墻體則通過(guò)自然對(duì)流換熱的方式加熱流道內(nèi)的空氣，驅(qū)動(dòng)空氣向上流動(dòng)，形成自然通風(fēng)。通過(guò)控制Trombe墻上、下的閥門(mén)的出口方向達(dá)到通風(fēng)、供暖以及冷卻的目的。目前，研究人員對(duì)Trombe內(nèi)墻空氣的通風(fēng)、傳熱特性及隨太陽(yáng)輻射瞬時(shí)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究[2-6]。

光伏建筑一體化Trombe墻（PV-Trombe墻）將光伏電池與Trombe墻相結(jié)合，能同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能。季杰等[7-9]提出了一種將光伏電池貼于傳統(tǒng)Trombe墻玻璃蓋板內(nèi)側(cè)的PV-TTrombe墻結(jié)構(gòu)，并利用傳熱理論建立了其能量平衡的數(shù)學(xué)模型，得到了有關(guān)空氣以及墻、玻璃等的溫度分布等規(guī)律[7-8]。雖然該P(yáng)V-Trombe墻能同時(shí)提供熱能和電能，但是隨著光伏電池在玻璃蓋板上的覆蓋率的增加，Trombe墻的熱效率減小，最大減小17%。當(dāng)玻璃蓋板被光伏電池全部覆蓋后，即使考慮光電轉(zhuǎn)換效率，該P(yáng)V-Trombe墻對(duì)太陽(yáng)能利用的總效率仍然會(huì)降低5%^[10]。數(shù)值模擬結(jié)果也表明^[11]，當(dāng)玻璃蓋板貼上光伏電池后，Trombe墻流道內(nèi)以及室內(nèi)的空氣溫度都會(huì)降低，而這將會(huì)減弱系統(tǒng)的供熱或通風(fēng)效果。其原因是光伏電池阻擋了太陽(yáng)光進(jìn)入流道內(nèi)，減少了集熱墻的得熱量，從而削弱了了流道內(nèi)的自然通風(fēng)。

為進(jìn)一步提高對(duì)太陽(yáng)能的綜合利用率，本文提出了一種新的內(nèi)置式PV-Trombe墻，它將光伏電池貼在Trombe墻的集熱墻表面，太陽(yáng)輻射完全穿過(guò)玻璃蓋板進(jìn)入Trombe墻內(nèi)，并被集熱墻表面的太陽(yáng)能電池吸收，一部分太陽(yáng)輻射發(fā)電，其余部分則用于加熱通道內(nèi)的空氣。本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法研究該內(nèi)置式PV-Trombe墻內(nèi)部的空氣流動(dòng)與通風(fēng)特性。

1 數(shù)值模擬計(jì)算說(shuō)明

1.1 內(nèi)置式PV-Trombe墻的模型

內(nèi)置式PV-Trombe墻的物理模型和簡(jiǎn)化模型如圖1所示。該物理模型主要包括外部的玻璃蓋板，鋪設(shè)在集熱墻表面的光伏電池面板；電池與墻面之間以絕熱材料相隔，玻璃蓋板與光伏面板之間構(gòu)成一個(gè)帶開(kāi)口的空氣流道。太陽(yáng)輻射能透過(guò)玻璃被電池吸收，其中一小部分轉(zhuǎn)化成電能，剩下的絕大部分轉(zhuǎn)化成熱能，使電池的溫度升高。流道內(nèi)的空氣與電池表面進(jìn)行自然對(duì)流換熱，空氣受熱后便產(chǎn)生自下而上的流動(dòng)，形成自然通風(fēng)。流動(dòng)的空氣帶走電池表面熱量、冷卻電池表面，電池的溫度降低，使電池發(fā)電效率得到提高。

在簡(jiǎn)化模型中，玻璃和光伏面板兩側(cè)受太陽(yáng)輻射S所獲得的恒定熱流密度分別用q1 和q2表示，流道的高度和寬度用H和b表示，兩者的變化范圍分別為1～6 m和0.1～0.6 m?？諝饬鹘?jīng)模型底部的水平進(jìn)口進(jìn)入空氣流道并由豎直出口流出，開(kāi)口大小與Trombe墻空氣流道的寬度相等。并假設(shè)模型底部黑色粗線(xiàn)標(biāo)識(shí)部分為絕熱墻體。

離散坐標(biāo)輻射（DO）模型用于計(jì)算玻璃與光伏電池之間的輻射換熱?？紤]到近壁面處溫度梯度和速度梯度變化較大，壁面附近選用增強(qiáng)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。在計(jì)算過(guò)程中不斷細(xì)化網(wǎng)格，最終得到計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的網(wǎng)格尺寸。本文模擬中，模型的水平進(jìn)口和豎直出口設(shè)為壓力進(jìn)口和壓力出口；玻璃蓋板和光伏電池表面的熱流密度恒定，具體數(shù)值需結(jié)合太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大小經(jīng)計(jì)算確定。采用二階迎風(fēng)格式對(duì)方程進(jìn)行離散，用SIMPLE法進(jìn)行求解，采用Fluent 6.3[13] 完成計(jì)算。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 模擬方法的可靠性驗(yàn)證

Gan^[5]運(yùn)用CFD方法對(duì)二維通風(fēng)腔內(nèi)空氣流動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。運(yùn)用本文模擬方法計(jì)算Gan^[5]所研究的豎直通風(fēng)腔，并將流道內(nèi)空氣體積流量的計(jì)算結(jié)果與Gan^[5]中的相關(guān)數(shù)據(jù)作對(duì)比來(lái)確認(rèn)本文模擬方法的可靠性，對(duì)比結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖中可以明顯看出，本文模擬結(jié)果與原文數(shù)據(jù)基本一致，證明了本文模擬方法的可靠性并可以用于對(duì)內(nèi)置式PV-Trombe墻通風(fēng)性能的進(jìn)一步研究。

2.2 太陽(yáng)輻射對(duì)流道內(nèi)氣流的影響

內(nèi)置式PV-Trombe墻內(nèi)部的空氣流動(dòng)是影響流道內(nèi)光伏電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和通風(fēng)量大小的關(guān)鍵因素?？諝饬鲃?dòng)受到包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、流道高度和寬度等參數(shù)的影響。太陽(yáng)輻射是使空氣受熱并產(chǎn)生向上流動(dòng)的能量來(lái)源。流道被空氣的壓力分布、流速矢量分布以及自然通風(fēng)的空氣體積流量的計(jì)算結(jié)果如圖4～7所示。

當(dāng)內(nèi)置式PV-Trombe墻的幾何尺寸相同時(shí)，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)能電池吸收了更多的太陽(yáng)輻射后，流經(jīng)太陽(yáng)能電池表面的空氣通過(guò)自然對(duì)流換熱也得到更多的熱量，因此，其上升的速度將增加，從而引起了內(nèi)部壓力的降低，如圖4所示。對(duì)比在同一高度上的壓力分布發(fā)現(xiàn)，隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，沿Trombe墻的相同高度上空氣的負(fù)壓的絕對(duì)值增大，這表明，通道內(nèi)空氣的流速增加了，即太陽(yáng)輻射強(qiáng)度使得Trombe墻內(nèi)的自然通風(fēng)增強(qiáng)。圖4中所示的壓力等值線(xiàn)的水平分布特點(diǎn)表明，當(dāng)H=3 m，b=0.3 m時(shí)，Trombe墻內(nèi)的空氣呈熱分層流動(dòng)。

圖8表明，隨著流道寬度的增加，內(nèi)置式PV-Trombe墻流道內(nèi)在相同高度上的負(fù)壓等壓線(xiàn)的絕對(duì)值逐漸減小，表明空氣受熱上升的速度有所減小。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)，被吸熱墻表面的太陽(yáng)能電池吸收的熱量一定，而隨著流道寬度的增加，流經(jīng)電池表面的空氣質(zhì)量增多，因而空氣被加熱后溫度升高的幅度減弱，使得其因熱浮力而產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)減弱。當(dāng)流道寬度小于0.4 m時(shí)，等壓線(xiàn) 呈水平分布，表明流道內(nèi)的空氣保持熱分層流動(dòng)特點(diǎn)。圖9的速度矢量分布表明，隨著流道寬度的增加，流道內(nèi)空氣向上運(yùn)動(dòng)的速度減小。在右側(cè)電池表面形成的自然對(duì)流邊界層中未出現(xiàn)旋渦，因此其流動(dòng)為層流。隨著流道寬度的繼續(xù)增加，如當(dāng)b超過(guò)0.5 m后，流道內(nèi)的等壓線(xiàn)變?yōu)榍€(xiàn)，如圖8所示，而圖9的速度矢量圖則表明在流道上部出現(xiàn)了回流旋渦，流道內(nèi)的氣流也不再是熱分層流動(dòng)，流動(dòng)模式發(fā)生改變。

圖10給出了流道內(nèi)空氣流動(dòng)的流線(xiàn)，清楚了表明了隨著寬度的增加，空氣流動(dòng)方式逐漸從層流向湍流轉(zhuǎn)變?；亓鞯漠a(chǎn)生會(huì)增加額外的空氣流動(dòng)阻力，因此流道的通風(fēng)量也受到影響。圖11為通風(fēng)量隨流道寬度的變化曲線(xiàn)。當(dāng)寬度從0.2 m增加到0.4 m時(shí)，通風(fēng)量呈遞增趨勢(shì)。而當(dāng)寬度超過(guò)0.5 m之后，通風(fēng)量隨之下降。

2.4 高度對(duì)流道內(nèi)氣流的影響

內(nèi)置式PV-Trombe墻的高度對(duì)流道內(nèi)氣流的影響如圖12～13所示。當(dāng)S=400 W/m2，b=0.3 m時(shí)，流道內(nèi)的等壓線(xiàn)隨著高度的增加依然保持水平，而沒(méi)有出現(xiàn)彎曲，如圖12所示。這說(shuō)明隨著高度的增加，流道內(nèi)并沒(méi)有出現(xiàn)渦流，空氣依然保持了熱分層流動(dòng)。從等壓線(xiàn)的絕對(duì)值的變化特點(diǎn)來(lái)看，隨著高度的增加，流道內(nèi)的負(fù)壓的絕對(duì)值增大，表明空氣向上流動(dòng)的速度增加了。圖13的速度矢量圖更加清楚地表明了這一變化特點(diǎn)。這是由于高度增加后，空氣在上升的沿程中吸收了更多的太陽(yáng)輻射，其浮力增加，因而上升的速度增大。由于流道內(nèi)未形成局部渦流，因而其流動(dòng)本質(zhì)上是層流。當(dāng)空氣速度隨Trombe墻的高度增加而增大時(shí)，通風(fēng)量也必然增大，結(jié)果如圖14所示。

3 結(jié) 論

提出了一種以同時(shí)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)和發(fā)電新的內(nèi)置式PV-Trombe墻，并采用CFD方法對(duì)流道內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了太陽(yáng)輻射、流道寬度、高度對(duì)空氣流動(dòng)模式和通風(fēng)量的影響。從本文的研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）內(nèi)置式PV-Trombe墻的隨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)而增大。隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加，通道內(nèi)空氣的流速增加，通風(fēng)量增大。當(dāng)H=3 m，b=0.3 m時(shí)，Trombe墻內(nèi)的空氣呈熱分層流動(dòng)。

2）流道寬度是影響流道內(nèi)空氣自然對(duì)流的流動(dòng)形態(tài)的主要因素。當(dāng)流道寬度尺寸在0.1～0.4 m之間時(shí)，流道內(nèi)的空氣為層流熱分層流動(dòng)，通風(fēng)量隨寬度的增加而增大。而當(dāng)寬度超過(guò)0.5 m后，流道上部區(qū)域出現(xiàn)回流，空氣從層流向湍流轉(zhuǎn)變，熱分層流動(dòng)消失，通風(fēng)量隨寬度的增加而減小。當(dāng)模型高度H=3 m而寬度為0.4 m時(shí)，流道內(nèi)空氣的體積流量達(dá)到最大值。

3）內(nèi)置式PV-Trombe墻的高度不影響流道內(nèi)的空氣的流態(tài)，隨著高度的增加，流道內(nèi)的空氣向上流動(dòng)的速度增加，從而通風(fēng)量增大。不同高度時(shí)空氣依然保持熱分層流動(dòng)。參考文獻(xiàn)：

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