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

徐小煒，蘇亞欣

(東華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，上海 201620)

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

徐小煒，蘇亞欣

(東華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，上海 201620)

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

自然通風(fēng)；內(nèi)置式PV-Trombe墻；CFD模擬

太陽能煙囪是一種利用自然通風(fēng)原理實現(xiàn)建筑的暖通空調(diào)的被動式太陽能利用技術(shù)[1]。Trombe墻是一種典型的太陽能煙囪，作為一種高效節(jié)能的被動式太陽能系統(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。太陽輻射穿過玻璃蓋板被集熱墻吸收并儲存，被加熱后的墻體則通過自然對流換熱的方式加熱流道內(nèi)的空氣，驅(qū)動空氣向上流動，形成自然通風(fēng)。通過控制Trombe墻上、下的閥門的出口方向達到通風(fēng)、供暖以及冷卻的目的。目前，研究人員對Trombe內(nèi)墻空氣的通風(fēng)、傳熱特性及隨太陽輻射瞬時變化的動態(tài)響應(yīng)特性等進行了大量的理論與實驗研究[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PV-Trombe墻能同時提供熱能和電能，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PV-Trombe墻對太陽能利用的總效率仍然會降低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)的空氣溫度都會降低，而這將會減弱系統(tǒng)的供熱或通風(fēng)效果。其原因是光伏電池阻擋了太陽光進入流道內(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)。

為進一步提高對太陽能的綜合利用率，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，太陽輻射完全穿過玻璃蓋板進入Trombe墻內(nèi)，并被集熱墻表面的太陽能電池吸收，一部分太陽輻射發(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)部的空氣流動與通風(fēng)特性。

1 數(shù)值模擬計算說明

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)成一個帶開口的空氣流道。太陽輻射能透過玻璃被電池吸收，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行自然對流換熱，空氣受熱后便產(chǎn)生自下而上的流動，形成自然通風(fēng)。流動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。

在簡化模型中，玻璃和光伏面板兩側(cè)受太陽輻射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)模型底部的水平進口進入空氣流道并由豎直出口流出，開口大小與Trombe墻空氣流道的寬度相等。并假設(shè)模型底部黑色粗線標(biāo)識部分為絕熱墻體。

圖1 內(nèi)置式PV-Trombe墻的物理模型及簡化模型

1.2 數(shù)值模型

Gan[12]對典型的Trombe墻內(nèi)自然通風(fēng)的CFD模擬表明，采用RNG κ-ε湍流模型的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合。因此采用能較好的處理低雷諾數(shù)和近壁流動問題的RNG κ-ε模型模擬流道內(nèi)空氣的的流動和傳熱情況。Boussinesq假設(shè)用于處理動量方程中因溫差而引起的浮力項的改變?；谝陨霞僭O(shè)，對于二維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的浮力驅(qū)動流，其流動和傳熱的通用控制方程可寫為：

式中：Φ代表xi方向上的平均速度vi、湍流參數(shù)或者是平均溫度；ΓΦ表示擴散系數(shù)，SΦ為變量Φ的源項。

離散坐標(biāo)輻射(DO)模型用于計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，壁面附近選用增強壁面函數(shù)法進行處理。在計算過程中不斷細化網(wǎng)格，最終得到計算結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān)的網(wǎng)格尺寸。本文模擬中，模型的水平進口和豎直出口設(shè)為壓力進口和壓力出口；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)合太陽輻射強度大小經(jīng)計算確定。采用二階迎風(fēng)格式對方程進行離散，用SIMPLE法進行求解，采用Fluent 6.3[13]完成計算。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 模擬方法的可靠性驗證

Gan[5]運用CFD方法對二維通風(fēng)腔內(nèi)空氣流動特點進行模擬計算。運用本文模擬方法計算Gan[5]所研究的豎直通風(fēng)腔，并將流道內(nèi)空氣體積流量的計算結(jié)果與Gan[5]中的相關(guān)數(shù)據(jù)作對比來確認本文模擬方法的可靠性，對比結(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內(nèi)置式PV-Trombe墻通風(fēng)性能的進一步研究。

圖2 b=0.1 m時流道內(nèi)空氣體積流量對比結(jié)果

圖3 b=0.3 m時流道內(nèi)空氣體積流量對比結(jié)果

2.2 太陽輻射對流道內(nèi)氣流的影響

內(nèi)置式PV-Trombe墻內(nèi)部的空氣流動是影響流道內(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?？諝饬鲃邮艿桨ㄌ栞椛鋸姸?、流道高度和寬度等參數(shù)的影響。太陽輻射是使空氣受熱并產(chǎn)生向上流動的能量來源。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，隨著太陽輻射強度的增加，太陽能電池吸收了更多的太陽輻射后，流經(jīng)太陽能電池表面的空氣通過自然對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。對比在同一高度上的壓力分布發(fā)現(xiàn)，隨著太陽輻射強度的增加，沿Trombe墻的相同高度上空氣的負壓的絕對值增大，這表明，通道內(nèi)空氣的流速增加了，即太陽輻射強度使得Trombe墻內(nèi)的自然通風(fēng)增強。圖4中所示的壓力等值線的水平分布特點表明，當(dāng)H=3 m,b=0.3 m時，Trombe墻內(nèi)的空氣呈熱分層流動。

圖4 流道內(nèi)壓力場分布圖(Pa)(H=3 m,b=0.3 m，圖中太陽輻射強度S的單位為W/m2)

圖5 流道內(nèi)速度矢量分布圖(H=3 m,b=0.3 m，圖中太陽輻射強度S的單位為W/m2 )

從圖5中所示的速度矢量圖中可以看出，在空氣進口處都會產(chǎn)生局部的渦流區(qū)。在右側(cè)墻體表面的光伏電池吸收太陽輻射能并加熱空氣，因此空氣沿著PV面板形成自然對流邊界層，該邊界層未出現(xiàn)局部旋渦，為層流。圖6為在Trombe墻內(nèi)高度為1.5 m處的局部空氣速度沿流道寬度方向的分布，它表明在Trombe墻內(nèi)右側(cè)墻體表面附近的空氣速度最大，且流道內(nèi)的空氣速度隨太陽輻射強度的增加而增大?？諝饬魉俚脑黾颖厝皇沟肨rombe墻的通風(fēng)量增加。圖7表示通風(fēng)量隨著太陽輻射強度的變化規(guī)律。通風(fēng)量的定義為流道截面面積和出口處平均速度的乘積。結(jié)果表明隨著太陽輻射的增強，通風(fēng)量隨之增加。

圖6 截面高度為1.5 m處的速度沿寬度方向的分布圖

圖7 空氣體積流量隨太陽輻射的變化曲線

2.3 流道寬度對流道內(nèi)氣流的影響

前人的研究表明，Trombe墻的流道寬度是影響Trombe墻自然通風(fēng)量的主要因素之一[12，14]。Gan[12]通過CFD方法模擬一個傳統(tǒng)的Trombe墻的自然通風(fēng)特性時發(fā)現(xiàn)，對于開口大小等于流道寬度的Trombe墻，當(dāng)流道寬度在0.05～0.4 m之間時，空氣流量隨流道寬度的增大而持續(xù)增加。Burek和Habeb[14]通過實驗對傳統(tǒng)的Trombe墻內(nèi)的空氣流動特性的研究結(jié)果也表明當(dāng)流道寬度在0.02～0.12 m范圍內(nèi)變化時，空氣流量也表現(xiàn)出類似分布規(guī)律。為深入分析流道寬度的影響，作者對高度H=3 m和太陽輻射強度S=400 W/m2時，流道寬度對內(nèi)置式PV-Trombe墻的流動特性的影響進行了計算，結(jié)果如圖8～11所示。

圖8 寬度不同時流道內(nèi)壓力場分布 (Pa)(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖9 寬度不同時流道內(nèi)速度矢量分布圖(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖8表明，隨著流道寬度的增加，內(nèi)置式PV-Trombe墻流道內(nèi)在相同高度上的負壓等壓線的絕對值逐漸減小，表明空氣受熱上升的速度有所減小。當(dāng)太陽輻射強度一定時，被吸熱墻表面的太陽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)生的上升運動減弱。當(dāng)流道寬度小于0.4 m時，等壓線 呈水平分布，表明流道內(nèi)的空氣保持熱分層流動特點。圖9的速度矢量分布表明，隨著流道寬度的增加，流道內(nèi)空氣向上運動的速度減小。在右側(cè)電池表面形成的自然對流邊界層中未出現(xiàn)旋渦，因此其流動為層流。隨著流道寬度的繼續(xù)增加，如當(dāng)b超過0.5 m后，流道內(nèi)的等壓線變?yōu)榍€，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，流動模式發(fā)生改變。

自然對流流動的流態(tài)可以用Gr數(shù)來表征。對于均勻受熱壁面，定義下面的Gr數(shù)[15]：

當(dāng)太陽輻射S=400 W/m2，煙囪高度H=3 m時，由式(2)計算出不同寬度時的Gr數(shù)，如表1所示。

表1 不同寬度時的Gr數(shù)

單側(cè)豎直熱壁面表面發(fā)生自然對流時，當(dāng)式(2)定義的Gr數(shù)的大小為104～3×109時，流動為層流；當(dāng)Gr數(shù)的大小為3×109～2×1010時，流動處于過渡區(qū)；當(dāng)Gr數(shù)>2×1010后流動為湍流[15]。由表1的不同寬度時Gr數(shù)的大小可知，隨著寬度的增加，煙囪內(nèi)的空氣流動逐漸從層流向湍流轉(zhuǎn)化，因而出現(xiàn)了局部旋渦。

圖10 不同寬度時流道內(nèi)空氣流線圖(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖11 空氣體積流量隨寬度的變化曲線(H=3 m)

圖10給出了流道內(nèi)空氣流動的流線，清楚了表明了隨著寬度的增加，空氣流動方式逐漸從層流向湍流轉(zhuǎn)變?；亓鞯漠a(chǎn)生會增加額外的空氣流動阻力，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。當(dāng)寬度從0.2 m增加到0.4 m時，通風(fēng)量呈遞增趨勢。而當(dāng)寬度超過0.5 m之后，通風(fēng)量隨之下降。

2.4 高度對流道內(nèi)氣流的影響

圖12 S=400 W/m2，b=0.3 m時等壓線分布(單位：Pa，其中高度H變化范圍為1～6 m)

內(nèi)置式PV-Trombe墻的高度對流道內(nèi)氣流的影響如圖12～13所示。當(dāng)S=400 W/m2，b=0.3 m時，流道內(nèi)的等壓線隨著高度的增加依然保持水平，而沒有出現(xiàn)彎曲，如圖12所示。這說明隨著高度的增加，流道內(nèi)并沒有出現(xiàn)渦流，空氣依然保持了熱分層流動。從等壓線的絕對值的變化特點來看，隨著高度的增加，流道內(nèi)的負壓的絕對值增大，表明空氣向上流動的速度增加了。圖13的速度矢量圖更加清楚地表明了這一變化特點。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，通風(fēng)量也必然增大，結(jié)果如圖14所示。因此，內(nèi)置式PV-Trombe墻的高度不影響流道內(nèi)的空氣的流態(tài)，而流道寬度則是影響通道內(nèi)空氣流態(tài)的主要參數(shù)。

圖13 S=400 W/m2，b=0.3 m時速度矢量分布(單位：m/s，其中高度H變化范圍為1～6 m)

圖14 高度對通風(fēng)量的影響(b= 0.3 m)

3 結(jié) 論

提出了一種以同時實現(xiàn)自然通風(fēng)和發(fā)電新的內(nèi)置式PV-Trombe墻，并采用CFD方法對流道內(nèi)空氣流動進行了數(shù)值模擬，分析了太陽輻射、流道寬度、高度對空氣流動模式和通風(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墻的隨太陽輻射的增強而增大。隨著太陽輻射強度的增加，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，Trombe墻內(nèi)的空氣呈熱分層流動。

2)流道寬度是影響流道內(nèi)空氣自然對流的流動形態(tài)的主要因素。當(dāng)流道寬度尺寸在0.1～0.4 m之間時，流道內(nèi)的空氣為層流熱分層流動，通風(fēng)量隨寬度的增加而增大。而當(dāng)寬度超過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，流道內(nèi)空氣的體積流量達到最大值。

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)的空氣向上流動的速度增加，從而通風(fēng)量增大。不同高度時空氣依然保持熱分層流動。

[1] 蘇亞欣，柳仲寶.太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的研究現(xiàn)狀[J].科技導(dǎo)報,2011,29(27):67-72.

Su Y X, Liu Z B, Research status on solar chimney for natural ventilation enhancement [J]. Sclence Review and Technology, 2011, 29(27):67-72.

[2] Saadatian O, Sopian K, Lim C H, et al. Trombe walls: A review of opportunities and challenges in research and development [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(8): 6340-6351.

[3] Bansal N K, Mathur J, Mathur S, et al. Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation [J]. Building and Environment, 2005, 40(10): 1302-1308.

[4] Ong K S, Chow C C. Performance of a solar chimney[J]. Solar Energy, 2003, 74(1): 1-17.

[5] Gan G. Simulation of buoyancy-driven natural ventilation of buildings-Impact of computational domain [J]. Energy and Buildings, 2010, 42(18): 1290-1300.

[6] Zamora B, Kaiser A S. Optimum wall-to-wall spacing in solar chimney shaped channels in natural convection by numerical investigation[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(4): 762-769.

[7] Ji J, Yi H, He W, et al. Modeling of a novel Trombe wall with PV cells [J]. Building and Environment, 2007, 42(3): 1544-1552.

[8] Ji J, Yi H, Pei G, et al. Study of PV-Trombe wall installed in a fenestrated room with heat storage[J]. Applied Thermal Engineering, 2007, 27(8): 1507-1515.

[9] 季杰，蔣斌,陸劍平，等.新型PV-Trombe墻的實驗[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2006，36(4):349-354.

Ji J, Jiang B, Lu J P, et al. Experimental study on a movel PV-Trombe wall [J]. Jourmal of University of Science and Technology of China, 2006,36(4):349-354.

[10] Sun W, Ji J, Luo C, et al. Performance of PV-Trombe wall in winter correlated with south facade design [J]. Applied Energy, 2011, 88(1):224-231.

[11] Koyunbaba B K, Yilmaz Z. The comparison of Trombe wall systems with single glass, double glass and PV panels [J]. Renewable Energy, 2012, 45:111-118.

[12] Gan G. A parameter study of Trombe walls for passive cooling of buildings [J]. Energy and Building, 1998, 27(1):37-43.

[13] FLUENT user’s guide [M]. New Hampshire, USA: Fluent Inc; 2006.

[14] Burek S A M, Habeb A. Air flow and thermal efficiency characteristics in solar chimneys and Trombe Walls [J]. Energy and Buildings, 2007, 39(2):128-135.

[15] 楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1998.

(編輯 胡 玲)

NumericalanalysisofNaturalVentilationinBuilt-inPhotovoltaic-TrombeWall

XuXiaowei,SuYaxin

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University,Shanghai 201620, P.R.China)

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.

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

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.05.004

2014-01-18

國家自然科學(xué)基金(51278095)

徐小煒(1988-)，男，主要從事建筑節(jié)能及新能源與建筑一體化研究，(E-mail)xuxiaowei0118@foxmail.com。 蘇亞欣(通信作者)，男，教授，博士,(E-mail)suyx@dhu.edu.cn。

TK 519

A

1674-4764(2014)05-0023-06