光熱建筑一體化Trombe墻體系統(tǒng)傳熱性能

龍激波，阿勇嘎，王泉，王平,2

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭，411105；2．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙，410000 )

光熱建筑一體化Trombe墻體系統(tǒng)傳熱性能

龍激波1，阿勇嘎1，王泉1，王平1,2

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭，411105；2．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙，410000 )

為了改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能和利用太陽能，提出了一種光熱建筑一體化Trombe墻體系統(tǒng)，建立了實(shí)驗(yàn)墻體和模擬計(jì)算模型，并對墻體系統(tǒng)的熱傳遞性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和模擬分析。研究結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)工況下集熱板、主墻層外側(cè)和內(nèi)側(cè)最高溫度測量值分別為91.3、57.9、23.4 ℃，模擬值為88.4、58.3、17.2 ℃，墻體系統(tǒng)在冬季具有較好的保溫性能；太陽輻射作用下，墻體系統(tǒng)的各材料層均產(chǎn)生豎向溫度差，實(shí)驗(yàn)工況下豎向溫度差為集熱板17.9 ℃、主墻層外側(cè)31.7 ℃、主墻層內(nèi)側(cè)2.2 ℃，模擬值為集熱板17.2 ℃、主墻層外側(cè)21.9 ℃、主墻層內(nèi)側(cè)1.2 ℃；墻體系統(tǒng)各材料表面的豎向溫度差隨太陽輻射照度增加而增大，隨空氣夾層厚度增大而減小。

光熱利用；Trombe墻體；一體化；溫度差；傳熱量

太陽能利用效率是光熱建筑一體化技術(shù)重要熱工性能，也是近年來研究的主要內(nèi)容[21]。光熱建筑一體化技術(shù)的高效應(yīng)用，不僅要考慮太陽能利用效率，一體化墻體的保溫隔熱性能是另一項(xiàng)需要設(shè)計(jì)的重要熱工性能。尤其在中國夏熱冬冷地區(qū)，建筑外墻不僅需要冬季保溫和夏季隔熱要求，而且，還要求過渡季節(jié)部分時間加強(qiáng)散熱的要求，這方面的研究仍然較少[22-23]。筆者設(shè)計(jì)了一種兼顧太陽能利用與保溫隔熱性能的光熱一體化墻體系統(tǒng)，并對墻體系統(tǒng)的傳熱性能進(jìn)行了模擬研究。

1 墻體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光熱一體化Trombe墻體系統(tǒng)如圖1所示。一體化墻體系統(tǒng)主要由玻璃幕墻、太陽能集熱板、熱輻射反射層、主墻層等構(gòu)成，在玻璃幕墻與熱輻射反射層間設(shè)有空氣夾層，太陽能集熱板安裝于空氣夾層內(nèi)。太陽能集熱板吸收太陽輻射制備生活熱水，同時防止太陽能直接輻射給主墻層；主墻層外側(cè)表面貼熱輻射反射層，反射因太陽能集熱板溫度升高而對主墻層產(chǎn)生的輻射熱。

圖1 實(shí)驗(yàn)用墻體系統(tǒng)Fig. 1 Experimental wall syste

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院大樓樓頂，實(shí)驗(yàn)房南北朝向，結(jié)構(gòu)尺寸為2 m×2.5 m×2.3 m(長×寬×高)，內(nèi)部空間尺寸為1.8 m×1.8 m×2.1 m，墻體空氣夾層厚0.5 m。實(shí)驗(yàn)用光熱一體化墻體為南向墻。

2 墻體系統(tǒng)傳熱實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)測試方法

實(shí)驗(yàn)房主墻層采用80 mm厚的聚氨酯夾芯板。實(shí)驗(yàn)測試采用TBQ-2太陽總輻射表測量實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)水平面太陽輻射照度，PT100貼片式熱電阻測量墻體系統(tǒng)各材料層表面溫度、室內(nèi)、室外空氣溫度、墻體夾層空氣溫度，貼片式熱電阻布置如圖2和圖3所示。測試時玻璃幕墻上下通風(fēng)口關(guān)閉，各熱電阻測量數(shù)據(jù)采用XSR-70A巡檢儀記錄。所研究墻體系統(tǒng)在太陽輻射作用下，集熱板溫度變化較大，且集熱板空載工況溫度高于制熱水工況，為研究集熱板高溫工況下墻體系統(tǒng)的傳熱性能，對墻體系統(tǒng)進(jìn)行空載工況實(shí)驗(yàn)測試。

圖2 墻體系統(tǒng)原理圖Fig. 2 Schematic diagram of the wall system

圖3 各材料層熱電阻布點(diǎn)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of thermal resistances

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇太陽能集熱板無水空載工況(2016-12-05，晴)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，墻體系統(tǒng)各材料層平均溫度如圖4所示。測試日實(shí)驗(yàn)房室外空氣15:20溫度最高,20.9 ℃、07:10溫度最低,7.1 ℃。各材料層中，集熱板溫度變化幅度最大，空載時07:10溫度最低,7.0 ℃，13:40溫度最高,91.3℃，溫度波動幅度為84.3℃，相應(yīng)的太陽輻射照度為670 W/m2，此時,主墻層內(nèi)、外側(cè)逐時溫差達(dá)到最大值，41.7 ℃；熱輻射反射層溫度與主墻層外側(cè)溫度變化規(guī)律比較接近，在13:40溫度均達(dá)到最高值，其值分別為60.0 ℃和57.9 ℃，溫度變化幅度分別為52.9 ℃和50.8 ℃。主墻層內(nèi)側(cè)和室內(nèi)空氣溫度變化規(guī)律比較接近，兩者的溫度在16:40達(dá)到最高，分別為23.4 ℃和22.9 ℃，溫度變化幅度分別為13.4 ℃和12.9 ℃。

圖4 空載工況墻體系統(tǒng)各材料層溫度Fig. 4 The temperature of each material layer of the wall system on no-load conditio

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可以看出，墻體系統(tǒng)各材料層在同一高度的3個測點(diǎn)溫度接近，但沿垂直方向的溫度梯度較大。各材料層在空載工況下的豎向溫度變化如圖5所示。主墻層外側(cè)上下測點(diǎn)溫差與輻射反射層上下測點(diǎn)溫差變化規(guī)律接近，在12:20兩者的上下測點(diǎn)溫差均達(dá)到最大，分別為31.7 ℃和32 ℃，相應(yīng)的太陽輻射照度為665.6 W/m2。集熱板上下測點(diǎn)溫差在14:20達(dá)到最大值17.9 ℃，相應(yīng)的太陽輻射照度為670 W/m2。主墻層內(nèi)側(cè)由于受室內(nèi)空氣的影響，其上下測點(diǎn)溫差變化幅度較小，在13:40達(dá)到最大值，2.2 ℃。

圖5 空載工況墻體系統(tǒng)各材料層上下測點(diǎn)溫度差Fig. 5 The temperature difference between top and bottom measuring point of each material layer of the wall system on no-load conditio

3 墻體系統(tǒng)傳熱分析

3.1 傳熱模型

為了簡化傳熱分析，計(jì)算中作以下簡化：1)玻璃幕墻、集熱板、熱輻射反射層厚度都很小，熱傳遞計(jì)算中不考慮這些材料層沿自身厚度方向的傳熱；2)模擬墻體在空載工況下傳熱情況，不考慮集熱板與管內(nèi)介質(zhì)的換熱。所建立墻體系統(tǒng)模型尺寸為2 m×0.58 m×2.3 m(Y×X×Z)，墻體系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 墻體系統(tǒng)模型示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the wall system mode

墻體系統(tǒng)中集熱板的熱平衡方程為

(1)

式中：Aa為集熱板面積,m2；ρa(bǔ)為集熱板密度,kg/m3；Ca為集熱板熱容,J/kg·K；Ta為集熱板溫度,℃；λa為集熱板導(dǎo)熱系數(shù),W/m·k；τ為玻璃幕墻透光率；α為集熱板吸收率；I為太陽輻射照度,W/m2；Q1為集熱板向室外傳熱量,W；Q2為集熱板向室內(nèi)傳熱量,W。

其中，集熱板通過玻璃幕墻向室外傳熱量為

(2)

集熱板通過主墻層向室內(nèi)傳熱量為

(3)

式中：Tw為室外溫度,℃；Tn為室內(nèi)溫度,℃；hcov1為玻璃幕墻與外界環(huán)境的對流換熱系數(shù),W/m2·K；hr1為玻璃幕墻與外界環(huán)境的輻射換熱系數(shù),W/m2·K；hcov2為玻璃幕墻與集熱板的對流換熱系數(shù),W/m2·K；hr2為玻璃幕墻與集熱板的輻射換熱系數(shù),W/m2·K；hcov3為集熱板與主墻層的對流換熱系數(shù),W/m2·K；hr3為集熱板與主墻層的輻射換熱系數(shù),W/m2·K；hcov4為主墻層內(nèi)側(cè)與室內(nèi)環(huán)境的對流換熱系數(shù),W/m2·K；hr4為主墻層內(nèi)側(cè)與室內(nèi)環(huán)境的輻射換熱系數(shù),W/m2·K；hcond為主墻層內(nèi)、外側(cè)的換熱系數(shù),W/m2·K。

因在主墻層外側(cè)設(shè)置熱輻射反射層，集熱板對主墻層的熱輻射被反射，若忽略進(jìn)入主墻層的輻射熱，則式(3)變?yōu)?/p>

(4)

若不考慮太陽輻射的影響，則在室內(nèi)、室外溫差作用下，通過一體化墻體系統(tǒng)的熱量等于通過玻璃幕墻的熱量，也等于通過主墻層傳入室內(nèi)的熱量，即

QT=Q1=Q2

(5)

式中：QT為通過一體化墻體系統(tǒng)的熱量,W。

3.2 模擬條件設(shè)置

采用FLUENT對所研究一體化墻體系統(tǒng)進(jìn)行逐時數(shù)值傳熱模擬，各材料層厚度及物性參數(shù)如表1所示。空氣夾層在進(jìn)行自然對流換熱時流體存在密度隨溫度的變化，采用Boussinesq假設(shè)進(jìn)行處理，并設(shè)置空氣熱膨脹系數(shù)β為0.003/K。太陽輻射采用軟件內(nèi)太陽輻射計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算，使用DO輻射模型，地理信息中設(shè)置為東經(jīng)112.91°、北緯27.82°、東8時區(qū)，時間為12月5日。模型中所設(shè)置的邊界條件如表2所示。計(jì)算時壓力差值方案選擇PRESTO!格式，壓力速度耦合方程選用PISO算法，動量、能量方程選用二階迎風(fēng)格式。模擬初始?xì)鉁貫?0 ℃。

表1 墻體系統(tǒng)各材料層物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of eachmaterial layer of the wall system

表2 模型邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary condition setting of the model

3.3 模擬結(jié)果

由圖7可知，集熱板平均溫度、主墻層內(nèi)側(cè)平均溫度、主墻層外側(cè)平均溫度等隨時間的變化規(guī)律基本相同，各溫度均隨太陽輻射強(qiáng)度增大而升高。12:00太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值625 W/m2，此時,集熱板溫度達(dá)最高值88.4 ℃、溫度升高78.4 ℃。受集熱板溫度的影響，主墻層外側(cè)溫度和主墻層內(nèi)側(cè)溫度均同時達(dá)到最大值，分別為58.3、17.2 ℃，溫升值分別為48.3、2.2 ℃。

圖7 空載工況墻體系統(tǒng)各材料層溫度模擬值Fig. 7 The simulation temperature of each material layer of the wall system on no-load conditio

集熱板平均溫度與主墻層內(nèi)、外側(cè)平均溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)測量溫度值相比，變化趨勢基本相同。太陽輻射照度達(dá)到最大時，集熱板溫度模擬值比實(shí)驗(yàn)值低2.9 ℃；主墻層外側(cè)溫度模擬值比實(shí)驗(yàn)值高0.4 ℃；主墻層內(nèi)側(cè)溫度模擬值比實(shí)驗(yàn)值高1 ℃。

圖8的模擬結(jié)果顯示，空氣夾層內(nèi)形成了明顯的速度環(huán)流與溫度分層效應(yīng)，使集熱板、主墻層外側(cè)和主墻層內(nèi)側(cè)都產(chǎn)生了垂直方向的溫度梯度。隨太陽輻射照度的增加，集熱板、主墻層外側(cè)、主墻層內(nèi)側(cè)的上下溫差均增大，在12:00太陽輻射照度最高時各材料層的上下溫差達(dá)到最大值，分別為17.2、21.9、1.4 ℃。

與圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，集熱板上下溫差、主墻層內(nèi)側(cè)上下溫差的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，均在太陽輻射最大時溫差達(dá)到最大，且溫差值接近。主墻層外側(cè)的上下溫差模擬值與實(shí)驗(yàn)存在差別，其原因是模擬為穩(wěn)態(tài)條件，且模擬中室內(nèi)溫度為定值，而實(shí)驗(yàn)中主墻層外表面溫度會受室內(nèi)溫度與墻體蓄熱性的影響。

圖8 空載工況墻體系統(tǒng)各材料層上下溫差模擬值Fig. 8 The simulation temperature difference between top and bottom of each material layer of the wall system on no-load conditio

4 墻體系統(tǒng)優(yōu)化分析

從以上模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知，研究建立的一體化墻體分析模型可用于墻體的傳熱性能分析。為了進(jìn)一步研究空氣夾層厚度對墻體傳熱性能的影響，分別對空氣夾層厚度為500 mm(模型A)、300 mm(模型B)、120 mm(模型C)3種模型，在不同太陽輻射照度下進(jìn)行模擬分析。

4.1 墻體各材料層平均溫度

由圖9可以知，空氣夾層厚度一定時，太陽輻射照度越大，則主墻層內(nèi)、外側(cè)溫差越大，表明通過主墻層傳入室內(nèi)的熱量隨太陽輻射照度的增加而增大。由圖9還可以看出，不同空氣夾層厚度的主墻層內(nèi)、外側(cè)溫差變化趨勢基本相同，太陽輻射照度一定時，主墻層內(nèi)、外側(cè)溫度差隨空氣夾層厚度增大而略有減小。當(dāng)太陽輻射照度為625 W/m2時，模型C的主墻層內(nèi)、外側(cè)溫差為42.6 ℃，模型B為41.6 ℃，模型A為41.1 ℃。表明通過主墻層傳入室內(nèi)的熱量隨空氣夾層厚度增大而略有減小。

由模擬結(jié)果可以看出，墻體系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換主要集中在太陽能集熱板，太陽輻射照度越高，集熱板溫度越高，導(dǎo)致主墻層內(nèi)、外側(cè)溫差越大。因此，在一定的太陽輻射照度下，為了減少通過主墻層傳入室內(nèi)的熱量，可以增大集熱板內(nèi)水流量和降低集熱板進(jìn)水溫度來降低集熱板表面溫度，從而降低主墻層內(nèi)、外側(cè)溫度差，達(dá)到減少通過主墻層傳入室內(nèi)熱量的目的。而變化墻體系統(tǒng)空氣夾層厚度來改變通過主墻層進(jìn)入室內(nèi)的熱量，作用不明顯。

圖9 空氣夾層厚度對主墻層內(nèi)、外側(cè)溫度差的影響Fig. 9 The influence of air interlayer thickness on temperaturedifference between inside and outside of the main laye

4.2 墻體各材料層的上下溫度差

由圖10可以看出，空氣夾層厚度一定時，太陽輻射照度越高，則墻體各材料層上下溫差越大。因主墻層內(nèi)側(cè)溫差變化不大，太陽輻射照度增加時，主墻層不同高度處進(jìn)入室內(nèi)的熱量差別將越大。

圖10 太陽輻射照度對各材料層上下溫度差的影響Fig. 10 The influence of solar radiation on temperature difference between top and bottom of each material laye

由圖11可知，墻體各材料層上下溫度差隨空氣夾層厚度增大而減小，當(dāng)太陽輻射照度為625 W/m2時，模型A的集熱板、主墻層外側(cè)的上下溫差分別為17.2 ℃和21.9 ℃，模型B的集熱板、主墻層外側(cè)的上下溫度差分別為19.8 ℃和24.6 ℃，模型C的集熱板、主墻層外側(cè)的上下溫度差分別為24.1 ℃和30.1 ℃。而空氣夾層厚度變化對墻體內(nèi)側(cè)溫度差的影響不大。

由以上模擬結(jié)果可以得到，空氣夾層厚度和太陽輻射照度變化，對主墻層內(nèi)側(cè)上下溫度差變化的影響不明顯，而對集熱板上下溫度差、主墻層外側(cè)上下溫度差變化的影響均較大，其中,太陽能輻射照度變化的影響更明顯。主墻層外側(cè)上下溫度差越大，造成主墻層上部的內(nèi)、外側(cè)溫度差增幅大于主墻層下部，主墻層上部、下部溫度場越不均勻，上部、下部傳熱量也越不相等。由于太陽輻射照度直接作用于集熱板，因此，增大空氣夾層厚度和減小集熱板上下溫度差，可以減小主墻層上部、下部傳熱量的不均勻性，尤其減小集熱板上下溫差的影響更明顯。集熱板上下溫度差可以通過改變集熱板內(nèi)水流速和改變空氣夾層內(nèi)的空氣流通狀況來調(diào)節(jié)。

圖11 空氣夾層厚度對各材料層上下溫度差的影響Fig. 11 The influence of air interlayer thickness on temperature difference between top and bottom of each material laye

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種兼顧太陽能利用與保溫隔熱相結(jié)合的PT-Trombe墻體系統(tǒng)，墻體系統(tǒng)由玻璃幕墻、太陽能集熱板、熱輻射反射層、主墻層等材料層組成。通過實(shí)驗(yàn)測試和模擬計(jì)算，對墻體系統(tǒng)的傳熱性能進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)在太陽輻射作用下，集熱板空載工況溫度較高，對墻體系統(tǒng)的傳熱影響較大。在冬季的實(shí)驗(yàn)工況下測得墻體系統(tǒng)的集熱板最高溫度可達(dá)91.3 ℃，集熱板溫度高于室內(nèi)環(huán)境溫度，墻體系統(tǒng)冬季能夠?qū)κ覂?nèi)起到較好的保溫作用；主墻層外側(cè)溫度與內(nèi)側(cè)溫度最高分別為57.9、23.4 ℃，主墻層內(nèi)、外側(cè)逐時溫差最大值為41.7 ℃，墻體系統(tǒng)具有較好的隔熱性能。

2)墻體系統(tǒng)各材料層表面平均溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值變化趨勢相同，空氣夾層厚度變化對墻體系統(tǒng)各材料層表面平均溫度影響不大；太陽輻射照度變化對各材料層表面平均溫度影響較大，實(shí)驗(yàn)工況下，集熱板溫度變化幅度為實(shí)驗(yàn)值84.3 ℃、模擬值78.4 ℃，主墻層外側(cè)為實(shí)驗(yàn)值50.8 ℃、模擬值48.3 ℃。

3)在太陽輻射作用下，墻體系統(tǒng)各材料層表面均產(chǎn)生豎向的溫度差，空氣夾層厚度和太陽輻射照度對豎向溫度差的影響均較大，實(shí)驗(yàn)工況下集熱板和主墻層外側(cè)豎向溫度差分別為19.8、24.6 ℃，模擬值為17.2、21.9 ℃；墻體系統(tǒng)各材料表面的豎向溫度差隨太陽輻射照度增加而增大，隨空氣夾層厚度增大而減小。

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2017-05-04

Science and Technology Plan Project of Hunan Province (No.2015GK3026)

Heattransferperformanceofaphoto-thermalTrombewallsystemintegratedwithbuilding

LongJibo1,AYongga1,WangQuan1,WangPing1,2

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, Hunan,P.R.China;2. School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410000, P.R.China )

In order to improve thermal insulation property of building envelope and make the most of solar energy, a photo-thermal Trombe wall system integrated with building was presented. Experimental wall and simulation model were established, thus heat transfer performance of the wall system was tested by experiment and analyzed by simulation. It is found that the thermal insulation property of Trombe wall performs well in winter. The measured maximum temperatures of the collector, the outside and the inside of the main layer are 91.3 ℃, 57.9 ℃ and 23.4 ℃, while the simulated figures are 88.4 ℃, 58.3 ℃ and 17.2 ℃ respectively. Influenced by solar radiation, there exist vertical temperature differences on every material layers of the wall system. The measured vertical temperature differences of the collector, the outside and the inside of the main layer are 17.9 ℃, 31.7 ℃ and 2.2 ℃, while the simulated figures are 17.2 ℃, 21.9 ℃ and 1.2 ℃ respectively. The vertical temperature difference of each material layer of the wall system increases with the increase of solar radiation and decreases with the increase of air interlayer thickness.

photo-thermal utilization; Trombe wall; integration; temperature difference; heat transfer quantity

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.020

TK519

A

1674-4764(2018)01-0141-08

2017-05-04

湖南省科技計(jì)劃(2015GK3026)

龍激波(1971-)，男，副教授，博士，主要從事建筑節(jié)能研究，E-mail:longjibo2010@126.com。

AuthorbriefLong Jibo(1971-), associate professor, PhD, main research interest: building efficiency，E-mail:longjibo2010@126.com.

(編輯 王秀玲)