特朗勃墻系統(tǒng)集熱技術(shù)強(qiáng)化研究

王蘊(yùn)芝，周文和，歐陽煥英

(蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

1 引言

近年來隨著建筑采暖能耗的不斷增加，環(huán)境和生態(tài)平衡遭到嚴(yán)重破壞，不可再生能源匱乏，節(jié)能環(huán)保、發(fā)展綠色建筑已經(jīng)成為時(shí)代主旋律。被動(dòng)式太陽房是一種充分利用太陽能資源的建筑形式，節(jié)能效果顯著，近年來國內(nèi)外研究學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究。

Duffina和Knowles[1]給出了一個(gè)基于線性傳遞理論的Trombe墻模型，該模型可以對影響墻體熱性能的參數(shù)進(jìn)行分析；Tamara Bajc[2]通過數(shù)值研究的方法得出了采用不同材料墻體時(shí)太陽房溫度場、速度場的變化規(guī)律。段雙平[3]通過理論分析方法研究了冬季太陽房墻體導(dǎo)熱供熱量等參數(shù)隨太陽輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律；華北電力大學(xué)吳彥廷等[4]對太陽能相變集熱蓄熱墻系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立了二維模型。

本文采用了模擬的方法對被動(dòng)式太陽房集熱墻通風(fēng)孔的大小對室內(nèi)溫度及空氣流速帶來的影響做了進(jìn)一步的研究。

2 工作原理

如圖1所示，作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特朗勃墻由玻璃層、空氣夾層、集熱蓄熱墻及其通風(fēng)孔、玻璃窗等組成，當(dāng)有太陽光照射時(shí)，集熱蓄熱墻上的吸熱板升溫加熱空氣層中空氣的溫度，空氣通過上通風(fēng)孔流入，從下通風(fēng)孔置換出室內(nèi)的冷空氣從而達(dá)到供熱的效果。

圖1 太陽能集熱墻系統(tǒng)簡化模型示意

3 模型建立

3.1 物理模型

本次模擬房間為青藏線不凍泉站生活、辦公綜合樓某房間，位于北緯35°13′，東經(jīng)93°05′，海拔4612 m之處。該地區(qū)最低溫度可達(dá)－41℃，為常年凍土區(qū)，但太陽能資源充足。此房間屬于被動(dòng)式太陽房，正南方向布置，層高3.40 m，太陽墻寬3.6 m，徑深5.1 m。

3.2 數(shù)學(xué)模型

連續(xù)性方程：

能量連續(xù)性方程：

動(dòng)量連續(xù)性方程：

4 數(shù)值模擬方法

4.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，根據(jù)青藏線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對三維系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，所得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的相應(yīng)值符合較好誤差在±5%以內(nèi)，如圖2、圖3所示。

4.2 模擬結(jié)果分析

將空氣夾層寬度設(shè)定為15 cm，其他條件不變，通風(fēng)孔的大小占?jí)γ娣e分別為0.5%、1%、1.5%和2%，選取9：00～18：00的太陽輻射強(qiáng)度對改進(jìn)型太陽房進(jìn)行模擬，探討其對特朗勃墻集熱效果的影響。下面列舉11：00室內(nèi)平均溫度模擬結(jié)果進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 不同面積溫度

從表1中可以看出通風(fēng)孔面積為1%時(shí)室內(nèi)平均溫度較高，在11：00，相比其他通風(fēng)孔面積可以提高1～3℃左右，說明集熱墻集熱效果較好，將青藏線某房間改造成通風(fēng)孔面積為1%，可以提高及集熱性能，節(jié)省采暖能量，符合綠色節(jié)能要求。

圖2 模型出口空氣溫度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

根據(jù)青藏線太陽輻射特點(diǎn)和房間模型，建立三維模型，模擬得出了不同通風(fēng)孔面積的溫度和速度變化規(guī)律，通過分析太陽能相變集熱墻系統(tǒng)的送風(fēng)風(fēng)速及房間內(nèi)溫度的分布規(guī)律，對比得出通風(fēng)孔面積為1%時(shí)，室內(nèi)溫度高于通風(fēng)孔面積為0.5%、1.5%和2%的溫度，并且室內(nèi)空氣流動(dòng)較其他兩個(gè)更均勻，熱舒適性較好。

圖3 模型空氣流量與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比