集熱墻式附加陽光間的冬季對(duì)流供熱特性研究

王天鵬 劉妍妍 顏魯祥 王建華

（蘭州交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

特朗伯集熱墻系統(tǒng)是被動(dòng)式太陽能建筑的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，最初由法國(guó)奧德曼太陽能研究所所長(zhǎng)Felix. Trombe等提出[1-2]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段對(duì)其傳熱特性和改進(jìn)措施進(jìn)行了諸多研究。陳晨[3]等利用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了不同保溫構(gòu)造的特朗伯集熱墻的動(dòng)態(tài)集熱供熱特性。何偉等[4-6]對(duì)帶百葉的特朗伯集熱墻的傳熱特性進(jìn)行了綜合性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Rabani M[7-8]等提出了一種帶煙囪的特朗伯集熱墻，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析。段琪等[9]對(duì)不同構(gòu)造的集熱板、集熱罩和熱傳輸方式對(duì)特朗伯集熱墻熱性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。黑賞罡等[10]對(duì)特朗伯集熱墻式被動(dòng)式太陽房集熱特性進(jìn)行了CFD模擬研究。總的來說，特朗伯集熱墻系統(tǒng)構(gòu)造上的缺點(diǎn)是空氣間層窄，通常只有0.1 m左右，不便于清潔維護(hù)。若將空氣間層的厚度放大到人活動(dòng)的尺度如1m以上，該間層就具有了使用功能空間的意義，即形成特朗伯集熱墻式附加陽光間。如果依然能保持良好的節(jié)能供熱性能，則是一舉雙得的設(shè)計(jì)形式。

本文基于典型尺寸建筑空間和特朗伯集熱墻通風(fēng)口組合形式，在符合實(shí)際環(huán)境的邊界條件下，利用Design Builder 軟件的CFD模塊數(shù)值模擬獲得通風(fēng)口處溫度與風(fēng)速，對(duì)比計(jì)算分析大空腔附加陽光間和小空腔空氣間層二者的對(duì)流供熱量差異，印證特朗伯集熱墻式附加陽光間對(duì)流供熱性能的優(yōu)越性。

1 物理模型與計(jì)算模型

1.1 物理模型

建筑空間物理模型如圖1所示。房間室內(nèi)尺寸長(zhǎng)4.8 m×寬3 m×高3 m，南向370mm厚粘土磚集熱墻上設(shè)外窗寬1.5 m×高1.5 m，通風(fēng)口組合形式兩種，如圖2所示，兩種方案上部通風(fēng)口總面積相等。集熱墻與外層玻璃蓋板之間距分兩種情況對(duì)比：小空腔空氣間層0.1 m，大空腔附加陽光間1.2 m。

圖1 南向集熱墻式附加陽光間形式的房間模型

1.2 計(jì)算模型

模擬計(jì)算利用Design Builder V5.0建筑能耗與環(huán)境模擬分析軟件的CFD模塊，采用k-ε湍流模型，三維均勻直角坐標(biāo)系立方體網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格考核，加密或稀疏網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響很小，因此所得的數(shù)值解是網(wǎng)格獨(dú)立的解。

圖2 集熱墻通風(fēng)口的組合形式（單位：mm）

1.2.1 控制方程

對(duì)流換熱計(jì)算區(qū)域?yàn)榉块g室內(nèi)+通風(fēng)孔+空氣間層所形成的范圍。三維穩(wěn)態(tài)對(duì)流-擴(kuò)散模型的控制方程：

能量方程

動(dòng)量方程

連續(xù)性方程

1.2.2 邊界條件

第一類邊界條件，即規(guī)定計(jì)算區(qū)域邊界上的溫度值?？涨粌?nèi)表面溫度40 ℃，單層玻璃蓋板內(nèi)表面溫度38 ℃，集熱墻外表面40 ℃、內(nèi)表面20 ℃，中空玻璃窗外表面溫度32 ℃、內(nèi)表面30 ℃，室內(nèi)各表面溫度18 ℃。上述邊界表面溫度根據(jù)實(shí)際建筑環(huán)境在中等太陽輻射強(qiáng)度作用下的實(shí)測(cè)結(jié)果而設(shè)定。

2 速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖3 速度、溫度場(chǎng)分布圖（x=0.4 m截面）

在空氣間層的加熱作用下，系統(tǒng)內(nèi)空氣區(qū)域的流動(dòng)和溫度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，室內(nèi)低溫空氣經(jīng)下部通風(fēng)口進(jìn)入空腔，對(duì)流上升吸收熱量后經(jīng)上通風(fēng)口進(jìn)入房間室內(nèi)，加熱室內(nèi)空氣起到對(duì)流供暖的功能作用。

圖3中上部通風(fēng)口風(fēng)速和房間三維中心點(diǎn)溫度如表1所示，1.2m深的附加陽光間相對(duì)于0.1m深的空氣間層，上部通風(fēng)口風(fēng)速?gòu)?.59 m/s提高到0.66～0.67 m/s，增幅約12%，房間中心點(diǎn)溫度提高了1.1 ℃（小通風(fēng)口組合）、0.7 ℃（大通風(fēng)口組合）。此外，小通風(fēng)口組合相較于大通風(fēng)口組合的上部通風(fēng)口位置更低，這樣有利于提高房間室內(nèi)下部空間的空氣溫度，獲得更好的熱舒適度，因此房間中心點(diǎn)空氣溫度也略高，尤其是空腔深度增大形成附加陽光間形式，房間中心點(diǎn)空氣溫度由21.8 ℃提高到22.3 ℃。這些結(jié)果主要是由于空腔深度增加和上部通風(fēng)口位置較低使得對(duì)流換熱更加充分所致。

表1 上部通風(fēng)口風(fēng)速和房間中心點(diǎn)空氣溫度

3 對(duì)流供熱量計(jì)算分析

特朗伯集熱墻系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的供熱量主要由通風(fēng)口對(duì)流供熱量提供。對(duì)流供熱量可由下式確定。

式中為通過上下通風(fēng)口的質(zhì)量流量，kg/s，=ρo，其中ρ為上下通風(fēng)口的平均空氣溫度對(duì)應(yīng)的密度，kg/m3，v為通風(fēng)口風(fēng)速，取上部通風(fēng)口風(fēng)速，m/s，Ao為通風(fēng)口面積，取上部通風(fēng)口面積，m2；cp為空氣的定壓比熱容，J/kg·K；To為熱流進(jìn)入室內(nèi)的上部通風(fēng)口空氣溫度，℃；Ti為熱流進(jìn)入集熱墻夾層空腔的下部通風(fēng)口空氣溫度，℃。

由圖3模擬結(jié)果所得上部和下部通風(fēng)口溫度可計(jì)算比對(duì)房間所獲得的對(duì)流供熱量，如表2所示。對(duì)于小通風(fēng)口組合形式，1.2m深的附加陽光間相對(duì)于0.1m深的空氣間層提供的對(duì)流供熱量從376.3 W提高到492.9 W；對(duì)于大通風(fēng)口組合形式，對(duì)流供熱量從348.8 W提高到500.3 W。同時(shí)，對(duì)于大空腔的附加陽光間形式，通風(fēng)口組合形式對(duì)對(duì)流供熱量的影響不大。

表2 房間對(duì)流供熱量

4 結(jié)論

特朗伯式附加陽光間相較于窄空腔的普通特朗伯集熱墻對(duì)流供熱性能更優(yōu)，具體結(jié)論如下：

1）出風(fēng)口速度可提高12 %；室內(nèi)空間中心點(diǎn)溫度提高約1.0 ℃；

2）小通風(fēng)口組合、上部通風(fēng)口窗側(cè)布置的形式，整個(gè)房間太陽能加熱的對(duì)流供熱量可提高30 %；大通風(fēng)口組合、上部通風(fēng)口窗頂布置的形式，整個(gè)房間太陽能加熱的對(duì)流供熱量可提高43.4 %。