閉式外腔循環(huán)太陽能墻集熱效果實(shí)驗(yàn)研究

顧祥紅，王良煜，陳 磊，宋曉程

（大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

太陽能墻是利用太陽能光熱轉(zhuǎn)換為建筑供暖的一種墻體，是太陽能建筑一體化的一種形式。隨著太陽能吸收材料技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)新型太陽能墻滿足冬季采暖需求變?yōu)榭赡堋?/p>

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對用于建筑的太陽能墻研究頗多。尹寶泉[1]介紹了Trombe的發(fā)展歷程以及幾種改進(jìn)的Trombe墻，這些改進(jìn)的太陽能墻各有利弊，均未能用于實(shí)際應(yīng)用中。王瑩鈺[2]對北方冬季帶有百葉集熱板的太陽能墻墻體溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，靠近百葉集熱板溫度最高，實(shí)體墻在厚度方向上出現(xiàn)了明顯的溫度分層。邢秉元[3]利用Fluent軟件，著重研究了太陽能集熱板孔徑尺寸及太陽輻射強(qiáng)度對太陽能墻系統(tǒng)的熱性能影響。王華強(qiáng)[4]通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究了空氣間層大小及傾斜角度對太陽能墻集熱板的不同影響，空氣間層在195 mm附近可獲得較大的集熱效率，集熱板的傾角不宜超過43°。賈斌廣[5]提出了一種雙風(fēng)道太陽能墻，并利用CFD軟件對單、雙風(fēng)道太陽能墻的溫度場、速度場、出風(fēng)溫度和換熱效率進(jìn)行分析，結(jié)果表明，當(dāng)新風(fēng)量為18～108 m3/h時(shí)，雙風(fēng)道太陽能墻的換熱效率比單風(fēng)道太陽能墻提高了10%以上，最高可達(dá)14.12%。R Li[6]研制了一種新型太陽能熱幕墻（STCW），并對其熱性能進(jìn)行了測試和理論分析，結(jié)果表明：夏季和冬季，STCW系統(tǒng)的效率分別為56.8%和41.0%；STCW的熱傳遞系數(shù)按月變化，8月份的最大值為1.99 W/（m2·K），1月份的最小值為0.86 W/（m2·K）。Snezana M Dragicevic[7]分析了環(huán)境參數(shù)變化對太陽能墻熱效率的影響，影響因素有太陽輻射、風(fēng)速和環(huán)境溫度。

太陽能在建筑中的應(yīng)用有諸多形式[8]～[10]，目前大多數(shù)學(xué)者只是針對傳統(tǒng)Trombe墻的理論改進(jìn)與數(shù)值模擬進(jìn)行研究，而對于改進(jìn)后的Trombe墻實(shí)驗(yàn)分析較少。本文采用閉式外腔循環(huán)太陽能墻系統(tǒng)，通過理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，闡釋北方冬季太陽能墻系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

1 閉式外腔循環(huán)系統(tǒng)簡介

圖1 閉式外腔循環(huán)系統(tǒng)太陽能墻Fig.1 External cavity circulation solar wall system

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)選取大連地區(qū)一層建筑不采暖房間為對象，在房間南向墻體外搭建太陽能墻。太陽能墻長4.2 m，高3 m，由陽光板、集熱板（帶均勻微孔）組成，由鋼制龍骨固定于建筑外墻。陽光板、集熱板、建筑外墻三者之間存在一定空隙，用于儲存熱空氣，集熱板與外墻形成的空腔稱為內(nèi)腔，集熱板與陽光板之間形成的空腔稱為外腔。閉式外腔循環(huán)系統(tǒng)是一種利用室內(nèi)下部冷空氣作為回風(fēng)，回風(fēng)進(jìn)入太陽能墻外腔內(nèi)，利用集熱板輻射吸收太陽能加熱腔體冷空氣，再由風(fēng)機(jī)將內(nèi)腔加熱后的熱空氣送入室內(nèi)的一種循環(huán)系統(tǒng)。圖2為8個(gè)溫度傳感器的測點(diǎn)位置，其中，溫度傳感器位于太陽能墻中心線位置，房間溫度傳感器位于房間中心位置，室外溫度傳感器通過氣象站百葉箱保護(hù)置于室外，百葉箱離地1.5 m，通風(fēng)良好，不受陽光直射和其他物體遮擋，風(fēng)機(jī)出口傳感器用于測量出風(fēng)溫度。

圖2 溫度測點(diǎn)位置剖面圖Fig.2 Profile of temperature measuring points

如圖3所示，控制箱是自動控制系統(tǒng)的核心，一端連接溫度傳感器，一端連接顯示器，采用PLC編程。顯示器可實(shí)時(shí)展示溫度傳感器溫度，通過實(shí)時(shí)曲線觀察溫度變化趨勢。通過設(shè)置室內(nèi)與風(fēng)機(jī)出口溫度的溫差，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)自動開啟與關(guān)閉。同時(shí)，利用遠(yuǎn)程控制云平臺，在手機(jī)上下載APP，提供全天性的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及手機(jī)操作控制。

圖3 控制箱Fig.3 Automatic control box

2 理論計(jì)算

2.1 太陽輻射計(jì)算

陽光板為聚碳酸酯透明薄板，透射率τ=0.89，集熱板采用最新型噴涂材料，吸收率α=0.95。

赤緯角δ為

式中：n為所求日期在1 a中的天數(shù)。

太陽高度角sinh為

式中：φ為所在地區(qū)緯度，°；ω為太陽時(shí)角，°。

式中：P為大氣透明系數(shù)；m為大氣質(zhì)量數(shù)，如果不考慮地球的曲率，m是天頂距θ的函數(shù)，即m=secθ；Im為經(jīng)過大氣減弱后透射到地面的太陽輻射強(qiáng)度，可以通過日射觀測儀器在地面直接測量獲得，W/m2；I0為太陽常數(shù)，W/m2。

太陽直射輻射IB與散射輻射之ID之和為太陽總輻射強(qiáng)度IH[11]：

式中：ζ0為地球軌道的偏心修正系數(shù)；ISC為平均日地距離時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度，W/m2。

通過以上計(jì)算,可知任意時(shí)間的太陽輻射強(qiáng)度。為了方便研究與分析，本文選取2018年11月19日 12：00為研究對象，經(jīng)計(jì)算，IH=621.66 W/m2。

2.2 太陽能墻系統(tǒng)能量守恒計(jì)算

集熱板能量守恒方程為

式中：QH為集熱板獲得的太陽輻射熱量，W；QW，F(xiàn)為集熱板對陽光板的輻射熱量，W；QW，D為集熱板對外腔空氣的對流換熱量，W；QS為風(fēng)機(jī)作用下強(qiáng)制對流外腔空氣滲入內(nèi)腔的對流換熱量；W；QN，F(xiàn)為集熱板對建筑外墻的輻射熱量，W；QN，D為集熱板對內(nèi)腔空氣的對流換熱量，W。

集熱板與外腔和內(nèi)腔都是通過對流與輻射兩種方式進(jìn)行加熱，其計(jì)算原理相同。以外腔計(jì)算為例，對流為風(fēng)機(jī)作用下的強(qiáng)制對流，采用外掠平板對流換熱公式。

式中：Re為雷諾數(shù)；μ∞為風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速，m/s；υ為運(yùn)動黏度，m2/s，l為板長，m。

在臨界雷諾數(shù)時(shí)，發(fā)生層流到紊流的轉(zhuǎn)變，根據(jù)層流與紊流的不同，分別選取不同的對流換熱公式：

式中：h1，h2分別為層流、紊流對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；λ為熱導(dǎo)率，W/（m·K）；Pr為普朗特準(zhǔn)則。

最后根據(jù)牛頓冷卻公式，求出內(nèi)腔與外腔的對流換熱量Q：

式中：A為板面積，m2；△t為壁面與流體溫度差，℃。

經(jīng)計(jì)算，外腔距回風(fēng)口2.4 m處發(fā)生層流到紊流的轉(zhuǎn)變，分別將雷諾數(shù)帶入式（7），（8），得到h1=5.56 W/（m·K），h2=24.40 W/（m·K）。

將對流換熱系數(shù)分別帶入式（9）進(jìn)行計(jì)算，得到 QW，D=2 573.25 W。

基于上述實(shí)驗(yàn)臺的描述可知，集熱板上分布著均勻的孔隙，由于風(fēng)機(jī)的作用，外腔空氣將以強(qiáng)制對流的形式由小孔進(jìn)入內(nèi)腔，這種滲流的形式可采用修正達(dá)西定理來描述[12]，即：

式中：ρf為氣體密度，kg/m3；為氣相速度，m/s；P為氣相壓力，Pa；μeθ為空氣動力粘度，Pa·s；μf為球形顆粒動力粘度，Pa·s；k為球形顆粒堆積多孔床的滲透率；F為Brinkman修正系數(shù)；φ為孔板孔隙率。

經(jīng)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)集熱板孔隙率為1.54%，單位時(shí)間內(nèi)透過集熱板孔隙滲入的熱量QS[13]：

式中：Cpa為空氣比熱，J/（kg·K）；ρ為氣體密度，kg/m3；υa為透過集熱板孔隙熱空氣的滲流速度，m/s；△T為由于熱空氣加熱引起內(nèi)腔空氣的溫升值，℃。

式中：σb為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，W/（m2·K4）；A為集熱板面積，m2；Tbs為集熱板溫度，℃；Tg為陽光板溫度，℃；εbs為集熱板發(fā)射率；Xbs，g為集熱板與陽光板之間的角系數(shù)；εg為陽光板發(fā)射率。

在IH=621.66 W/m2條件下，根據(jù)以上公式對太陽能墻溫度、熱量、效率參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 太陽能墻理論計(jì)算結(jié)果Table 1 Theoretical calculation results of solar wall

閉式外腔循環(huán)太陽能系統(tǒng)效率η為

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4 不同條件下，太陽能墻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各測點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化情況Fig.4 The change of temperature with time at each measuring point of solar wall experimental system under different conditions

圖4為太陽能墻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各測點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化情況。其中圖4（a）為2018年11月19日的測量結(jié)果。由圖4（a）得出12：00時(shí)各測點(diǎn)數(shù)據(jù)：外腔上溫度為66.6℃，外腔中溫度為56.5℃，外腔下溫度為29.4℃。外腔上溫度測點(diǎn)處于理論計(jì)算的外腔紊流區(qū)域，與紊流區(qū)溫度（表1）相差0.13℃；外腔中溫度與外腔下溫度兩測點(diǎn)均處于層流區(qū)域，其平均溫度為42.95℃，與理論計(jì)算值（表1）相比，僅存在2℃左右的誤差。總體來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本吻合。

從圖4（a）可以看出，太陽能墻內(nèi)各點(diǎn)溫度呈現(xiàn)出 8：00-10：00 提升斜率最大、11：00-13：30 相對平穩(wěn)、14：00過后開始下降、16：00達(dá)到白天最低的變化趨勢。8：00之前太陽輻射較弱，集熱板溫度提升過慢，無法令室內(nèi)溫度提升，因此選取實(shí)驗(yàn)曲線時(shí)間為 8：00-16：00。8：00-10：00 時(shí)太陽能墻接收太陽輻射，迅速使集熱板升溫，能在短時(shí)間內(nèi)使空腔中空氣溫度上升，達(dá)到設(shè)定溫度后，開啟風(fēng)機(jī)，為室內(nèi)供給熱量。11：00-13：30墻內(nèi)溫度比較平穩(wěn)，這是由于隨著太陽輻射繼續(xù)增強(qiáng)，集熱板溫度持續(xù)升高，一部分熱量用來加熱房間，另一部分則繼續(xù)使空腔溫度上升，源源不斷地為室內(nèi)提供熱空氣。該時(shí)間段：室內(nèi)溫度達(dá)到峰值（21.2℃），并且出現(xiàn)緩慢變動趨勢；外腔上部溫度達(dá)到峰值 （69.7℃），太陽能墻風(fēng)機(jī)出口也達(dá)到峰值（54.8℃）。14：00后，太陽方位發(fā)生變化，太陽能墻溫度開始下降，但房間溫度并沒有下降趨勢，太陽能墻空腔存儲的熱量依舊可以提供給室內(nèi)熱空氣。直至16：00之后，實(shí)驗(yàn)地區(qū)太陽被遮擋（實(shí)驗(yàn)室西方有山體遮擋，太陽落山早于當(dāng)?shù)貢r(shí)間），集熱板無法吸收太陽輻射，但房間的溫度還能繼續(xù)維持1 h左右，之后房間溫度出現(xiàn)下降趨勢。

圖 4（a）與圖 4（b）除風(fēng)力不同外，其它室外環(huán)境條件相近，可以看到，室外測點(diǎn)有氣象站百葉箱保護(hù)，測得的室外溫度不受風(fēng)力影響。測試結(jié)果表明，室外風(fēng)力對太陽能墻工作效果有微小影響。

由圖4（c）可知，室外寒冷的情況下，太陽能墻依然可為室內(nèi)提供熱空氣，只是相對于圖4（a）來說，8：00-10：00溫度提升過慢。這是由于室內(nèi)外溫差過大，風(fēng)機(jī)出口溫度會低一些，11：00點(diǎn)前供給室內(nèi)熱量偏少，12：00開始太陽能墻可為室內(nèi)提供熱空氣。從圖4（c）還可以看出，個(gè)別測點(diǎn)溫度略低于圖4（a），出現(xiàn)一些溫度波動，應(yīng)該是偶有云層遮檔的影響。

太陽能利用具有波動性、隨機(jī)性，遇到雨雪、多云天氣，云層將削弱到達(dá)地面的總輻射量。從圖4（d）可以看出，當(dāng)日云層較為密集，全天溫度提升并不多，空腔內(nèi)溫度達(dá)到峰值時(shí)僅有46.7℃。風(fēng)機(jī)送風(fēng)至室內(nèi)，使室內(nèi)溫度緩慢上升，再通過下部回風(fēng)口，使室內(nèi)下部空氣回到外腔下側(cè)，由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流作用與外腔空氣通過集熱板小孔時(shí)的滲流作用，室內(nèi)溫度最高在16℃?？梢?，雨雪天氣太陽能墻無法為室內(nèi)提供過多熱空氣。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了閉式外腔循環(huán)太陽能墻系統(tǒng)，通過對太陽能墻在各種天氣下的溫度進(jìn)行測量，結(jié)合理論計(jì)算，研究太陽能墻冬季供暖規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①晴朗天氣下，大連地區(qū)太陽總輻射強(qiáng)度較高，通過導(dǎo)熱、對流、滲流、輻射等熱傳遞形式可以使集熱板及空腔溫度升高，太陽能墻的效率為53.16%，高于傳統(tǒng)太陽能墻效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合度好。

②通過對閉式外腔循環(huán)系統(tǒng)太陽能墻溫度不間斷自動監(jiān)測，得到冬季運(yùn)行規(guī)律：上午室溫從10℃升溫到18℃，平均需要1 h；從18℃升溫到20℃，平均需要1.5 h；升溫至20℃以上用時(shí)會更長，說明太陽能墻采暖低溫區(qū)升溫迅速。

③晴朗天氣下，10：00-17：00，單一太陽能墻即可滿足采暖要求，可以供熱7 h；一般的工業(yè)廠房用暖在工人上班的8：00-17：00，每天最多需要輔助采暖2 h。在鼓勵(lì)電取暖等替代散燒煤的清潔取暖政策下，太陽能墻比空氣源熱泵更節(jié)電，可以選擇空氣源熱泵作為輔助采暖，采用“太陽能墻+空氣源熱泵”組合形式。

④對于雨雪天、陰天、霧霾天等天氣，采暖效果降低，需要輔助能源多工作。