風口參數(shù)對集熱蓄熱墻通風及換熱特性的模擬研究

趙建會，樊舒雅，崔保天，朱 彬，方子君

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054 )

0 前 言

隨著社會的發(fā)展，越來越多的環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)，如城市上空出現(xiàn)的霧霾。我國能源結(jié)構(gòu)以化石能源為主，超過30%的社會總能耗用于建筑[1]，能源利用率低。在建筑能耗中，有一部分為采暖能耗。我國傳統(tǒng)的供暖方式中提供熱源的設(shè)備多為鍋爐，而使用鍋爐供熱則大都需要燃燒煤、石油、天然氣等化石能源，燃燒后可能會產(chǎn)生污染，且這些能源不可再生。相對的，如果使用可再生的、清潔的能源，如太陽能，就可避免這些問題。使用太陽能可節(jié)約資源，而集熱蓄熱墻就是利用了太陽能達到給室內(nèi)供暖和通風的目的，集熱蓄熱墻又稱Trombe墻。使用集熱蓄熱墻可提高能量利用率[2-3]和節(jié)能[4-5]。

國內(nèi)外對于優(yōu)化集熱蓄熱墻的通風及換熱特性都有研究：王登甲等[5]對青藏高原地區(qū)Trombe墻式太陽房進行實驗測試，發(fā)現(xiàn)Trombe式太陽房的通風口在日出后2～3小時開啟，日落前1小時關(guān)閉效果最佳。吳彥廷等[6]對太陽能相變蓄熱集熱墻系統(tǒng)進行模擬，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)空氣夾層的流量在一定范圍內(nèi)隨空氣夾層的寬度增加而逐漸增加，出口溫度則隨空氣夾層寬度的增加而逐漸降低。沈嬌等[7]對集熱蓄熱墻進行二維模擬，通過改變集熱蓄熱墻通風口的尺寸，對室內(nèi)溫度場，速度場和壓力場的分布進行了分析，得出合理選擇通風口尺寸有助于提高集熱蓄熱墻的性能。Burek等[8]搭建了一個的試驗臺，研究了如太陽能煙囪和Trombe墻的空氣換熱器的傳熱和流動特性，發(fā)現(xiàn)通過空氣夾層的流量與得熱量和夾層深度有關(guān)，系統(tǒng)熱效率與得熱量有關(guān)，與空氣夾層深度無關(guān)。Gan[9]使用CFD技術(shù)對Trombe墻進行了模擬，研究了空氣夾層寬度、墻體高度、玻璃蓋板類型及墻體保溫對其性能的影響，結(jié)果表明，通風率隨著壁溫和得熱量的增加而增加，在夏季運行的集熱蓄熱墻系統(tǒng)應(yīng)采取墻體絕熱措施。

現(xiàn)有對于集熱蓄熱墻空氣夾層的研究較多，而對于集熱蓄熱墻的風口的研究還較少。對于通風和供熱運行模式下的集熱蓄熱墻，本文通過改變風口形狀、風口面積、進出風口的相對大小來研究有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻風口參數(shù)對于其通風及換熱特性的影響。

1 理論模型

有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻(見圖1)由玻璃蓋板、空氣夾層、集熱結(jié)構(gòu)、保溫結(jié)構(gòu)、墻體、上風口、下風口、排風口組成。玻璃蓋板和集熱結(jié)構(gòu)受太陽輻射后溫度升高從而使空氣夾層內(nèi)空氣溫度升高并產(chǎn)生密度差，繼而推動熱氣流向上自然流動，室內(nèi)空氣則從下風口通過空氣夾層由上風口送入室內(nèi)或由排風口排出。

圖1 有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻示意圖

圖2為有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻工作狀況示意圖。集熱蓄熱墻的運行大致分為冬季和夏季兩種情況，通過調(diào)節(jié)不同風口的開閉情況來轉(zhuǎn)換冬、夏季運行模式。冬季以供熱為主，即室內(nèi)空氣經(jīng)過空氣夾層加熱并通過對流換熱作用送入室內(nèi)，同時集熱蓄熱墻的保溫結(jié)構(gòu)也可大量減少熱量進入墻體，供熱模式側(cè)重于送入室內(nèi)的供熱量。夏季則以通風為主，室內(nèi)空氣由空氣夾層內(nèi)的自然抽吸力排出室外，通風模式側(cè)重流出室內(nèi)的空氣流量即通風量。另外，夏季還可增加遮陽結(jié)構(gòu)來阻止集熱。本文著重研究風口參數(shù)對有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風和供熱效率的影響，從而提高該墻的性能。

(a)夏季通風模式(只打開下風口和排風口) (b)冬季供熱模式(只打開下風口和上風口)

集熱蓄熱墻空氣夾層內(nèi)空氣的流動依靠自然通風作用。自然通風主要依靠室內(nèi)外風壓或熱壓的不同來進行室內(nèi)外空氣交換。如果建筑物外墻上的窗孔兩側(cè)存在壓力差△P，就會有空氣流過該窗孔，空氣流過窗孔時的阻力就等于△P[10]。

(1)

式中，△P為窗孔兩側(cè)的壓力差，Pa；v為空氣流過窗孔時的流速，m/s；ρ為空氣的密度，kg/m3；ζ為窗孔的局部阻力系數(shù)。

通過窗孔的空氣量[10]：

(2)

通過空氣夾層的換熱量：

Q=Cm△t

(3)

式中，Q為通過空氣夾層的換熱量，W；C為空氣的比熱容，J /(kg·K)；m為通過空氣夾層的質(zhì)量流量，kg/s；△t為空氣夾層的進出口溫差，K。

2 物理模型

為了研究夏季和冬季不同工作狀況下有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻空氣夾層的通風和供熱性能，本文根據(jù)有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻運行模式設(shè)計兩個集熱蓄熱墻空氣夾層簡化物理模型，如圖3所示。圖3中下部風口處空氣由于熱空氣自然上升的抽吸作用流入空氣夾層，然后從上部風口處流出空氣夾層。兩個模型的空氣夾層厚度均為0.1 m，寬均為1 m，高均為2.8 m，下風口距地面均為0.2 m，其中圖3(a)為夏季通風模式下的模型1，只有下風口和排風口。圖3(b)為冬季供熱模式下的模型2，只有下風口和上風口。下風口均為進口，上風口和排風口均為出口。本文通過改變兩個模型的風口參數(shù)來進行研究。

(a)模型1

3 數(shù)值模擬

本文采用Fluent 模擬軟件進行模擬，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，為了保證對壁面處速度梯度和溫度梯度的準確模擬，在壁面處加密網(wǎng)格。數(shù)值模擬使用Realizable k-ε湍流模型，壁面處理采用增強壁面函數(shù)法。同時為了簡化問題，作如下假設(shè)：①空氣密度符合Boussinesq假設(shè)；②不考慮壁面間輻射傳熱；③不考慮漏風的影響，認為空氣夾層除通風口處都密封完好；④傳熱過程不考慮墻體的蓄熱；⑤穩(wěn)態(tài)條件；⑥材料特性與溫度無關(guān)；⑦不考慮室外風壓的影響。

將太陽輻射簡化為定熱流量模型，當太陽輻射透射過玻璃蓋板照射到集熱壁面上，空氣夾層左右兩側(cè)施加的熱流條件有相互對應(yīng)的關(guān)系。玻璃的物性參數(shù)：吸收系數(shù)為 0.06，透射系數(shù)為0.85，反射系數(shù)為0.09；表面涂層的物性參數(shù)：吸熱系數(shù)為 0.95；則集熱壁面每吸收100 W/m2的太陽輻射，玻璃蓋板接收的熱流為7.43 W/m2[11]。

本文將模型1和模型2的集熱壁面的熱流密度設(shè)為300 W/m2，玻璃壁面的熱流密度設(shè)為22.92 W/m2，進出口邊界條件均為壓力邊界條件，環(huán)境壓力均為101 325 Pa, 模型1的進口溫度為295 K，出口溫度為306 K，模型2的進口溫度為287 K，出口溫度為287 K。

4 模型的驗證

為驗證模擬的可靠性，對文獻[12]中所述的實驗條件下豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪的自然通風情況進行數(shù)值模擬，該實驗為一個壁面為均勻的熱通量變化的豎直式太陽能煙囪模型，其煙囪高度為2 m，長度為1 m，寬度在0.4～1.2 m，煙囪入口距離地面的高度為0.7 m。該實驗?zāi)Ｐ团c本文所述模型基本原理相同，簡化該實驗?zāi)Ｐ蜑橐粋€豎直矩形通道，上下分別為出風口和進風口，該太陽能煙囪寬度取為0.4 m，集熱壁面和玻璃壁面的熱流密度均按照上述比例給出。

將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，如圖4所示。結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的變化趨勢相同，相對誤差為 11.1%～13.1%。這是由于數(shù)值模擬與實驗所采用的材料及一些環(huán)境因素的不同，對通風量有一定的影響。計算結(jié)果與實驗結(jié)果的偏差小于15%，所以，前文中建立的模型，對于空氣夾層內(nèi)的空氣流動具有較好的適用性。

圖4 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

5 模擬結(jié)果及分析

5.1 風口形狀對通風及換熱特性的影響

為研究風口形狀對有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻空氣夾層通風及換熱特性的影響，在風口的進出風口總面積相等的條件下，設(shè)其為0.115 2 m2，分別對于兩個模型設(shè)定兩個風口形狀(正方形和長方形)進行模擬。模型1和模型2的邊界條件已由前文給出，模型2的“換熱量”由式(3)算出。

5.1.1 模型1與模型2的模擬結(jié)果

不同風口形狀下的模擬結(jié)果見表1～2，溫度場和速度場見圖5～6。

表1 模型1的不同風口形狀下的模擬結(jié)果

表2 模型2的不同風口形狀下的模擬結(jié)果

(a)正方形模型的速度場

5.1.2 模擬結(jié)果與分析

分析圖5～6可得，分別對比長方形風口和正方形風口空氣夾層內(nèi)的溫度場和速度場，可知無論是模型1還是模型2，長方形風口空氣夾層內(nèi)的溫度分布和速度分布都比正方形風口的均勻，這樣可得出長方形風口空氣夾層內(nèi)的通風阻力小于正方形風口，既可增加通風量，又可使空氣夾層的換熱更加均勻。分析表1～2可得，對于模型1，側(cè)重于通風的情況。相同的進出風口面積下，長方形風口的通風量大于正方形風口，更有利于集熱蓄熱墻的通風。對于模型2，側(cè)重于供熱的情況。相同的進出風口面積下，長方形風口的換熱量大于正方形風口，這樣更有利于室內(nèi)的供熱。對于以上兩種模型，長方形風口的總體性能均優(yōu)于正方形風口，在實際應(yīng)用中，可考慮使用長方形風口代替正方形風口。

(a)正方形模型的速度場

5.2 風口面積對通風換熱特性的影響(以長方形風口為例)

為研究風口面積對有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻空氣夾層通風及換熱特性的影響，在風口的進出風口面積相同且風口長寬比為4∶1的條件下，分別對于兩個模型設(shè)定5個逐漸遞增的進出風口總面積參數(shù)(進風口和出風口的長寬比例和面積相同)進行模擬。模型1和模型2的邊界條件已由前文給出，模型2的“換熱量”由式(3)算出。

5.2.1 模型1和模型2的模擬結(jié)果(見表3～4,圖7～10)

表3 模型1不同進出風口總面積

表4 模型2不同進出風口總面積

圖7 通風量和進出風口速度

圖8 進出風口溫升

圖9 模型2不同進出風口總面積下的通風量和進出風口速度

圖10 模型2不同進出風口總面積下的換熱量和進出風口溫升

5.2.2 模擬結(jié)果的分析

分析圖7～10可得：對于模型1，等比例增加進出風口的面積，隨著進出風口總面積的增大，進出風口風速減小，空氣夾層的通風量增大，空氣夾層的進出風口溫升也隨之減小，這更有利于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風；但對于模型2，等比例減小進出風口的面積，隨著進出風口總面積的減小，進出風口風速變大，空氣夾層的通風量減小，增加了空氣在空氣夾層的停留時間，換熱時間增加，換熱更加充分，進出風口溫升也隨之增大，有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻空氣夾層的換熱量隨之增大，這更有利于其供熱。

5.3 進出風口的相對大小對其通風換熱特性的影響(以長方形風口為例)

為研究進出風口的相對大小對有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻空氣夾層通風及換熱特性的影響，在風口長寬比為4:1的條件下，對于模型1以分別以3個方式(B、C、D)加大了進出風口總面積，對于模型2分別以3個方式(F、G、H)減小了進出風口總面積進行模擬。模型1和模型2的邊界條件已由前文給出，模型2的“換熱量”由式(3)算出。

5.3.1 模型1的模擬結(jié)果及分析(見表5，圖11～12)

表5 模型1的不同的進出風口面積

圖11 模型1不同進出風口面積下的通風量

圖12 模型1不同進出風口面積下的進出風口溫升

分析表5和圖11～12可得，在風口長寬比為4:1的條件下，以三種方式(B、C、D)加大風口總面積約28%， B、C、D三種方式的通風量都有所增加，B和D分別增加了約14.4%和13.4%，C只增加了約3.7%，增加的相對較少，這是由于C方式的出風口面積小于進風口面積從而增大了通風阻力，所以C方式的通風量增加的不是很顯著，同時進出風口溫升也沒有較為明顯變化。但出風口面積大于進風口面積的B方式卻是獲得最多的通風量的方式，這是由于這種方式可以減小通風阻力，通風量就有所增加，進出風口溫升也就隨之減少，更有利于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風。

5.3.2 模型2的模擬結(jié)果及分析(見表6，圖13～15)

表6 模型2的不同的進出風口面積

圖13 模型2通風量

圖13為模型2不同進出風口面積下的通風量，圖14為模型2不同進出風口面積下的進出風口溫升，圖15為模型2不同進出風口面積下的熱換量。分析模擬結(jié)果可得出，在風口長寬比為4:1的條件下，以三種方式(F、G、H)減小風口總面積約21%， F、G、H三種方式的通風量都有所減少，進出風口溫升均有所增加。G方式的換熱量增加的最為顯著，約12.6%，F(xiàn)和H的分別增加了約-3.6%和4.1%。這是由于F的出風口面積大于進風口面積，通風阻力減小，進出風口溫升就增加的較少，加之風口總面積減小則通風量減小，所以F的換熱量有所減??；但G的出風口面積小于進風口面積，通風阻力增加，通風量雖有所減少，但換熱時間更長，進出風口溫升隨之增加的較為顯著，換熱量也就增加的較為顯著，更有利于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的供熱。

圖14 模型2進出風口溫升

圖15 模型2換熱量

6 結(jié) 論

1)對比正方形風口和長方形風口，長方形風口更有利于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風和供熱。

2)在進出風口相同的條件下，無論是通風模式還是供熱模式，增大風口面積可以增加有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風量，但也會減少其換熱量。

3)在風口長寬比相同的條件下，對于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的通風模式，使用出風口面積大于進風口面積的結(jié)構(gòu)更有利于其進行通風；對于有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的供熱模式，使用出風口面積小于進風口面積的結(jié)構(gòu)更有利于其供熱。

4)在實際應(yīng)用中，可設(shè)計有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻的排風口面積大于下風口面積，上風口面積小于下風口面積，以達到最佳的通風和供熱的目的。

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