雙流道多孔太陽墻性能數(shù)值模擬分析

林 爽 齊學(xué)軍 吳春連

（西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

近些年隨著人民生活水平的提高，人們對室內(nèi)熱舒適性的要求也越來越高，越來越多的家庭希望冬季時(shí)供暖。冬季供暖在建筑能耗中占有較高的比例，為了實(shí)現(xiàn)2060年碳中和的目標(biāo)，降低碳的排放量，利用太陽墻進(jìn)行供暖越來越受到建筑行業(yè)的青睞。

一些研究人員對太陽墻的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。顧潔結(jié)合多孔太陽墻建筑,運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了不同太陽墻結(jié)構(gòu)對室內(nèi)送風(fēng)參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)增大太陽墻面積可以提高了室內(nèi)熱舒適性[1]。賈斌廣等人通過CFD軟件對單、雙流道太陽墻的熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)雙流道的集熱蓄熱墻具有較好的采暖性能[2]。張大鵬提出了一種擾流板式太陽墻,并對普通太陽墻和擾流板式太陽墻進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)擾流板式太陽墻的熱損失系數(shù)比普通太陽墻低[3]。趙建會(huì)等人使用Fluent模擬軟件對不同風(fēng)口參數(shù)下的集熱蓄熱墻進(jìn)行通風(fēng)和供熱性能模擬研究，結(jié)果顯示風(fēng)口形狀、風(fēng)口面積及進(jìn)出風(fēng)口的相對大小都對有外保溫結(jié)構(gòu)的集熱蓄熱墻通風(fēng)和供熱特性有影響[4]。

現(xiàn)階段太陽墻的研究主要是通過改動(dòng)太陽能集熱板、材料或者加裝輔助設(shè)備等方式，而對雙流道多孔太陽墻流道的溫度場和關(guān)閉時(shí)間的研究較少。因此，本文主要采用數(shù)值模擬的方法對雙流道多孔太陽墻的流道和關(guān)閉時(shí)間對室內(nèi)采暖的影響進(jìn)行研究。

1 模型建立及計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1.1 物理模型

圖1為雙流道多孔太陽墻房間的物理模型。房間的尺寸為3m×3m×3m（長×寬×高），不考慮窗戶的散熱，將南墻設(shè)置為無窗戶的復(fù)合墻體，從外到內(nèi)的順序依次為：玻璃蓋板、空氣流道1、多孔墻、空氣流道2和蓄熱墻，總厚度0.36 m。多孔太陽墻共設(shè)置5個(gè)風(fēng)口，風(fēng)口尺寸均為0.2 m×0.2 m。X軸的正方向?yàn)楸毕?，Y軸的正方向?yàn)槲鞣较?，Z軸的正方向指向天空。

圖1 雙流道多孔太陽墻房間的物理模型（單位：米）

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

室外環(huán)境參數(shù)取自南陽地區(qū)典型年1月的數(shù)據(jù)。只考慮南墻參與太陽射線跟蹤模型，其余墻面均不參與。玻璃蓋板采用混合邊界層，多孔墻內(nèi)外表面均采用流固耦合邊界；內(nèi)部風(fēng)口開啟為Interior（08:00-18:00）。初始溫度為276.55 K，初始化方式選擇全域初始化。有太陽輻射時(shí)，空氣流道1和空氣流道2均開啟，新風(fēng)送風(fēng)速度為0.3 m/s。無太陽輻射時(shí)，空氣流道1關(guān)閉，空氣流道2開啟，新風(fēng)由風(fēng)口2送入，速度為0.1 m/s。模擬中新風(fēng)溫度和wall邊界的自由流溫度采用室外逐時(shí)溫度，起始計(jì)算時(shí)間為早上08:00，時(shí)間步長設(shè)為45 s，全天步數(shù)為1920步，自動(dòng)保存設(shè)為每40步保存一次。計(jì)算采用RNG k-ε模型，初始溫度為276.55 K。在研究關(guān)閉時(shí)間對室內(nèi)平均溫度影響時(shí),將18：00后太陽輻射設(shè)置為0。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果討論與分析

2.1 采暖房間溫度場分析

采暖房間平均溫度隨時(shí)間的變化如圖2所示，從圖2可知最高溫度出現(xiàn)在16：00，室內(nèi)最高平均溫度為289.17 K，溫差為9.92 K；最低溫度出現(xiàn)在第二天8：00，最低平均溫度為278.50 K，溫差為6.95 K。白天時(shí)，風(fēng)機(jī)和風(fēng)口1、3、4、5均是工作狀態(tài)，室外空氣從空氣流道1進(jìn)入，在向上的流動(dòng)過程中受到太陽輻射加熱，空氣溫度升高；室內(nèi)空氣從風(fēng)口5流出然后經(jīng)過空氣流道2與空氣流道1的熱空氣混合，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)，對房間進(jìn)行供暖，并將多余的熱量儲(chǔ)存在蓄熱墻。夜晚時(shí)，風(fēng)口1、2、4處于關(guān)閉狀態(tài)下，此時(shí)空氣流道1將變?yōu)楸貙?，減少熱量向室外環(huán)境的散失。風(fēng)口5和風(fēng)機(jī)將處在打開狀態(tài)，流道2中的空氣在流動(dòng)過程中吸收蓄熱墻和多孔墻的熱量再經(jīng)風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)夜間供暖。

圖2 采暖房室2內(nèi)平均溫度變化圖

2.2 空氣流道1溫度場分析

空氣流道1平均溫度隨時(shí)間的變化如圖3所示。從圖3可知，流道1的空氣平均溫度與多孔墻外表面溫度變化類似?？諝饬鞯?的空氣平均溫度在12：00之前上升較快，在12：00-15：00之間，上升較慢，在15：00時(shí)空氣流道1中的平均溫度達(dá)到最高值301.06 K，與室外環(huán)境溫差為22.51 K。之后空氣流道1的溫度開始下降，在18：00時(shí)又升高，然后又下降至第二天早上8:00。18：00時(shí)突然升高的原因是此時(shí)風(fēng)口1關(guān)閉，空氣流道1沒有室外冷空氣流入，只有室內(nèi)的回風(fēng)流過，并與多孔墻發(fā)生換熱反應(yīng)，這樣有更多的熱量傳給了空氣流道1中的空氣，引起空氣溫度升高。

圖3 空氣流道1平均溫度隨時(shí)間的變化

2.3 空氣流道1關(guān)閉時(shí)間對采暖房溫度的影響

空氣流道1關(guān)閉時(shí)間對室內(nèi)平均溫度的影響如圖4所示。從圖4中可以看到17:00關(guān)閉時(shí)室內(nèi)平均溫度最高，隨后室內(nèi)平均溫度降低，這主要是因?yàn)?8:00后沒有太陽輻射，關(guān)閉流道1時(shí)有室外低溫空氣進(jìn)入流道1，對流道1中的熱空氣起到了降溫作用。18:00前有太陽輻射時(shí)，關(guān)閉流道1室內(nèi)平均溫度也較低，這是由于流道1內(nèi)沒有室外空氣送入，就沒有流動(dòng)的空氣能夠帶走多孔墻中的吸收的太陽熱能，造成熱能的損失。由此可知，過早關(guān)閉流道1，太陽輻射的熱能不能及時(shí)被流道1中的空氣吸收；過晚關(guān)閉流道1，會(huì)有室外低溫冷空氣進(jìn)入，會(huì)增加熱損失。因此，在17：00關(guān)閉空氣流道1為較優(yōu)選擇，與文獻(xiàn)[5]中結(jié)論相吻合。

圖4 不同關(guān)閉時(shí)間對室內(nèi)平均溫度的影響

3 結(jié)論

通過對雙流道多孔太陽墻的數(shù)值模擬計(jì)算，主要得到以下結(jié)論：采暖房室內(nèi)最高平均溫度為289.17 K，與室外環(huán)境的溫差為9.92 K，最低平均溫度為278.50 K，與室外環(huán)境溫差為6.95 K；空氣流道1的空氣平均溫度在15：00時(shí)達(dá)到最高值301.06 K，與室外環(huán)境溫差為22.51 K；過早或過晚關(guān)閉空氣流道1均會(huì)對室內(nèi)平均溫度產(chǎn)生影響，在17：00關(guān)閉空氣流道1為較優(yōu)關(guān)閉時(shí)間。