管式多風(fēng)道集熱墻內(nèi)流特征的數(shù)值研究

李瑞鑫 呂高沖 侯浩宇 朱國(guó)梁

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001）

0 引言

能源與環(huán)境是人類社會(huì)發(fā)展的永恒話題。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的有序推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的提升，大量的能源被用于暖通空調(diào)產(chǎn)業(yè)以改善室內(nèi)熱環(huán)境，這造成了能源與環(huán)境的兩難抉擇，太陽(yáng)能集熱墻的發(fā)展為解決這一問(wèn)題帶來(lái)了契機(jī)。良好的集熱墻形式不僅能大大地縮減建筑在暖通空調(diào)方面的能耗，還可減少建筑運(yùn)維時(shí)二氧化碳的排放。在國(guó)家政策和相關(guān)技術(shù)的雙重支持下太陽(yáng)能集熱墻技術(shù)擁有較好的發(fā)展前景，對(duì)未來(lái)持續(xù)落實(shí)國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略，推動(dòng)中原城市群高質(zhì)量發(fā)展和實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰碳中和”愿景具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)于被動(dòng)式集熱墻熱工特性方面開(kāi)展了大量的研究，其研究成果大致可分為以下三類：一是集熱墻熱性能評(píng)價(jià)研究。Lobna［1］通過(guò)模擬與試驗(yàn)的方法，證明了特朗伯墻在突尼亞地區(qū)具有較好的采暖與通風(fēng)效果。陳濱等［2-4］對(duì)大連市被動(dòng)式太陽(yáng)能房進(jìn)行熱性能及室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶有太陽(yáng)能集熱墻的建筑能較好地改善室內(nèi)熱濕環(huán)境，節(jié)能效果顯著。界迪等［5］從氣候適宜性、技術(shù)適宜性和經(jīng)濟(jì)適宜性等方面證明了集熱墻在延安推廣的可行性。馬云鶴等［6-7］從熱舒適性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性三方面分析了Trombe墻在新疆石河子地區(qū)的可行性，然后對(duì)當(dāng)?shù)毓┡┢诘闹鞅粍?dòng)太陽(yáng)房進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)集熱墻系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，對(duì)室內(nèi)的熱環(huán)境調(diào)節(jié)具有積極作用等。二是集熱墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。趙建會(huì)等［8］通過(guò)Fluent 對(duì)不同風(fēng)口尺寸參數(shù)的傳統(tǒng)集熱蓄熱墻進(jìn)行模擬研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)口形狀、風(fēng)口面積和風(fēng)口的相對(duì)大小對(duì)集熱墻的熱工特性均具有較大影響，長(zhǎng)方形風(fēng)口較于正方形風(fēng)口效果更佳；出風(fēng)口面積大于進(jìn)風(fēng)口面積，有利于集熱墻通風(fēng)；進(jìn)風(fēng)口面積大于出風(fēng)口面積，有利于集熱墻換熱。Yedder 等［9］利用CFD 軟件建立了傳統(tǒng)集熱墻二維模型，基于有限差分控制體積法對(duì)夾層空氣的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬研究，分析了夾層內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)對(duì)傳統(tǒng)集熱墻換熱與導(dǎo)熱情況的影響，且對(duì)努塞爾數(shù)和瑞利數(shù)函數(shù)對(duì)系統(tǒng)熱性能進(jìn)行了評(píng)估和介紹。三是集熱墻各部件材料優(yōu)化研究。葉宏等［10］通過(guò)建立太陽(yáng)房的一維熱網(wǎng)絡(luò)模型，研究了集熱面熱輻射性質(zhì)、蓄熱墻體材料的熱物性、不同玻璃蓋板和空氣間層內(nèi)添加吸熱金屬板對(duì)不同結(jié)構(gòu)集熱墻熱工特性的影響。Hordeski 等［11-12］從理論層面分析得出以均勻排列的水容器代替?zhèn)鹘y(tǒng)蓄熱墻中混凝土結(jié)構(gòu)可以提高集熱墻的熱性能，由于水比熱容較大，這種結(jié)構(gòu)不僅可以減少玻璃蓋板散熱，還可吸收更多的太陽(yáng)輻射，增加墻體冬季白天的蓄熱量。

本研究基于現(xiàn)有集熱墻在太陽(yáng)能可利用地區(qū)應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)管式多風(fēng)道集熱墻間層換熱、多管換熱、耦合換熱三種模式下的內(nèi)流特征進(jìn)行模擬分析，探討不同換熱模式下集熱墻熱工性能和集熱效率。

1 管式多風(fēng)道集熱墻系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱墻的集熱效果與環(huán)境存在較大聯(lián)系，然而現(xiàn)有集熱墻的研究多是關(guān)于太陽(yáng)能極為豐富的地區(qū)，在此環(huán)境下研究的集熱墻系統(tǒng)在太陽(yáng)能較豐富地區(qū)的應(yīng)用受到限制，因此本研究提出了一種新型多風(fēng)道集熱墻系統(tǒng)，具體如圖1所示。

圖1 管式多風(fēng)道集熱墻結(jié)構(gòu)示意

多風(fēng)道太陽(yáng)能集熱墻系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)集熱墻系統(tǒng)中加入高硼硅玻璃管束（集管和支管），將空氣間層內(nèi)的流體區(qū)域分為兩部分，即為管內(nèi)流體區(qū)域和間層流體區(qū)域。間層流體區(qū)域空氣的熱源除了集熱墻吸熱面和玻璃蓋板內(nèi)表面外，還有高硼硅玻璃管外表面，此區(qū)域以熱浮升力為驅(qū)動(dòng)力，空氣從間層下風(fēng)口進(jìn)入，從間層上風(fēng)口流出。管內(nèi)流體區(qū)域同樣以熱浮升力驅(qū)動(dòng)，空氣從管道下風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)集管組織分配后，進(jìn)入支管，支管內(nèi)壁涂有黑鉻涂層，在太陽(yáng)輻照下實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，來(lái)流空氣與玻璃管內(nèi)壁面通過(guò)對(duì)流換熱獲取熱量，后經(jīng)上集管匯聚，從管道上風(fēng)口流出。

2 管式多風(fēng)道集熱墻內(nèi)流特征分析

2.1 不同換熱模式下的集熱墻內(nèi)流特征

為了探究不同換熱模式對(duì)集熱墻熱工性能的影響，對(duì)間層換熱模式、多管換熱模式、耦合換熱模式下集熱墻內(nèi)流特性進(jìn)行模擬研究，總結(jié)不同換熱模式、不同時(shí)刻下流場(chǎng)中溫度及速度分布規(guī)律，并結(jié)合供熱量和集熱效率對(duì)三種換熱模式下集熱墻的熱工性能進(jìn)行對(duì)比分析。

為揭示三種換熱模式下集熱墻的啟動(dòng)時(shí)間，以及剖面速度與溫度分布規(guī)律，本研究選取了鄭州市某工程8:00 時(shí)刻下集熱墻溫度及速度等值線圖進(jìn)行對(duì)比分析。速度等值線圖選取的平面為夾層中部鉛垂面，溫度等值線圖選取平面為集熱蓄熱墻體外表面。

鄭州市某工程8:00 時(shí)刻不同換熱模式下集熱墻風(fēng)道內(nèi)空氣速度場(chǎng)分布等值線如圖2 所示。可以看出，該時(shí)刻不同換熱模式下集熱墻夾層空氣的速度分布情況差異較大，相較于間層換熱模式，多管換熱和耦合換熱兩種模式下集熱墻內(nèi)部空氣速度分布情況較為復(fù)雜，且速度較小。這是由于這兩種模式下的集熱墻系統(tǒng)是在間層換熱模式下集熱墻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了集熱管系統(tǒng)，縮小了進(jìn)出口面積（受集熱管尺寸限制），整個(gè)區(qū)域流體阻力增大。

圖2 8:00時(shí)刻不同模式下集熱墻風(fēng)道內(nèi)空氣速度場(chǎng)分布

間層換熱模式下集熱墻內(nèi)速度等值線基本均為負(fù)值，流體呈下降狀態(tài)，速度分布較為均勻。上風(fēng)口下部和下風(fēng)口上部速度較大，約為-0.2 m/s，上風(fēng)口上部和下風(fēng)口下部速度較小，范圍在0~0.05 m/s 之間。這是由于空氣因集熱墻而產(chǎn)生的熱浮升力，無(wú)法抵消室外冷環(huán)境產(chǎn)生的沉降力，在上下通風(fēng)口處空間變小，壓力增大，速度變大。而在夾層頂部和下部受墻體阻擋作用，區(qū)域速度較小，水平方向上，速度由中部向兩側(cè)逐漸減小，具有明顯的對(duì)稱性，主流速度在0.05~0.2 m/s之間。

2.2 集熱墻內(nèi)流場(chǎng)的差異性分析

多管換熱與耦合換熱兩種模式下，集熱管內(nèi)流場(chǎng)速度分布情況較為相似，而間層中分布差異較大，具體如下。

①集熱管內(nèi)，空氣速度大小由中間支管向兩邊逐漸減小，單根支管中越靠近集熱管右側(cè)（向陽(yáng)側(cè)）的速度越大，在垂直方向上速度分布較為均勻，這是由于在集熱管內(nèi)熱壁面提供的熱浮升力的作用下，管內(nèi)氣流開(kāi)始上升，空氣從集熱管下通風(fēng)口流入，在局部阻力和沿程阻力的作用下，組織分配氣流，空氣速度由中間支管向兩端逐漸減小，支管中向陽(yáng)側(cè)的集熱管接收太陽(yáng)輻射熱較多，空氣溫升越快，產(chǎn)生的浮升力越大。

②空氣間層內(nèi)，多管換熱模式下集熱墻間層側(cè)壁附近速度為負(fù)值，空氣呈下降狀態(tài)，集熱管附近基本為正值，空氣呈上升狀態(tài)，越靠近集熱管的速度越大，存有少量渦流區(qū)，這是由于此模式下空氣處于封閉狀態(tài)，空氣在熱浮升力的作用下上升，越靠近集熱管，空氣溫升越快，產(chǎn)生的浮升力越大，速度越大，兩端由于無(wú)熱壁面，熱壓較小，上升后的氣流從兩端下降；耦合換熱模式下，流體整體呈下降狀態(tài)，且存在大量渦流區(qū)，這是由于此模式下夾層空氣處流通狀態(tài)，冷沉降作用大于熱浮升作用，空氣由集熱墻上通風(fēng)口進(jìn)入，在集熱管阻力和管間熱壓差的共同作用下產(chǎn)生渦流。綜上所述，多管換熱模式下流場(chǎng)中空氣速度為0 ~0.1 m/s，耦合換熱模式下流場(chǎng)中空氣速度為0~0.05 m/s。

3 出口溫度與流量特征

3.1 出口溫度變化規(guī)律分析

三種換熱模式下各時(shí)刻集熱墻出口平均溫度變化情況如圖3 所示。由圖3 可知，三種模式下集熱墻出口平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律相似，兩個(gè)連續(xù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的出口溫差由大到小依次為8:00—10:00、14:00—16:00、10:00—12:00、12:00—14:00。這與各時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化規(guī)律相一致。在出口溫差最大的時(shí)段內(nèi)，間層換熱模式下溫差達(dá)20 ℃左右，耦合換熱模式下溫差可達(dá)50 ℃左右，多管換熱模式下溫差可達(dá)70 ℃左右；在出口溫差最小的時(shí)間段內(nèi)，間層換熱模式下溫差僅為1 ℃左右，耦合換熱模式下溫差為4 ℃左右，多管換熱模式下溫差為6 ℃左右。當(dāng)換熱模式由間層換熱切換到耦合換熱時(shí)，出風(fēng)口日平均溫度升高22.6 ℃；當(dāng)換熱模式從耦合換熱切換到多管換熱時(shí)，出風(fēng)口日平均溫度升高15.5 ℃。這說(shuō)明，在耦合換熱和多管換熱模式下，吸熱涂層總面積以及空氣與吸熱涂層接觸面積的增加，可以有效地提升向房間輸送的空氣溫度。

圖3 集熱墻出口平均溫度

3.2 出口流量變化規(guī)律分析

三種換熱模式下各時(shí)刻集熱墻出口流量的變化情況如圖4 所示。由圖4 可知，三種模式下集熱墻出口流量的變化規(guī)律相似，在8:00—10:00 時(shí)，耦合換熱模式和多管換熱模式下出口流量波幅最大，分別為0.012 kg/s、0.004 2 kg/s。在14:00—16:00時(shí)，間層換熱模式下流量波幅最大，為0.014 kg/s。在12:00—14:00 時(shí)出口流量波幅最小，三種模式下的流量波幅依次為0.002 kg/s、0.001 kg/s、0.001 kg/s，這與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化規(guī)律相一致。與間層換熱模式相比，耦合換熱模式和多管換熱模式下集熱墻出口流量波動(dòng)幅度較小。當(dāng)模式從間層換熱模式改為耦合換熱模式時(shí)，出風(fēng)口日平均流量降低；當(dāng)模式從耦合換熱模式改為多管換熱模式時(shí)，出風(fēng)口日平均流量降低。這說(shuō)明，隨著集熱管系統(tǒng)植入和進(jìn)出風(fēng)口面積的減?。ㄊ芗療峁艹叽缦拗疲?，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)阻力增加，系統(tǒng)因集熱管吸收太陽(yáng)輻射而增加熱浮升力作用抵消不了給集熱墻系統(tǒng)帶來(lái)的阻力作用，使得整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的總流量減小。

圖4 集熱墻出口平均流量

4 結(jié)論

本研究針對(duì)集熱墻冬季日間的運(yùn)行工況，分別建立了間層換熱模式、多管換熱模式和耦合換熱模式三種物理模型，設(shè)置了湍流自然對(duì)流和太陽(yáng)輻射耦合模型。對(duì)三種換熱模式下集熱墻在不同時(shí)刻、不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行模擬研究，總結(jié)了集熱墻流場(chǎng)區(qū)域溫度、速度和出口溫度、流量的變化規(guī)律。研究表明，集熱管束的植入可以大大提升集熱墻出風(fēng)口的溫度，與此同時(shí)，阻力的增大削減了整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域的空氣流動(dòng)性，出口流量明顯減小。但管式多風(fēng)道集熱墻系統(tǒng)有著更早的啟動(dòng)時(shí)間，具備提升日平均集熱效率和日供熱量的理論基礎(chǔ)。