朱琦彬 蘇亞欣

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

內(nèi)置式PV-Trombe墻對室內(nèi)通風(fēng)特性的影響

朱琦彬 蘇亞欣

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

在原有的PV-Tombe模型基礎(chǔ)上提出了一種新的內(nèi)置式PV-Trombe墻模型，并通過CFD方法，對三種Tombe墻房間內(nèi)空氣流動效果進行數(shù)值模擬和分析，得出室內(nèi)溫度、流速等空氣流動分布規(guī)律。結(jié)果表明，內(nèi)置式PV-Trombe墻對太陽輻射的吸收優(yōu)于普通Trombe墻和PV-Trombe墻，帶有內(nèi)置式PV-Trombe墻的房間室內(nèi)平均溫度較PV-Trombe房間和普通Trombe墻房間都要高，空氣通道體積流量也有明顯提高。

自然通風(fēng) 內(nèi)置式 PV-Trombe 墻 CFD 模擬

0 引言

光伏建筑一體化Trombe墻將光伏電池與Trombe墻相結(jié)合，是一種能同時產(chǎn)生熱能和電能的系統(tǒng)。季杰[1～3]等人提出一種將光伏電池貼于傳統(tǒng)Trombe墻玻璃蓋板上的新型PV-Trombe墻系統(tǒng)，并基于所建立的數(shù)學(xué)模型對該系統(tǒng)進行了理論模擬研究。為了減小熱損失，提高對太陽能的綜合利用率，徐小煒[4]等人提出一種新的內(nèi)置式PV-Trombe墻。該新模型的最大特點在于它將光伏電池貼在空氣流道的集熱墻一側(cè)。流道內(nèi)的空氣與電池表面進行自然對流換熱，流動的空氣帶走電池表面熱量、冷卻電池表面，電池的溫度降低，使電池發(fā)電效率得到提高。雷菲寧[5]等人則對垂直入口內(nèi)置式PV-Trombe墻在寬度變化時的自然通風(fēng)和對流換熱進行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上得到通風(fēng)量與傳熱關(guān)于無量綱參數(shù)表示形式，為自然通風(fēng)設(shè)計提供了依據(jù)。

為了更加全面地研究內(nèi)置式PV-Trombe墻的特性，本文在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上引入一標準室內(nèi)房間。建立新的三維數(shù)理模型，將Trombe墻和室內(nèi)房間作為一個封閉系統(tǒng)，與PV-Trombe墻系統(tǒng)和普通Trombe墻系統(tǒng)進行了溫度場、速度場和室內(nèi)得熱的數(shù)值模擬計算與對比研究，為后人計算適用于該模型下合適的進出口通道尺寸提供參考。

1 模型

1.1 物理模型

內(nèi)置式PV-Trombe墻工作原理如圖1所示，主要由玻璃蓋板、光伏電池板以及空氣通道構(gòu)成。太陽輻射照射到玻璃蓋板后，一部分被玻璃吸收，絕大部分穿透玻璃，到達光伏電池板表面。光伏電池板對太陽輻射具有較高吸收率，吸收入射的太陽輻射后溫度升高，從而加熱通道內(nèi)的空氣，使空氣形成向上運動的自然對流，從煙囪上出口進入室內(nèi)。室內(nèi)空氣則通過下部入口流入通道，從而使室內(nèi)的空氣形成自然通風(fēng)。同時，光伏電池板吸收太陽輻射后產(chǎn)生電力，緩解了建筑電力需求，隨著發(fā)電時間的延長，在光伏電池表面產(chǎn)生的熱量可以進一步加熱通道內(nèi)空氣，從而加強自然通風(fēng)。

圖1 內(nèi)置式PV-Trombe墻的物理模型

對于本文所要研究的簡化物理模型如圖2所示，房間內(nèi)部長、寬、高為3.5m、3.0m、2.9m。Trombe墻空氣通道寬0.2m，出口安裝高度2.5m，進口安裝高度0.2m，進出口尺寸為0.18×0.3m，內(nèi)墻厚度為0.24m[6]。太陽輻射強度在300～800W/m2之間變化。煙囪的外側(cè)為厚度4mm的玻璃蓋板，煙囪的內(nèi)側(cè)為單晶硅電池陣列，在電池陣列與內(nèi)墻之間設(shè)有絕熱材料。

圖2 內(nèi)置式PV-Trombe墻三維房間簡化模型

1.2 數(shù)值模型

整個模型的流動可視為三維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮空氣流動，數(shù)值模擬采用商業(yè)CFD軟件Fluent 6.3處理。Bacharoudis[7]等人對一側(cè)墻壁絕熱、一側(cè)墻壁處于某一熱流下的太陽能煙囪采用CFD技術(shù)和控制體積法，分別使用6種湍流模型進行了對比研究。結(jié)果表明標準k-ε模型的模擬結(jié)果和理論值十分接近。因此，本文采用標準k-ε湍流模型模擬空氣的流動與換熱特性。Boussinesq假設(shè)用于處理動量方程中因溫差而引起的浮力項的改變。

利用Gambit對模型進行網(wǎng)格劃分，考慮到近壁面處溫度梯度和速度梯度變化較大，壁面附近選用增強壁面函數(shù)法進行處理。在計算過程中不斷細化網(wǎng)格，最終得到計算結(jié)果與網(wǎng)格無關(guān)的網(wǎng)格尺寸。本文模擬中，玻璃蓋板和光伏電池表面的熱流密度恒定，具體數(shù)值需結(jié)合太陽輻射強度大小經(jīng)計算確定。采用一階迎風(fēng)格式對方程進行離散，用SIMPLE法進行求解。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1 三種系統(tǒng)室內(nèi)氣流的溫度場、速度場分布

在太陽輻射量保持不變的情況下，探討三種系統(tǒng)室內(nèi)空氣的溫度、流速的變化情況，選取縱截面z=2.25 m為研究對象，模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 沿室內(nèi)高度方向平均溫度變化

圖4 沿室內(nèi)高度方向平均速度變化

從系統(tǒng)采暖房間縱截面z=2.25m的溫度場分布可以看出，室內(nèi)空氣溫度在豎直方向出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，且靠近房間頂部溫度分布更密集，室內(nèi)溫度隨著高度的增加逐漸增加，在2.4m（出口位置）高度上內(nèi)置式PV-Trombe墻、PV-Trombe墻與普通Trombe墻溫度分別為298.87K、296.89K、297.64K，在房間中部平均溫度分別為293.27K、291.98K、292.47K。從速度場來看，速度變化也主要集中在房間頂層。在房間的頂部，除房間進風(fēng)口和出風(fēng)口處速度較大外，其它各處速度基本在0.12～0.14m/s之間，在房間的中部三種Trombe墻室內(nèi)空氣的流動速度大約為0.052、0.048、0.049m/s左右。

圖5、圖6為沿進出口水平方向溫度和速度分布。模擬結(jié)果顯示，內(nèi)置式PV-Trombe墻在水平方向上溫度分布比普通Trombe墻和PV-Trombe墻高1～2℃，速度分布也較PV-Trombe墻有所增加。在房間中部，空氣溫度和速度趨于平穩(wěn)。

圖5 沿出口距離方向平均溫度變化

圖6 距出口距離方向平均速度變化

綜上模擬結(jié)果可以看出，內(nèi)置式PV-Trombe墻系統(tǒng)在室內(nèi)得熱上要優(yōu)于PV-Trombe墻與普通Trombe墻系統(tǒng)。在內(nèi)置式PV-Trombe墻系統(tǒng)中，太陽輻射照射到?jīng)]有覆蓋光伏電池的玻璃蓋板后，絕大部分穿透玻璃，到達光伏電池板表面。光伏電池板吸收一部分太陽輻射轉(zhuǎn)化為電，其余太陽輻射則被電池吸收，導(dǎo)致電池的溫度升高，加熱通道內(nèi)的空氣，相比普通Trombe墻的集熱效果更好。在PV-Trombe墻系統(tǒng)中由于光伏模塊對太陽輻射的遮擋作用所以得熱低于普通Trombe墻房間。

2.2 不同太陽能輻射量對空氣溫度和速度的影響

在模型結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，探討當太陽輻射量改變時，內(nèi)置式PV-Trombe墻與Trombe墻室內(nèi)空氣的流速、溫度的變化情況。圖7～圖9描述太陽輻射量在300～800W/m2時，三種Trombe墻室內(nèi)空氣平均溫度、平均速度的對比情況。

太陽輻射量是影響室內(nèi)溫度與速度分布的重要因素，太陽輻射強度越大，Trombe墻內(nèi)外的密度差及熱壓作用就越大。模擬結(jié)果顯示，太陽輻射強度增加時，室內(nèi)空氣溫度和速度隨之升高，內(nèi)置式PV-Trombe墻的室內(nèi)平均溫度在太陽輻射強度增加時高出普通Trombe墻0.9℃，高出PV-Trombe墻1.8℃?？諝馔ǖ纼?nèi)體積流量也高于PV-Trombe墻和普通Trombe墻系統(tǒng)。

圖7 室內(nèi)平均溫度隨太陽輻射量變化

圖8 室內(nèi)平均速度隨太陽輻射量變化

圖9 體積流量隨太陽輻射量變化

3 結(jié)論

利用CFD方法對內(nèi)置式PV-Trombe墻系統(tǒng)進行數(shù)值模擬計算并與PV-Trombe墻和普通Trombe墻系統(tǒng)進行比較，分析對比了三種模型室內(nèi)的溫度與速度變化，傳熱與通風(fēng)量變化。結(jié)果表明：將光伏電池板貼于建筑外圍護結(jié)構(gòu)表面的內(nèi)置式PV-Trombe墻較將普通集熱墻式Trombe墻對太陽能的利用效率更高。與普通Trombe墻系統(tǒng)相比，內(nèi)置式PV-Trombe墻系統(tǒng)室內(nèi)平均溫度提高了約2℃左右，同時空氣體積流量增加了12%。內(nèi)置式PV-Trombe墻系統(tǒng)能夠高效地利用太陽輻射，減少熱損失，進而強化室內(nèi)的自然通風(fēng)，提高室內(nèi)采暖效果。

[1]季杰,蔣斌,陸劍平.PV新型Trombe墻光電光熱性能數(shù)值模擬[J].太陽能學(xué)報,2006,27(9):870-877

[2]季杰,蔣斌,陸劍平.新型PV-Trombe墻的實驗[J].中國科技大學(xué)學(xué)報,2006,36(4):349-354

[3]易樺.新型PV-Trombe墻系統(tǒng)的理論與實驗研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007

[4]徐小煒,雷菲寧,蘇亞欣.內(nèi)置式PV-Trombe墻通風(fēng)傳熱性能的數(shù)值模擬和分析[A].見:高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會議[C].2013:32-36

[5]雷菲寧,徐小煒,蘇亞欣.內(nèi)置式PV-Trombe墻通風(fēng)傳熱性能的數(shù)值模擬和分析[A].見:高等學(xué)校工程熱物理第十九屆全國學(xué)術(shù)會議[C].2013:68-74

[6]Basak Kundakci Koyunbaba,Zerrin Yilmaz.The comparison of Trombe wall systems with single glass,double glass and PV panels[J].Renewable Energy,2012,45:111-118

[7]Bacharoudis E,Vrachopoulos M G.Study of the natural convection phenomena inside a wall solar chimney with one wall adiabatic and one wall under a heat flux[J].Applied Thermal Engineerin -g,2007,27(13):2266-2275

Im pa c t of Built-in PV-Trom be Wa ll for Indoor Ve ntila tion Cha ra c te ris tic s

ZHU Qi-bin,SU Ya-xin
School of Environmental Science&Engineering,Donghua University

On the basis of the original PV-Trombe,a new built-in PV-Trombe wall model was proposed,and a numerical simulation and analysis to this three PV-Trombe wall room air flow was made by CFD method.The results show that the built-in PV-Trombe wall have a good absorption of solar radiation than Common Trombe wall and PV-Trombe wall,and the average indoor temperature with built-in PV-Trombe wall is higher than both this two Trombe wall room,and the air passage volume flow is also improved significantly.

natural ventilation,built-in PV-Trombe wall,CFD

1003-0344（2015）05-080-4

2014-5-21

朱琦彬（1989～），男，碩士研究生；上海松江區(qū)人民北路2999號四號環(huán)境學(xué)院樓3139室（201620）；E-mail:779812194@qq.com