王天鵬 劉妍妍 顏魯祥 王建華
(蘭州交通大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
特朗伯集熱墻系統(tǒng)是被動(dòng)式太陽能建筑的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,最初由法國(guó)奧德曼太陽能研究所所長(zhǎng)Felix. Trombe等提出[1-2]。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的手段對(duì)其傳熱特性和改進(jìn)措施進(jìn)行了諸多研究。陳晨[3]等利用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了不同保溫構(gòu)造的特朗伯集熱墻的動(dòng)態(tài)集熱供熱特性。何偉等[4-6]對(duì)帶百葉的特朗伯集熱墻的傳熱特性進(jìn)行了綜合性的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。Rabani M[7-8]等提出了一種帶煙囪的特朗伯集熱墻,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析。段琪等[9]對(duì)不同構(gòu)造的集熱板、集熱罩和熱傳輸方式對(duì)特朗伯集熱墻熱性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。黑賞罡等[10]對(duì)特朗伯集熱墻式被動(dòng)式太陽房集熱特性進(jìn)行了CFD模擬研究。總的來說,特朗伯集熱墻系統(tǒng)構(gòu)造上的缺點(diǎn)是空氣間層窄,通常只有0.1 m左右,不便于清潔維護(hù)。若將空氣間層的厚度放大到人活動(dòng)的尺度如1m以上,該間層就具有了使用功能空間的意義,即形成特朗伯集熱墻式附加陽光間。如果依然能保持良好的節(jié)能供熱性能,則是一舉雙得的設(shè)計(jì)形式。
本文基于典型尺寸建筑空間和特朗伯集熱墻通風(fēng)口組合形式,在符合實(shí)際環(huán)境的邊界條件下,利用Design Builder 軟件的CFD模塊數(shù)值模擬獲得通風(fēng)口處溫度與風(fēng)速,對(duì)比計(jì)算分析大空腔附加陽光間和小空腔空氣間層二者的對(duì)流供熱量差異,印證特朗伯集熱墻式附加陽光間對(duì)流供熱性能的優(yōu)越性。
建筑空間物理模型如圖1所示。房間室內(nèi)尺寸長(zhǎng)4.8 m×寬3 m×高3 m,南向370mm厚粘土磚集熱墻上設(shè)外窗寬1.5 m×高1.5 m,通風(fēng)口組合形式兩種,如圖2所示,兩種方案上部通風(fēng)口總面積相等。集熱墻與外層玻璃蓋板之間距分兩種情況對(duì)比:小空腔空氣間層0.1 m,大空腔附加陽光間1.2 m。
圖1 南向集熱墻式附加陽光間形式的房間模型
模擬計(jì)算利用Design Builder V5.0建筑能耗與環(huán)境模擬分析軟件的CFD模塊,采用k-ε湍流模型,三維均勻直角坐標(biāo)系立方體網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格考核,加密或稀疏網(wǎng)格對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響很小,因此所得的數(shù)值解是網(wǎng)格獨(dú)立的解。
圖2 集熱墻通風(fēng)口的組合形式(單位:mm)
1.2.1 控制方程
對(duì)流換熱計(jì)算區(qū)域?yàn)榉块g室內(nèi)+通風(fēng)孔+空氣間層所形成的范圍。三維穩(wěn)態(tài)對(duì)流-擴(kuò)散模型的控制方程:
能量方程
動(dòng)量方程
連續(xù)性方程
1.2.2 邊界條件
第一類邊界條件,即規(guī)定計(jì)算區(qū)域邊界上的溫度值??涨粌?nèi)表面溫度40 ℃,單層玻璃蓋板內(nèi)表面溫度38 ℃,集熱墻外表面40 ℃、內(nèi)表面20 ℃,中空玻璃窗外表面溫度32 ℃、內(nèi)表面30 ℃,室內(nèi)各表面溫度18 ℃。上述邊界表面溫度根據(jù)實(shí)際建筑環(huán)境在中等太陽輻射強(qiáng)度作用下的實(shí)測(cè)結(jié)果而設(shè)定。
圖3 速度、溫度場(chǎng)分布圖(x=0.4 m截面)
在空氣間層的加熱作用下,系統(tǒng)內(nèi)空氣區(qū)域的流動(dòng)和溫度變化情況如圖3所示。
由圖3可知,室內(nèi)低溫空氣經(jīng)下部通風(fēng)口進(jìn)入空腔,對(duì)流上升吸收熱量后經(jīng)上通風(fēng)口進(jìn)入房間室內(nèi),加熱室內(nèi)空氣起到對(duì)流供暖的功能作用。
圖3中上部通風(fēng)口風(fēng)速和房間三維中心點(diǎn)溫度如表1所示,1.2m深的附加陽光間相對(duì)于0.1m深的空氣間層,上部通風(fēng)口風(fēng)速?gòu)?.59 m/s提高到0.66~0.67 m/s,增幅約12%,房間中心點(diǎn)溫度提高了1.1 ℃(小通風(fēng)口組合)、0.7 ℃(大通風(fēng)口組合)。此外,小通風(fēng)口組合相較于大通風(fēng)口組合的上部通風(fēng)口位置更低,這樣有利于提高房間室內(nèi)下部空間的空氣溫度,獲得更好的熱舒適度,因此房間中心點(diǎn)空氣溫度也略高,尤其是空腔深度增大形成附加陽光間形式,房間中心點(diǎn)空氣溫度由21.8 ℃提高到22.3 ℃。這些結(jié)果主要是由于空腔深度增加和上部通風(fēng)口位置較低使得對(duì)流換熱更加充分所致。
表1 上部通風(fēng)口風(fēng)速和房間中心點(diǎn)空氣溫度
特朗伯集熱墻系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的供熱量主要由通風(fēng)口對(duì)流供熱量提供。對(duì)流供熱量可由下式確定。
式中為通過上下通風(fēng)口的質(zhì)量流量,kg/s,=ρo,其中ρ為上下通風(fēng)口的平均空氣溫度對(duì)應(yīng)的密度,kg/m3,v為通風(fēng)口風(fēng)速,取上部通風(fēng)口風(fēng)速,m/s,Ao為通風(fēng)口面積,取上部通風(fēng)口面積,m2;cp為空氣的定壓比熱容,J/kg·K;To為熱流進(jìn)入室內(nèi)的上部通風(fēng)口空氣溫度,℃;Ti為熱流進(jìn)入集熱墻夾層空腔的下部通風(fēng)口空氣溫度,℃。
由圖3模擬結(jié)果所得上部和下部通風(fēng)口溫度可計(jì)算比對(duì)房間所獲得的對(duì)流供熱量,如表2所示。對(duì)于小通風(fēng)口組合形式,1.2m深的附加陽光間相對(duì)于0.1m深的空氣間層提供的對(duì)流供熱量從376.3 W提高到492.9 W;對(duì)于大通風(fēng)口組合形式,對(duì)流供熱量從348.8 W提高到500.3 W。同時(shí),對(duì)于大空腔的附加陽光間形式,通風(fēng)口組合形式對(duì)對(duì)流供熱量的影響不大。
表2 房間對(duì)流供熱量
特朗伯式附加陽光間相較于窄空腔的普通特朗伯集熱墻對(duì)流供熱性能更優(yōu),具體結(jié)論如下:
1)出風(fēng)口速度可提高12 %;室內(nèi)空間中心點(diǎn)溫度提高約1.0 ℃;
2)小通風(fēng)口組合、上部通風(fēng)口窗側(cè)布置的形式,整個(gè)房間太陽能加熱的對(duì)流供熱量可提高30 %;大通風(fēng)口組合、上部通風(fēng)口窗頂布置的形式,整個(gè)房間太陽能加熱的對(duì)流供熱量可提高43.4 %。