集熱墻式附加陽光間的冬季對流供熱特性研究

王天鵬 劉妍妍 顏魯祥 王建華

（蘭州交通大學 建筑與城市規劃學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

特朗伯集熱墻系統是被動式太陽能建筑的重要圍護結構形式，最初由法國奧德曼太陽能研究所所長Felix. Trombe等提出[1-2]。近年來，國內外學者通過實驗和數值模擬的手段對其傳熱特性和改進措施進行了諸多研究。陳晨[3]等利用數值和實驗相結合的方法研究了不同保溫構造的特朗伯集熱墻的動態集熱供熱特性。何偉等[4-6]對帶百葉的特朗伯集熱墻的傳熱特性進行了綜合性的實驗和數值研究。Rabani M[7-8]等提出了一種帶煙囪的特朗伯集熱墻，并進行了實驗和數值分析。段琪等[9]對不同構造的集熱板、集熱罩和熱傳輸方式對特朗伯集熱墻熱性能的影響進行了實驗研究。黑賞罡等[10]對特朗伯集熱墻式被動式太陽房集熱特性進行了CFD模擬研究。總的來說，特朗伯集熱墻系統構造上的缺點是空氣間層窄，通常只有0.1 m左右，不便于清潔維護。若將空氣間層的厚度放大到人活動的尺度如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能供熱性能，則是一舉雙得的設計形式。

本文基于典型尺寸建筑空間和特朗伯集熱墻通風口組合形式，在符合實際環境的邊界條件下，利用Design Builder 軟件的CFD模塊數值模擬獲得通風口處溫度與風速，對比計算分析大空腔附加陽光間和小空腔空氣間層二者的對流供熱量差異，印證特朗伯集熱墻式附加陽光間對流供熱性能的優越性。

1 物理模型與計算模型

1.1 物理模型

建筑空間物理模型如圖1所示。房間室內尺寸長4.8 m×寬3 m×高3 m，南向370mm厚粘土磚集熱墻上設外窗寬1.5 m×高1.5 m，通風口組合形式兩種，如圖2所示，兩種方案上部通風口總面積相等。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

1.2 計算模型

模擬計算利用Design Builder V5.0建筑能耗與環境模擬分析軟件的CFD模塊，采用k-ε湍流模型，三維均勻直角坐標系立方體網格。經網格考核，加密或稀疏網格對數值計算結果影響很小，因此所得的數值解是網格獨立的解。

圖2 集熱墻通風口的組合形式（單位：mm）

1.2.1 控制方程

對流換熱計算區域為房間室內+通風孔+空氣間層所形成的范圍。三維穩態對流-擴散模型的控制方程：

能量方程

動量方程

連續性方程

1.2.2 邊界條件

第一類邊界條件，即規定計算區域邊界上的溫度值。空腔內表面溫度40 ℃，單層玻璃蓋板內表面溫度38 ℃，集熱墻外表面40 ℃、內表面20 ℃，中空玻璃窗外表面溫度32 ℃、內表面30 ℃，室內各表面溫度18 ℃。上述邊界表面溫度根據實際建筑環境在中等太陽輻射強度作用下的實測結果而設定。

2 速度場與溫度場模擬結果

圖3 速度、溫度場分布圖（x=0.4 m截面）

在空氣間層的加熱作用下，系統內空氣區域的流動和溫度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，室內低溫空氣經下部通風口進入空腔，對流上升吸收熱量后經上通風口進入房間室內，加熱室內空氣起到對流供暖的功能作用。

圖3中上部通風口風速和房間三維中心點溫度如表1所示，1.2m深的附加陽光間相對于0.1m深的空氣間層，上部通風口風速從0.59 m/s提高到0.66～0.67 m/s，增幅約12%，房間中心點溫度提高了1.1 ℃（小通風口組合）、0.7 ℃（大通風口組合）。此外，小通風口組合相較于大通風口組合的上部通風口位置更低，這樣有利于提高房間室內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，房間中心點空氣溫度由21.8 ℃提高到22.3 ℃。這些結果主要是由于空腔深度增加和上部通風口位置較低使得對流換熱更加充分所致。

表1 上部通風口風速和房間中心點空氣溫度

3 對流供熱量計算分析

特朗伯集熱墻系統對室內的供熱量主要由通風口對流供熱量提供。對流供熱量可由下式確定。

式中為通過上下通風口的質量流量，kg/s，=ρo，其中ρ為上下通風口的平均空氣溫度對應的密度，kg/m3，v為通風口風速，取上部通風口風速，m/s，Ao為通風口面積，取上部通風口面積，m2；cp為空氣的定壓比熱容，J/kg·K；To為熱流進入室內的上部通風口空氣溫度，℃；Ti為熱流進入集熱墻夾層空腔的下部通風口空氣溫度，℃。

由圖3模擬結果所得上部和下部通風口溫度可計算比對房間所獲得的對流供熱量，如表2所示。對于小通風口組合形式，1.2m深的附加陽光間相對于0.1m深的空氣間層提供的對流供熱量從376.3 W提高到492.9 W；對于大通風口組合形式，對流供熱量從348.8 W提高到500.3 W。同時，對于大空腔的附加陽光間形式，通風口組合形式對對流供熱量的影響不大。

表2 房間對流供熱量

4 結論

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流供熱性能更優，具體結論如下：

1）出風口速度可提高12 %；室內空間中心點溫度提高約1.0 ℃；

2）小通風口組合、上部通風口窗側布置的形式，整個房間太陽能加熱的對流供熱量可提高30 %；大通風口組合、上部通風口窗頂布置的形式，整個房間太陽能加熱的對流供熱量可提高43.4 %。