基于CFD 模擬的太陽能墻空氣間層氣流組織優化設計研究

夏 婧 賈 欣 戴佳馨 吳艷芳 王良煜

（大連大學建筑工程學院，遼寧 大連116600）

1 概述

隨著社會和科技的進步，全球變暖所產生的影響不僅是氣候和全球環境領域的問題，更是一個涉及到人類社會生產、消費、生活方式以及生存空間等社會和經濟發展領域的重大問題。生活中碳排放隨處可見，而碳排放量最大的行業卻是建筑業和房地產業，由它及其產業鏈產生的溫室效應占碳排放總量的3/4（孫楠2010）。為了保持能源、經濟和環境的可持續發展，建筑節能設計顯得尤為重要。從太陽能、墻體材料、保溫技術、門窗、暖通空調等方面在建筑節能中應用新技術、新材料（徐立松2009）以及節能設計中充分利用太陽能與建筑的結合應用，將是建筑節能發展的趨勢。謝宜燕等人研究結果表明，我國北方采暖區安裝太陽墻系統是完全可行的，具有明顯的節能與減排效果，且部分地區的經濟效益很可觀，太陽墻系統在我國北方采暖區有著廣闊的應用市場和巨大的節能減排潛力（謝宜燕等2011）。太陽能取之不盡、用之不竭，成本低廉，潔凈，安全，對供暖這種低品位熱量需求時具有很大的優勢。王瑩鈺等建立了太陽能房的物理模型，并根據熱力學第一定律建立了太陽能房的數學模型（王瑩鈺等2014）。通過數值模擬給出了太陽能墻體各部位溫度分布，通過該次研究為太陽能集熱墻的設計提供了參考和理論指導。王瑩鈺等研究分析發現實體墻在厚度方向上的溫度分布出現明顯分層（王瑩鈺2014）。邢秉元等基于FLUENT 軟件的基礎上，建立了基本的數學模型（邢秉元等2012），著重研究了太陽能集熱板孔徑尺寸及太陽輻射強度對太陽能墻系統的熱性能影響，得出了最佳的集熱板孔徑的數據。本文主要利用ANSYS CFD 對建立的太陽墻實驗系統進行模擬，得到實驗工況下的速度場、壓力場和流線圖，優化太陽能墻。

2 模擬分析

2.1 網格模擬及質量檢測。根據真實實驗臺的設置，在ICEM CFD 軟件中做出了與之相匹配的幾何模型（見圖1）。接下來進行邊界的定義，塊操作創建出了二維網格，即結構化網格（見圖4）并采取了兩種方式進行了網格質量的檢測（見圖5），都證明了我們所創建的結構化網格質量很好，采用porous jump邊界條件處理帶有微孔的集熱板。

2.2 速度場。我們在前面通過使用ICEM CFD 網格構造功能構造出了我們所需的網格，再將其導入到Fluent 軟件中，接下來設置邊界條件進行模擬復雜流動，得到了氣體的速度場、壓力場以及對應的流線圖。

圖3 網格質量檢測

在速度場的圖中（見圖4），可以看到，在最外側的陽光板與集熱板之間的外腔速度是較高的，這是因為我們采用的是下口進風上口出風的流動方式，空氣從外腔流動，導致此處速度較高。而上處的出風口由于靠近室內風機位置，風速出現了一個高速點。中部的深藍色區域，即為空氣內腔，內部空氣流動不充分，導致速度較低。最底部的深藍色是由于基本上空氣無法到達，導致空氣淤積，沒有流動情況，速度最低。

2.3 壓力場。在壓力場的圖中（見圖5），可以看出，最下部的深紅色區域，表示它的壓力較大，由于空氣堆積，幾乎不流動，而產生了一個增壓區，而導致壓力有所增加。中部的淡藍色區域是由于空氣流動充分，根據空氣流動公式可以知道，流動速度越大，壓力越小，因此它相對于上下兩端，壓力相對下降。

圖4 速度場

圖5 壓力場

2.4 流線圖。在流線圖中（見圖6），從圖中可以看出，圖中左側的藍色區域，流線組成了一個漩渦，右邊的橙色區域流線也形成了一個漩渦，說明在整個太陽能墻中，流動是分為外腔和內腔兩腔流動的。最左邊的流線箭頭向下，中間的流線箭頭向上，最外側的流線箭頭總體向上，表明空氣從下部進入之后，從外腔沿著陽光板向上流動，被風機從頂部抽入室內，但仍存在部分空氣未被風機抽出，直接從內墻向下流動，產生回流，導致集熱板后側的熱量并未得到充分的利用，利用率降低。

3 討論

太陽能墻集熱板上有許多小孔，在墻板與建筑外墻之間的負壓作用下，外部空氣由集熱板的小孔抽入空腔內。雖然有孔的孔板熱損失小，有較好的集熱效率，但在模擬中仍然發現集熱板的熱量沒能得到很好的利用，模擬發現集熱板后側的熱量沒有能得到充分的利用，熱利用率沒有達到最高。而影響集熱板后方集熱效率的因素與空氣不能被抽出而自循環有關。

圖6 流線圖

4 結論

邢秉元等基于Fluent 軟件的基礎上，建立了基本的數學模型，著重研究了太陽能集熱板孔徑尺寸及太陽輻射強度對太陽能墻系統的熱性能影響，得出了最佳的集熱板孔徑的數據。在本次研究通過Fluent 軟件模擬出了空氣在太陽能墻間層的速度場、壓力場及其流線圖，在模擬得出的數據中，發現了空氣在太陽能墻底部會存在一定的空氣堆積，并且在集熱板的后側也發現了熱量沒能得到充分利用現象。因此在今后的模擬實驗中著重解決太陽能利用率問題，不斷優化太陽能墻空氣間層。積極響應我國的可持續發展觀這一理念，為改善能源利用和提高人民生活得幸福指數貢獻綿薄之力。