管式多風道集熱墻內流特征的數值研究

李瑞鑫 呂高沖 侯浩宇 朱國梁

（鄭州大學，河南 鄭州 450001）

0 引言

能源與環境是人類社會發展的永恒話題。隨著我國城鎮化的有序推進，經濟發展和居民生活水平的提升，大量的能源被用于暖通空調產業以改善室內熱環境，這造成了能源與環境的兩難抉擇，太陽能集熱墻的發展為解決這一問題帶來了契機。良好的集熱墻形式不僅能大大地縮減建筑在暖通空調方面的能耗，還可減少建筑運維時二氧化碳的排放。在國家政策和相關技術的雙重支持下太陽能集熱墻技術擁有較好的發展前景，對未來持續落實國家節能減排戰略，推動中原城市群高質量發展和實現“碳達峰碳中和”愿景具有重要意義。

目前，國內外眾多學者關于被動式集熱墻熱工特性方面開展了大量的研究，其研究成果大致可分為以下三類：一是集熱墻熱性能評價研究。Lobna［1］通過模擬與試驗的方法，證明了特朗伯墻在突尼亞地區具有較好的采暖與通風效果。陳濱等［2-4］對大連市被動式太陽能房進行熱性能及室內濕度調節實驗研究。結果發現，帶有太陽能集熱墻的建筑能較好地改善室內熱濕環境，節能效果顯著。界迪等［5］從氣候適宜性、技術適宜性和經濟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、節能性和經濟性三方面分析了Trombe墻在新疆石河子地區的可行性，然后對當地供暖末期的主被動太陽房進行試驗研究，發現集熱墻系統節能效果顯著，對室內的熱環境調節具有積極作用等。二是集熱墻結構優化研究。趙建會等［8］通過Fluent 對不同風口尺寸參數的傳統集熱蓄熱墻進行模擬研究，發現風口形狀、風口面積和風口的相對大小對集熱墻的熱工特性均具有較大影響，長方形風口較于正方形風口效果更佳；出風口面積大于進風口面積，有利于集熱墻通風；進風口面積大于出風口面積，有利于集熱墻換熱。Yedder 等［9］利用CFD 軟件建立了傳統集熱墻二維模型，基于有限差分控制體積法對夾層空氣的流動特性進行模擬研究，分析了夾層內溫度場和速度場對傳統集熱墻換熱與導熱情況的影響，且對努塞爾數和瑞利數函數對系統熱性能進行了評估和介紹。三是集熱墻各部件材料優化研究。葉宏等［10］通過建立太陽房的一維熱網絡模型，研究了集熱面熱輻射性質、蓄熱墻體材料的熱物性、不同玻璃蓋板和空氣間層內添加吸熱金屬板對不同結構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傳統蓄熱墻中混凝土結構可以提高集熱墻的熱性能，由于水比熱容較大，這種結構不僅可以減少玻璃蓋板散熱，還可吸收更多的太陽輻射，增加墻體冬季白天的蓄熱量。

本研究基于現有集熱墻在太陽能可利用地區應用過程中的關鍵技術問題，通過對管式多風道集熱墻間層換熱、多管換熱、耦合換熱三種模式下的內流特征進行模擬分析，探討不同換熱模式下集熱墻熱工性能和集熱效率。

1 管式多風道集熱墻系統

太陽能集熱墻的集熱效果與環境存在較大聯系，然而現有集熱墻的研究多是關于太陽能極為豐富的地區，在此環境下研究的集熱墻系統在太陽能較豐富地區的應用受到限制，因此本研究提出了一種新型多風道集熱墻系統，具體如圖1所示。

圖1 管式多風道集熱墻結構示意

多風道太陽能集熱墻系統，是在傳統集熱墻系統中加入高硼硅玻璃管束（集管和支管），將空氣間層內的流體區域分為兩部分，即為管內流體區域和間層流體區域。間層流體區域空氣的熱源除了集熱墻吸熱面和玻璃蓋板內表面外，還有高硼硅玻璃管外表面，此區域以熱浮升力為驅動力，空氣從間層下風口進入，從間層上風口流出。管內流體區域同樣以熱浮升力驅動，空氣從管道下風口進入，經集管組織分配后，進入支管，支管內壁涂有黑鉻涂層，在太陽輻照下實現光熱轉換，來流空氣與玻璃管內壁面通過對流換熱獲取熱量，后經上集管匯聚，從管道上風口流出。

2 管式多風道集熱墻內流特征分析

2.1 不同換熱模式下的集熱墻內流特征

為了探究不同換熱模式對集熱墻熱工性能的影響，對間層換熱模式、多管換熱模式、耦合換熱模式下集熱墻內流特性進行模擬研究，總結不同換熱模式、不同時刻下流場中溫度及速度分布規律，并結合供熱量和集熱效率對三種換熱模式下集熱墻的熱工性能進行對比分析。

為揭示三種換熱模式下集熱墻的啟動時間，以及剖面速度與溫度分布規律，本研究選取了鄭州市某工程8:00 時刻下集熱墻溫度及速度等值線圖進行對比分析。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 時刻不同換熱模式下集熱墻風道內空氣速度場分布等值線如圖2 所示。可以看出，該時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部空氣速度分布情況較為復雜，且速度較小。這是由于這兩種模式下的集熱墻系統是在間層換熱模式下集熱墻系統的基礎上加入了集熱管系統，縮小了進出口面積（受集熱管尺寸限制），整個區域流體阻力增大。

圖2 8:00時刻不同模式下集熱墻風道內空氣速度場分布

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

2.2 集熱墻內流場的差異性分析

多管換熱與耦合換熱兩種模式下，集熱管內流場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，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（向陽側）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熱壁面提供的熱浮升力的作用下，管內氣流開始上升，空氣從集熱管下通風口流入，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，支管中向陽側的集熱管接收太陽輻射熱較多，空氣溫升越快，產生的浮升力越大。

②空氣間層內，多管換熱模式下集熱墻間層側壁附近速度為負值，空氣呈下降狀態，集熱管附近基本為正值，空氣呈上升狀態，越靠近集熱管的速度越大，存有少量渦流區，這是由于此模式下空氣處于封閉狀態，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，產生的浮升力越大，速度越大，兩端由于無熱壁面，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，且存在大量渦流區，這是由于此模式下夾層空氣處流通狀態，冷沉降作用大于熱浮升作用，空氣由集熱墻上通風口進入，在集熱管阻力和管間熱壓差的共同作用下產生渦流。綜上所述，多管換熱模式下流場中空氣速度為0 ~0.1 m/s，耦合換熱模式下流場中空氣速度為0~0.05 m/s。

3 出口溫度與流量特征

3.1 出口溫度變化規律分析

三種換熱模式下各時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間的變化規律相似，兩個連續時間節點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。這與各時段內太陽輻照強度的變化規律相一致。在出口溫差最大的時段內，間層換熱模式下溫差達20 ℃左右，耦合換熱模式下溫差可達50 ℃左右，多管換熱模式下溫差可達70 ℃左右；在出口溫差最小的時間段內，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。當換熱模式由間層換熱切換到耦合換熱時，出風口日平均溫度升高22.6 ℃；當換熱模式從耦合換熱切換到多管換熱時，出風口日平均溫度升高15.5 ℃。這說明，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 出口流量變化規律分析

三種換熱模式下各時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律相似，在8:00—10:00 時，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，間層換熱模式下流量波幅最大，為0.014 kg/s。在12:00—14:00 時出口流量波幅最小，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，這與太陽輻照強度的變化規律相一致。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幅度較小。當模式從間層換熱模式改為耦合換熱模式時，出風口日平均流量降低；當模式從耦合換熱模式改為多管換熱模式時，出風口日平均流量降低。這說明，隨著集熱管系統植入和進出風口面積的減小（受集熱管尺寸限制），導致整個系統內阻力增加，系統因集熱管吸收太陽輻射而增加熱浮升力作用抵消不了給集熱墻系統帶來的阻力作用，使得整個流場區域的總流量減小。

圖4 集熱墻出口平均流量

4 結論

本研究針對集熱墻冬季日間的運行工況，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，設置了湍流自然對流和太陽輻射耦合模型。對三種換熱模式下集熱墻在不同時刻、不同太陽輻射強度進行模擬研究，總結了集熱墻流場區域溫度、速度和出口溫度、流量的變化規律。研究表明，集熱管束的植入可以大大提升集熱墻出風口的溫度，與此同時，阻力的增大削減了整個流場區域的空氣流動性，出口流量明顯減小。但管式多風道集熱墻系統有著更早的啟動時間，具備提升日平均集熱效率和日供熱量的理論基礎。