徐小煒 蘇亞欣

太陽輻射對BiPV-Trombe墻內(nèi)溫度分布的影響

徐小煒 蘇亞欣

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

提出了一種新的BiPV-Trombe墻模型，并通過CFD方法對模型流道內(nèi)空氣的溫度分布特點進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。分析了高度H=4m和寬度b=0.4m而太陽輻射變化時，空氣溫度分布的一般規(guī)律。結(jié)果表明，輻射增強(qiáng)時，壁面溫度邊界層厚度增加，在高度方向，近壁處溫度分布與主流區(qū)略有不同；而在寬度方向，空氣溫度分布不均勻。空氣進(jìn)出口溫差隨著輻射的增強(qiáng)而增大，但是當(dāng)輻射較大時，溫差的增速減緩。

BiPV-Trombe墻CFD模擬太陽輻射溫度分布

太陽能煙囪和Trombe墻強(qiáng)化自然通風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)獲得國內(nèi)外很多學(xué)者的研究[1～5]，在光伏建筑一體化的背景下[6]，季節(jié)等人提出了一種光伏電池與Trombe墻一體化、可同時進(jìn)行光電光熱轉(zhuǎn)換的新結(jié)構(gòu)[7]。但是該新模型對太陽能的綜合利用率并未真正提高[8]。為進(jìn)一步提高對太陽能的綜合利用率，本文提出了一種新的光伏電池與Trombe墻一體化結(jié)構(gòu)，并命名為BiPV-Trombe墻（Built-in Photovoltaic Trombe wall）。它將光伏電池貼在Trombe墻的集熱墻表面，太陽輻射可以完全穿過玻璃蓋板進(jìn)入Trombe墻內(nèi)，并被集熱墻表面的太陽能電池吸收，一部分太陽輻射發(fā)電，其余部分則用于加熱通道內(nèi)的空氣。本文采用CFD方法，在不考慮電池發(fā)電的情況下，研究太陽輻射對BiPV-Trombe墻內(nèi)部空氣的溫度分布的影響。

1 數(shù)值模擬計算說明

1.1物理模型

BiPV-Trombe墻物理模型和簡化模型如圖1所示，太陽輻射透過玻璃被電池吸收，其中一部分轉(zhuǎn)化成電能，剩下部分轉(zhuǎn)化成熱能。由于絕熱層的存在，電池產(chǎn)生的熱量迅速集聚，其表面溫度也隨之升高?；跓釅和L(fēng)原理，流道內(nèi)的空氣被電池表面加熱后便產(chǎn)生自下而上的流動。流動的空氣一方面帶走電池表面熱量、降低表面溫度，提高電池發(fā)電效率；另一方面將熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，根據(jù)季節(jié)的變化來調(diào)節(jié)通風(fēng)口的開啟狀態(tài)即可實現(xiàn)冬季供暖、夏季除熱、過渡季節(jié)通風(fēng)換氣等多種功能，達(dá)到顯著的節(jié)能環(huán)保的效果。

圖1 內(nèi)置式PV-Trombe墻模型

在簡化模型中，玻璃和光伏面板兩側(cè)受太陽輻射S所獲得的恒定熱流密度分別用q1和q表示?？諝饬鹘?jīng)模型底部的水平進(jìn)口進(jìn)入空氣流道并由豎直出口流出，其中水平進(jìn)口高度與墻體寬度相等，用b表示，且進(jìn)口高度不計入墻體總高度H，并假設(shè)模型底部（黑色部分標(biāo)示）絕熱。

1.2數(shù)值模型

Gan[4]對典型的Trombe墻內(nèi)自然通風(fēng)的CFD模擬表明，采用RNG k-ε湍流模型的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合。因此也采用能較好地處理低雷諾數(shù)和近壁流動問題的RNG k-ε模型模擬流道內(nèi)空氣的的流動和傳熱情況。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。基于以上假設(shè)，對于二維穩(wěn)態(tài)、不可壓縮的浮力驅(qū)動流，其流動和傳熱的通用控制方程可寫為：

式中：Φ代表xi方向上的平均速度vi、湍流參數(shù)或者是平均溫度；ΓΦ表示擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為變量Φ的源項。

利用Gambit對模型進(jìn)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(qiáng)壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。在計算過程中不斷細(xì)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，模型的水平進(jìn)口和豎直出口設(shè)為壓力進(jìn)口和壓力出口；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(qiáng)度大小經(jīng)計算確定。采用二階迎風(fēng)格式對方程進(jìn)行離散，用SIMPLE法進(jìn)行求解，采用Fluent 6.3完成計算。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1模擬方法的可靠性驗證

Moshfegh和Sandberg[9]對光伏電池與Trombe墻體組成的流道內(nèi)空氣與壁面之間的傳熱特點進(jìn)行了實驗研究。實驗中用電加熱金屬薄片模擬光伏電池特性，通過控制電力輸入使熱壁獲得不同的熱通量。實驗的二維簡化模型如圖2所示。其中，紅色實線表示豎直熱壁面，高度為6.5m，黑色部分為絕熱墻體?？諝鈴母叨葹?.5m和0.3m長的水平進(jìn)口流道流進(jìn)，被熱壁加熱后從寬為0.23m的豎直出口流出。將金屬箔熱電偶用雙面膠粘在墻壁表面來測量壁面溫度，流道內(nèi)空氣溫度通過金屬絲熱電偶測量，測量的絕對誤差小于0.3℃，各測量點之間的相對誤差小于0.1℃。流道內(nèi)空氣溫度通過金屬絲熱電偶測量得出，本文通過CFD方法，并運用同樣的模擬方法對文獻(xiàn)[9]中模型在環(huán)境溫度為293K和熱壁表面熱通量分別為20W/m2、50W/m2、100W/m2、200W/m2和300W/m2時，流道內(nèi)空氣傳熱進(jìn)行研究。模擬結(jié)果所得的進(jìn)出口溫差與實驗數(shù)據(jù)對比見圖3。對比結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本一致，證明本文模擬方法的可靠性并可以用于對BiPV-Trombe墻傳熱性能的進(jìn)一步研究。

圖2 實驗的二維簡化模型

圖3 溫差的實測值與模擬值對比

2.2流道內(nèi)空氣的溫度分布規(guī)律

BiPV-Trombe墻流道內(nèi)空氣由于存在溫度差而產(chǎn)生浮力驅(qū)動流動。因此，流道內(nèi)溫度分布可以體現(xiàn)空氣流動規(guī)律。本文對高度H=4m和寬度b=0.4m的BiPV-Trombe墻在太陽輻射強(qiáng)度分別為100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2時進(jìn)行了模擬計算。圖4給出了不同太陽輻射強(qiáng)度下流道內(nèi)空氣溫度場分布情況。從溫度場的分布可以看出，各計算工況下，流道內(nèi)空氣溫度分布規(guī)律大致相同，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較大時，右側(cè)光伏電池表面附近的溫度邊界層明顯厚于輻射強(qiáng)度較低時的工況。這是因為，太陽能作為流道內(nèi)浮力驅(qū)動自然對流的動力來源，當(dāng)太陽輻射增強(qiáng)時，右側(cè)壁面的光伏電池獲得更多能量，其表面溫度隨之上升，因而，壁面附近的空氣獲得了更多的熱量，溫度也相對較高，與主流區(qū)的溫差較大，形成的熱邊界層也較厚。

圖4 不同太陽輻射強(qiáng)度時流道內(nèi)溫度場云圖

當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度分別為100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2，與右側(cè)光伏電池水平距離d分別等于5mm、20mm、40mm、60mm處，空氣溫度沿流道高度方向的變化趨勢見圖5。從圖中可以看出，在流道高度起始端，隨著高度的增加，流道內(nèi)空氣溫度先是急速上升到峰值，然后又迅速下降至一極小值，之后溫度沿著高度方向變化逐漸趨緩。可以觀察到，當(dāng)高度大于1m時，在距離電池表面較遠(yuǎn)處，溫度的變化基本上接近線性；而在近壁處（d=5mm），溫度的變化并不是線性變化，而是呈現(xiàn)出先緩緩上升然后又略微下降的過程。已有研究表明，氣流溫度、速度及壁面與氣流的局部換熱量在通道入口處較為劇烈，隨著高度的增加，變化漸趨平緩。對于本文模型，由于空氣從水平進(jìn)口流入豎直流道，流動方向發(fā)生90°變化，其流動狀態(tài)變化劇烈，空氣與光伏電池表面的對流換熱強(qiáng)度也發(fā)生驟變，使得空氣的溫度時而上升時而下降。隨著空氣沿流道繼續(xù)上升，流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定，壁面與空氣之間持續(xù)換熱，空氣溫度沿高度方向總體表現(xiàn)出逐漸上升趨勢；而在近壁處（d=5mm），溫度從中上部開始逐漸減小的原因可能是因為局部流速較大，熱壁不足以充分加熱空氣的結(jié)果。

圖5 空氣沿高度方向的溫度分布

對于H=4m和寬度b=0.4m的BiPV-Trombe墻模型，當(dāng)太陽能輻射強(qiáng)度S在100～400W/m2之間變化時，在水平截面高度Y分別為0.1m、2.0m、4.0m處，溫度沿著流道寬度方向的變化趨勢如圖6所示?？梢钥闯觯刂鵁焽杩諝馔ǖ缹挾确较?，溫度的分布并不均勻，在距離兩側(cè)壁面較近處，溫度較高，隨著與壁面距離的增加，溫度急速下降，然后趨于平緩。由于流道兩側(cè)的玻璃蓋板和光伏電池吸收太陽能輻射，溫度升高，壁面附近的空氣被加熱，因此溫度升高而密度減小，在重力場作用下產(chǎn)生浮升力，使流體沿壁面向上運動，從而在近壁處形成溫度邊界層。由于溫度邊界層很薄，在溫度邊界層內(nèi)溫度梯度很大，溫度從壁溫急劇減小到邊界層邊緣處的主流溫度，在邊界層外，主流溫度沿著煙囪寬度方向變化不大。

圖6 空氣沿寬度方向的溫度分布

仔細(xì)觀察圖6還可發(fā)現(xiàn)，在各種工況條件下，Y=0.1m處的溫度分布曲線在靠右側(cè)壁面附近的溫度略高于Y=2.0m處的溫度。由于Y=0.1m處于管道的入口段，在該處靠近右側(cè)壁面附近，進(jìn)口空氣流向發(fā)生改變以及入口段的熱邊界層較薄，局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也較高，因此該處的空氣與壁面進(jìn)行強(qiáng)烈的對流換熱，溫度反而高于其上部空氣。

比較不同太陽輻射強(qiáng)度時，流道出口處（Y=4m）的溫度分布情況可知，當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)時，出口處空氣溫度也較高。對于本文模型，流道的進(jìn)出口溫差大小是模型傳熱性能的綜合體現(xiàn)。圖7給出了六種工況下模型進(jìn)出口溫差大小。由此可知，太陽輻射增強(qiáng)可以明顯提升空氣出口溫度，增大空氣的進(jìn)出口溫差，使流道內(nèi)空氣獲得更多熱量。但是當(dāng)輻射強(qiáng)度增大到一定值時，進(jìn)出口溫差增長率減小。

圖7 進(jìn)出口溫差隨太陽輻射的變化

3 結(jié)論

本文運用CFD方法模擬研究新型BiPV-Trombe墻在太陽輻射變化時流道內(nèi)部溫度分布的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1）太陽輻射增強(qiáng)時，流道內(nèi)溫度邊界層厚度增加；

2）模型進(jìn)口處，空氣溫度較高，變化較大，沿高度方向，近壁處溫度分布與主流區(qū)有所不同，在寬度方向，空氣溫度分布不均勻，在邊界層內(nèi)較高，溫度梯度較大，而在主流區(qū)，溫度較低并且變化平緩；

3）空氣進(jìn)出口溫差隨著輻射的增強(qiáng)而增大，但是當(dāng)輻射較大時，溫差的增速減緩。

[1]蘇亞欣,柳仲寶.太陽能煙囪一維穩(wěn)態(tài)模型[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011,33(5):102-107

[2]K S Ong,C C Chow.Performance of a solar chimney[J].Solar Energy,2003,74:1-17

[3]Z D Chen,P Bandopadhayay.An experimental investigation of a solar chimney model with uniform wall heat flux[J].Building and Environment,2003,38:893-906

[4]Gan G.A parameter study of Trombe walls for passive cooling of buildings[J].Energy and Building,1998,27:37-43

[5]Trombe F,Robert J F,Cabanot M,et al.Concrete walls to collect and hold heat[J].Solar Age,1977,2(8):13-9

[6]T T Chow.A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technol -ogy[J].Applied Energy,2010,87:365-379

[7]季杰,蔣斌.新型PV-Trombe墻的實驗[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2006,36(04):349-354

[8]W Sun,J Ji,C Luo,et al.Performance of PV-Trombe wall in wint -er correlated with south facade design[J].Applied Energy,2011, 88:224-231

[9]B Moshfeg,M Sandberg.Flow and heat transfer in th e air gap behind photovoltaic panels[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,1998,(2):287-301

Effe c t of Sola r Ra dia tion on Te m pe ra ture Dis tribution in BiPV-Trom be Wa ll

XU Xiao-wei,SU Ya-xin
School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

A novel built-in photovoltaic-Trombe wall was proposed.A validated CFD method was proved and then used it to predict the behavior of temperature distribution in vertical channel of the model.The air temperature distribution varying with solar radiation in the channel with H=4m and b=0.4m was analyzed.Results showed that the thickness of temperature boundary near the wall increased with the solar radiation,temperature distribution near the wall was slightly different with the mainstream area at the height direction,and the air temperature distribution varied greatly at the direction of channel width.The temperature difference between air inlet and outlet increased with solar radiation,yet when solar radiation increased at a high level,the growth of temperature difference was slowed down.

BiPV-Trombe wall,CFD simulation,solar radiation,temperature distribution

1003-0344（2014）06-039-4

2013-9-16

蘇亞欣（1972～），男，博士，副教授；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院（201620）；021-67792552；E-mail:suyx@dhu.edu.cn