雷勇剛， 顧 元， 宋翀芳， 王 飛

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024)

內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻性能

雷勇剛， 顧 元， 宋翀芳， 王 飛

(太原理工大學 環(huán)境科學與工程學院， 山西 太原 030024)

提出一種利用太陽能和風能實現(xiàn)室內(nèi)自然通風的新型內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻模型，通過三維數(shù)值模擬研究在不同室外風速和太陽輻射強度下結(jié)構參數(shù)對其通風性能的影響.結(jié)果表明，內(nèi)置格柵誘導通道可以有效利用室外風形成對太陽能通風墻主通道內(nèi)氣流的誘導作用而強化自然通風；該太陽能通風墻通風量隨格柵間距與格柵高度比值的增加先增大后減小，存在最佳比值使通風量最大；隨著風誘導通道寬度與主通道寬度比值的增加，不同室外風速下的通風量均呈先增大后減小的變化趨勢.

太陽能通風墻； 格柵； 誘導通道； 通風性能

面對能源危機和環(huán)境污染的雙重挑戰(zhàn)，現(xiàn)今世界各國都在積極利用可再生能源來實現(xiàn)建筑節(jié)能.太陽能墻就是主要利用太陽能來強化室內(nèi)自然通風從而實現(xiàn)室內(nèi)降溫或采暖需要的一種措施，是建筑節(jié)能的一種有效途徑，受到國內(nèi)外學者的重視，成為綠色建筑研究的熱點.太陽能墻是法國太陽能實驗室主任Trombe 教授[1]最早提出和研究的，稱為Trombe墻，當其應用于建筑向室外排風時，也被稱為太陽能煙囪.

國內(nèi)外學者對太陽能墻開展了一定的研究，在理論分析、試驗研究和數(shù)值仿真方面取得了一定的成果.Bansal等[2]利用所提出的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型研究了不同開口尺寸和太陽輻射下的太陽能煙囪通風性能.Gan[3]通過計算流體力學方法研究了通風量隨Trombe 墻的高度、寬度、厚度、壁面溫度以及太陽輻射照度的變化規(guī)律；Ong等[4]建立了穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，采用轉(zhuǎn)置矩陣方法進行求解，對墻壁處于均勻熱流下的空氣間隙和太陽輻射照度對性能的影響進行了研究；Ji等[5]提出了帶光伏發(fā)電的Trombe 墻，并通過建立的二維數(shù)理模型對溫度場和太陽能電池的電性能和建筑內(nèi)得熱進行了研究；楊昭等[6]采用耦合流固傳熱技術，對改進的特朗勃墻進行熱過程分析；Burek和Habeb[7]對Trombe 墻式太陽能煙囪的性能進行了模型試驗，獲得了加熱量和太陽能煙囪寬度對通風量的影響規(guī)律；李安桂等[8]用電熱膜模擬太陽輻射，對不同的太陽輻射強度和煙囪寬度條件下的通風量性能進行了試驗研究；Zamora和Kaiser[9]對Trombe 墻結(jié)構進行了二維數(shù)值模擬，采用低雷諾數(shù)k-ω模型，而且考慮了室外風力的影響，空氣層兩側(cè)墻面取均勻熱流密度條件.Tan和 Wong[10]對新加坡地區(qū)的安裝有太陽能煙囪通風系統(tǒng)的3層建筑進行了試驗測試，對空氣流速分布以及房間內(nèi)的氣流流動進行了分析.Deblois等[11]利用區(qū)域模型對屋頂式太陽能煙囪形成的自然通風性能進行了研究；Khanal等[12]通過數(shù)值模擬對普朗特數(shù)Pr<1情況下的垂直結(jié)構的太陽能通風墻的通風量和溫度、速度分布進行了研究.

本文提出一種新型內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻，旨在有效利用風壓和熱壓的誘導來強化太陽能通風墻的自然通風性能，重點研究不同室外風速和太陽輻射強度下格柵間距與格柵高度比值、風誘導通道寬度與主通道寬度比值對其通風性能的影響.

1 物理模型和工作原理

內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻的物理模型如圖1所示，該結(jié)構安置于建筑南外墻上，由玻璃蓋板、吸熱板、無色透明擋風板和格柵窗組成，形成風誘導通道和主通道.其工作原理為：置于建筑外墻的吸熱板吸收透過玻璃蓋板、格柵和擋風板的太陽輻射，通過對流方式加熱主通道內(nèi)空氣，使得通道內(nèi)空氣密度變小，在浮升力的作用下流動；室外風通過格柵窗進入風誘導通道，在擋風板的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，在風誘導通道中向上流動，當以一定流速流出時，形成對主通道中空氣的誘導作用，強化主通道中空氣向上流動.該結(jié)構在風能和太陽能的誘導作用下，促使室內(nèi)空氣進入太陽能通風墻內(nèi)，從而實現(xiàn)建筑自然通風.圖1中，格柵高d1=30 mm，格柵間距為d2，主通道寬度w1=200 mm，風誘導通道寬度為w2，太陽能通風墻高度h1=2 000 mm，擋風板高度為h2，格柵窗高度為h3，距太陽能通風墻底部距離h4=300 mm.

圖1 太陽能通風墻物理模型Fig.1 Physical model of the solar-induced ventilation wall

2 計算區(qū)域

圖2為內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻的計算區(qū)域，其出口與屋頂平齊，沿PN方向處于中間位置.房間高度lMN=3 000 mm，長度lNJ=3 000 mm.太陽能通風墻長度lQT=1 000 mm，格柵長1 000 mm.計算考慮了室外風場的影響，對不同尺寸的風場區(qū)域進行試算，直到計算得到的通風量數(shù)據(jù)之間的誤差小于5%，從而確定合理的計算區(qū)域.計算區(qū)域尺寸為：lAM=2 000 mm，lIE=1 000 mm，lAB=8 000 mm，lAD=2 400 mm.

圖2 太陽能通風墻計算區(qū)域Fig.2 Calculation region of the solar-induced ventilation wall

3 數(shù)學模型

3.1 控制方程和計算方法

三維穩(wěn)態(tài)湍流控制方程如下. 連續(xù)性方程為

(1)

式中：ui為xi方向上的平均速度分量，m·s-1；xi為坐標,i=1,2,3.動量方程為

(2)

式中：uj為xj方向上的平均速度分量，m·s-1；xj為坐標,j=1,2,3；ρ為空氣密度，kg·m-3；P為平均壓力，Pa；νt為紊流黏滯系數(shù)；ν為層流黏滯系數(shù)；gi為i方向上的重力加速度，m·s-2；β為空氣熱膨脹系數(shù)，K-1；T為平均溫度，K；T∞為參考點溫度，K.能量方程為

(3)

式中：Γ為廣義擴散系數(shù).k方程為

(4)

式中：k為湍流脈動動能；ε為流體脈動動能的耗散率；Gk為湍流動能的產(chǎn)生項；σk為經(jīng)驗值.ε方程為

(5)

式中：σε為經(jīng)驗值；C1,C2為經(jīng)驗系數(shù).

(6)

式中：σt為經(jīng)驗值.

(7)

計算考慮浮升力作用，采用Boussinesq假設，通過有限容積法對控制方程進行離散，求解采用RNGk-ε兩方程模型，采用SIMPLE算法實現(xiàn)速度與壓力的耦合，對流項的離散使用二階迎風格式.

3.2 邊界條件

如圖2所示，平面ABCD為速度入口邊界條件，速度取值1～3 m·s-1，室外風垂直此平面進入；平面FGCB和平面EFGH均為壓力出口邊界條件，相對總壓設為零；平面RVUS為壓力入口邊界條件，相對總壓設為零；平面AMOD、平面NJKP、平面IJKL、平面IEHL為壁面邊界條件，平面MNPO除去平面RVUS的部分也為壁面邊界條件；平面AMNJIEFB和平面DOPKLHGC為對稱邊界條件.

計算域中所有固體壁面速度采用無滑移條件，玻璃蓋板和吸熱板設置為定熱流密度，熱流密度由太陽輻射和材料吸收率、透射率得出，太陽輻射強度取400～800 W·m-2，考慮玻璃吸收率α=0.06，透射率τ=0.84，吸熱板吸收率α1=0.95，室內(nèi)外溫度均設置為306 K.

3.3 網(wǎng)格獨立性考核

由于物理模型包括格柵、擋風板，同時考慮風場區(qū)域，其結(jié)構復雜，所以采用非結(jié)構化網(wǎng)格與結(jié)構網(wǎng)格組合的網(wǎng)格；為保證模擬的準確性，對格柵和通風墻內(nèi)部區(qū)域進行局部加密，局部計算網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 太陽能通風墻局部網(wǎng)格Fig.3 Local grid of the solar-induced ventilation wall

對網(wǎng)格獨立性進行考核，以保證計算結(jié)果準確且能節(jié)省計算資源.建立了5套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為：505 656, 670 383, 729 388, 817 336, 957 847.對不同的網(wǎng)格數(shù)下的通風墻的通風量進行計算，其結(jié)果如圖4，通過比較，直到相鄰2套網(wǎng)格所計算的通風量數(shù)據(jù)偏差小于1%，綜合考慮準確性和節(jié)省資源，采用第3套網(wǎng)格進行數(shù)值模擬計算.

圖4 網(wǎng)格獨立性考核Fig.4 The grid independence test and verify

4 模型有效性驗證

為驗證本文模型和計算方法的可靠性，對文獻[7]試驗條件下太陽能通風墻誘導通風進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比如圖5所示.試驗條件下的太陽能通風墻由2塊側(cè)板和1塊吸熱板、1塊玻璃蓋板組成，高度為1 025 mm,長度為925 mm，寬度為40～110 mm，熱流密度為400 W·m-2.結(jié)果表明，數(shù)值模擬的太陽能煙囪通風量隨著煙囪寬度的增大而增加，與試驗結(jié)果的趨勢一致，且2種結(jié)果的偏差小于15%，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，充分說明本文計算方法的可靠性.

圖5 模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.5 The comparison of the experiment date and the simulation date

5 計算結(jié)果與分析

5.1 太陽能通風墻局部流場

圖6是太陽能通風墻局部流場圖，取擋風板高度與格柵窗高度比值h2/h3分別為0，1，2，風誘導通道寬度與主通道寬度比值w2/w1=0.375，格柵間距與格柵高度比值d2/d1=1，太陽輻射強度I=600 W·m-2，室外風速v=2.0 m·s-1.

從圖中可以看出，當h2/h3=0時，即沒有擋風板，室外風直接流進主通道，由于主通道底部靜壓小，室外風一部分沿著吸熱板向上流，一部分向下流，而熱壓誘導的向上氣流不足以抵消沿吸熱板向下流動的氣流，使部分室外風直接回灌至房間內(nèi)；當h2/h3=1時，即擋風板與格柵窗等高，室外風流入風誘導通道，由于擋風板的阻擋，氣流大致向上流動，很好地誘導主通道向上流動的氣流，此時煙囪內(nèi)氣流組織較均勻；當h2/h3=2時，即擋風板2倍高于格柵窗，由于此時風誘導通道高度過高，室外風誘導主通道內(nèi)氣流的距離變短，風壓誘導作用減弱，使煙囪通風量較h2/h3=1時有所減弱，此時煙囪內(nèi)氣流組織均勻.

ah2/h3=0bh2/h3=1ch2/h3=2

圖6z=1 200 mm時局部流場

Fig.6 Local air flow pattern whenz=1 200 mm

5.2 格柵間距與格柵高度比對通風量影響

在不同d2/d1下，太陽能通風墻的通風量(Q)隨v的變化如圖7所示，Q隨I的變化如圖8所示.其中，d2/d1的范圍為0 ～ 2，h2/h3=1，w2/w1=0.375.

圖7 I=600 W·m-2時通風量隨d2/d1的變化

Fig.7 Variations of mass flow rate withd2/d1when solar radiation intensity is 600 W·m-2

圖8 v=2 m·s-1時通風量隨d2/d1的變化

Fig.8 Variations of mass flow rate withd2/d1when outdoor wind speed is 2 m·s-1

從圖7和圖8可以看出，隨著d2/d1的增加，通風量先增后減.當室外風速v=1.0 m·s-1時，Q在d2/d1=1.33附近達到最大；當室外風速1.5 m·s-1≤v≤ 2.5 m·s-1時，Q在d2/d1=1附近達到最大；當室外風速v= 3.0 m·s-1時，Q在d2/d1= 0.67附近達到最大.其原因為：隨d2/d1增大，即格柵間距d2增大，一方面，風誘導通道的進風量增大，可以使室外風對主通道的風壓誘導作用增強；另一方面，風誘導通道中的室外風對主通道內(nèi)氣流的誘導距離變短使風壓誘導作用減弱，因此其通風量的增減取決于2種作用的強弱.如室外風速v=2.0 m·s-1，在d2/d1從零增加到1時，格柵間距增大使風壓誘導作用增強，而誘導距離變短對風壓誘導作用有減弱效果，但增強的作用大于減弱的作用，從而使得通風量增大；d2/d1從1增加到2時，誘導距離減小對風壓誘導的減弱作用占主導地位，使得通風量的變化發(fā)生逆轉(zhuǎn)，其通風量隨d2/d1的增大而減小.在相同d2/d1下，室外風速v從1.0 m·s-1增加至3.0 m·s-1時，通風量最大增加207.2%；當v=2.0 m·s-1，太陽輻射強度I從400 W·m-2增至800 W·m-2時，通風量最大增加31.3%.此外，在d2/d1值從1增至2時，通風量持續(xù)減小，并且減小的幅度與室外風速成正比，如v=1.5 m·s-1時，d2/d1值從1增至2，其通風量降低了17.1%；v=3.0 m·s-1時，d2/d1值從1增至2，其通風量降低了26.2%.

5.3 風誘導通道寬度與主通道寬度比對通風量影響

在不同w2/w1下，太陽能通風墻的Q隨v的變化如圖9所示，Q隨I的變化如圖10所示.其中，w2/w1的范圍為0 ～1，h2/h3=1，d2/d1=1.

圖9 I=600 W·m-2時通風量隨w2/w1的變化

Fig.9 Variations of mass flow rate withw2/w1when solar radiation intensity is 600 W·m-2

圖10 v=2 m·s-1時通風量隨w2/w1的變化

Fig.10 Variations of mass flow rate withw2/w1when outdoor wind speed is 2 m·s-1

從圖9可以看出，隨著w2/w1值的增加，Q均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，但不同室外風速最大通風量出現(xiàn)的w2/w1值不同，如室外風速v=1.0 m·s-1，在w2/w1=0.250時通風量最大，而室外風速v=3.0 m·s-1，在w2/w1=0.375時通風量最大.風誘導通道寬度增加，一方面增強了室外風對主通道的風壓誘導作用，但同時使得主通道變窄，增加了主通道的阻力.計算結(jié)果表明：當室外風速在2.0 m·s-1或者更小時，在w2/w1從零增加0.250時，室外風壓誘導對通風量的增強作用占主導地位，使得通風量增加；在w2/w1從0.250增加到1.000時，主通道變窄而阻力增大的作用占主導地位，從而使得通風量減小.當室外風速大于2.0 m·s-1，在w2/w1從零增加0.375時，室外風壓誘導對通風量的增強作用占主導地位，使其通風量增加，在w2/w1值從0.375增加到1.000時，主通道變窄而阻力增大的作用占主導地位，使得通風量減小.當w2/w1=0時，即風誘導通道寬度為零，此時為無內(nèi)置誘導通道的傳統(tǒng)太陽能通風墻，結(jié)果表明：太陽輻射強度為600 W·m-2，w2/w1<0.500時，新型內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻的通風量均高于傳統(tǒng)太陽能通風墻，且室外風速越大，通風量增長幅度越大，最大可增加171.0%.

如圖10所示，隨著w2/w1的增加，通風量先增后減，最大通風量出現(xiàn)在w2/w1值為0.250附近，不同熱流密度下Q隨w2/w1的變化趨勢相同，說明室外風速是影響Q隨w2/w1的變化趨勢的主因.在w2/w1<0.500時，通風量隨太陽輻射的增大而增大，太陽輻射強度I從400 W·m-2增至800 W·m-2，通風量最大可以增加40.4%；在w2/w1≥ 0.500時，通風量受太陽輻射強度影響較小，通風量趨于相等，此時室外風速占主導地位.對比圖9可以看出，室外風速對通風量影響較大，在相同w2/w1值時，室外風速v從1.0 m·s-1增加至3.0 m·s-1，其通風量最大可以增加231.6%.

6 結(jié)論

提出一種內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻，通過三維數(shù)值模擬研究了該太陽能通風墻在不同結(jié)構參數(shù)和操作參數(shù)下的通風性能，主要結(jié)論如下：

(1) 新型內(nèi)置格柵誘導通道的太陽能通風墻能有效利用太陽能和風能作用來增強自然通風效果，與傳統(tǒng)太陽能通風墻相比，在所研究范圍內(nèi)，其通風量最大可增加171.0%.

(2) 通風量隨著d2/d1的增加先增大后減小，d2/d1存在最佳值使通風量最大，室外風速不同時,其最佳比值d2/d1不同.當v=1.0 m·s-1，d2/d1=1.33時通風量最大，為0.102 kg·s-1；而當v=3.0 m·s-1，d2/d1=0.67時通風量最大，為0.300 kg·s-1.

(3) 隨著w2/w1的增加，不同室外風速下的通風量變化趨勢均是先增大后減小，但通風量最大時的w2/w1值不同.當v=3.0 m·s-1，w2/w1=0.375時通風量最大，為0.299 kg·s-1；而當v=1.0 m·s-1，w2/w1=0.250時通風量最大，為0.112 kg·s-1.

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Analysis on Performance of a Solar-induced Ventilation Wall with Build-in Grille Induced Channel

LEIYonggang，GUYuan，SONGChongfang，WANGFei

(School of Environment Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024， China)

A new solar-induced ventilation wall with grille induced channel, which utilize solar energy and wind energy to cause indoor natural ventilation, was proposed. The effects of structural parameters on the ventilation performance of the new structure were studied at different outdoor wind speed and solar radiation intensity by three-dimensional computational fluid dynamics method. The results showed that the built-in grille induced channel can utilize the induction of outdoor wind in formation of main channel of solar-induced ventilation wall to strengthen natural ventilation. The mass flow rate of the new solar-induced ventilation wall firstly increases, and then decreases with the increase of the ratio of grille spacing to grille height, there is an optimum ratio for the maximum of mass flow rate. With the increase of the ratio of wind induced channel width to main channel width, the mass flow rate of the solar-induced ventilation wall under different outdoor wind speed firstly increases and then decreases.

solar-induced ventilation wall; grille; induced channel; ventilation performance

2016-01-27

國家自然科學基金(51106103)

雷勇剛(1976—)，男，副教授,工學博士，主要研究方向為建筑節(jié)能、強化傳熱和集中供熱。 E-mail：leiyonggang@tyut.edu.cn

TU834.1

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