林 爽 齊學軍 吳春連

（西華大學土木建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610039）

近些年隨著人民生活水平的提高，人們對室內熱舒適性的要求也越來越高，越來越多的家庭希望冬季時供暖。冬季供暖在建筑能耗中占有較高的比例，為了實現(xiàn)2060年碳中和的目標，降低碳的排放量，利用太陽墻進行供暖越來越受到建筑行業(yè)的青睞。

一些研究人員對太陽墻的不同結構參數(shù)進行了優(yōu)化設計和分析。顧潔結合多孔太陽墻建筑,運用數(shù)值模擬方法分析了不同太陽墻結構對室內送風參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)增大太陽墻面積可以提高了室內熱舒適性[1]。賈斌廣等人通過CFD軟件對單、雙流道太陽墻的熱特性進行數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)雙流道的集熱蓄熱墻具有較好的采暖性能[2]。張大鵬提出了一種擾流板式太陽墻,并對普通太陽墻和擾流板式太陽墻進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)擾流板式太陽墻的熱損失系數(shù)比普通太陽墻低[3]。趙建會等人使用Fluent模擬軟件對不同風口參數(shù)下的集熱蓄熱墻進行通風和供熱性能模擬研究，結果顯示風口形狀、風口面積及進出風口的相對大小都對有外保溫結構的集熱蓄熱墻通風和供熱特性有影響[4]。

現(xiàn)階段太陽墻的研究主要是通過改動太陽能集熱板、材料或者加裝輔助設備等方式，而對雙流道多孔太陽墻流道的溫度場和關閉時間的研究較少。因此，本文主要采用數(shù)值模擬的方法對雙流道多孔太陽墻的流道和關閉時間對室內采暖的影響進行研究。

1 模型建立及計算參數(shù)設置

1.1 物理模型

圖1為雙流道多孔太陽墻房間的物理模型。房間的尺寸為3m×3m×3m（長×寬×高），不考慮窗戶的散熱，將南墻設置為無窗戶的復合墻體，從外到內的順序依次為：玻璃蓋板、空氣流道1、多孔墻、空氣流道2和蓄熱墻，總厚度0.36 m。多孔太陽墻共設置5個風口，風口尺寸均為0.2 m×0.2 m。X軸的正方向為北向，Y軸的正方向為西方向，Z軸的正方向指向天空。

圖1 雙流道多孔太陽墻房間的物理模型（單位：米）

1.2 模擬參數(shù)設置

室外環(huán)境參數(shù)取自南陽地區(qū)典型年1月的數(shù)據(jù)。只考慮南墻參與太陽射線跟蹤模型，其余墻面均不參與。玻璃蓋板采用混合邊界層，多孔墻內外表面均采用流固耦合邊界；內部風口開啟為Interior（08:00-18:00）。初始溫度為276.55 K，初始化方式選擇全域初始化。有太陽輻射時，空氣流道1和空氣流道2均開啟，新風送風速度為0.3 m/s。無太陽輻射時，空氣流道1關閉，空氣流道2開啟，新風由風口2送入，速度為0.1 m/s。模擬中新風溫度和wall邊界的自由流溫度采用室外逐時溫度，起始計算時間為早上08:00，時間步長設為45 s，全天步數(shù)為1920步，自動保存設為每40步保存一次。計算采用RNG k-ε模型，初始溫度為276.55 K。在研究關閉時間對室內平均溫度影響時,將18：00后太陽輻射設置為0。

2 數(shù)值計算結果討論與分析

2.1 采暖房間溫度場分析

采暖房間平均溫度隨時間的變化如圖2所示，從圖2可知最高溫度出現(xiàn)在16：00，室內最高平均溫度為289.17 K，溫差為9.92 K；最低溫度出現(xiàn)在第二天8：00，最低平均溫度為278.50 K，溫差為6.95 K。白天時，風機和風口1、3、4、5均是工作狀態(tài)，室外空氣從空氣流道1進入，在向上的流動過程中受到太陽輻射加熱，空氣溫度升高；室內空氣從風口5流出然后經過空氣流道2與空氣流道1的熱空氣混合，最后經風機送入室內，對房間進行供暖，并將多余的熱量儲存在蓄熱墻。夜晚時，風口1、2、4處于關閉狀態(tài)下，此時空氣流道1將變?yōu)楸貙?，減少熱量向室外環(huán)境的散失。風口5和風機將處在打開狀態(tài)，流道2中的空氣在流動過程中吸收蓄熱墻和多孔墻的熱量再經風機送入室內，實現(xiàn)夜間供暖。

圖2 采暖房室2內平均溫度變化圖

2.2 空氣流道1溫度場分析

空氣流道1平均溫度隨時間的變化如圖3所示。從圖3可知，流道1的空氣平均溫度與多孔墻外表面溫度變化類似?？諝饬鞯?的空氣平均溫度在12：00之前上升較快，在12：00-15：00之間，上升較慢，在15：00時空氣流道1中的平均溫度達到最高值301.06 K，與室外環(huán)境溫差為22.51 K。之后空氣流道1的溫度開始下降，在18：00時又升高，然后又下降至第二天早上8:00。18：00時突然升高的原因是此時風口1關閉，空氣流道1沒有室外冷空氣流入，只有室內的回風流過，并與多孔墻發(fā)生換熱反應，這樣有更多的熱量傳給了空氣流道1中的空氣，引起空氣溫度升高。

圖3 空氣流道1平均溫度隨時間的變化

2.3 空氣流道1關閉時間對采暖房溫度的影響

空氣流道1關閉時間對室內平均溫度的影響如圖4所示。從圖4中可以看到17:00關閉時室內平均溫度最高，隨后室內平均溫度降低，這主要是因為18:00后沒有太陽輻射，關閉流道1時有室外低溫空氣進入流道1，對流道1中的熱空氣起到了降溫作用。18:00前有太陽輻射時，關閉流道1室內平均溫度也較低，這是由于流道1內沒有室外空氣送入，就沒有流動的空氣能夠帶走多孔墻中的吸收的太陽熱能，造成熱能的損失。由此可知，過早關閉流道1，太陽輻射的熱能不能及時被流道1中的空氣吸收；過晚關閉流道1，會有室外低溫冷空氣進入，會增加熱損失。因此，在17：00關閉空氣流道1為較優(yōu)選擇，與文獻[5]中結論相吻合。

圖4 不同關閉時間對室內平均溫度的影響

3 結論

通過對雙流道多孔太陽墻的數(shù)值模擬計算，主要得到以下結論：采暖房室內最高平均溫度為289.17 K，與室外環(huán)境的溫差為9.92 K，最低平均溫度為278.50 K，與室外環(huán)境溫差為6.95 K；空氣流道1的空氣平均溫度在15：00時達到最高值301.06 K，與室外環(huán)境溫差為22.51 K；過早或過晚關閉空氣流道1均會對室內平均溫度產生影響，在17：00關閉空氣流道1為較優(yōu)關閉時間。