太阳能集热保温墙材热工性能的研究与分析

王 军

（山东建筑大学 热能工程学院，济南 250101）

太阳能集热保温墙材热工性能的研究与分析

王 军

（山东建筑大学 热能工程学院，济南 250101）

本文以太阳能集热保温墙材为对象进行分析。太阳能集热板的温度在保温墙材达到一定厚度后，对墙材内部温度的影响逐渐减弱，导热系数较高的保温墙材内部出现的最低温度数值较小，无外界热源时损失较大。

太阳能 保温 热工性能

引言

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础，对国民经济的提升起着十分重要的作用。目前，随着社会的发展和人们生活水平的提高，对能源的需求量越来越大，节能降耗成为当前的重要解决方向。由于城市化的发展，大量的商品住房入市，建筑耗能已占我国社会总能耗的近50%，其中外墙能量损失又占建筑耗能的60%，建筑节能特别是外墙体的保温节能，是建筑领域节能减排的首要问题。

在建筑物能量消耗中尽可能利用天然能源，既可以降低能耗又可以防止污染。太阳能是一种清洁易获得的能源。在建筑物能量系统中，以太阳能为热源的多孔介质保温系统可以起到良好的降低建筑物能耗作用，具有显著的节能减排效果[1]。

多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质。Nick H.M.和Schotting R.利用充液多孔介质，分析其固体骨架与孔内流体流动的力学行为，对多孔介质的动态响应进行了定量数值分析。

多孔介质由于自身特性，可以作为良好的保温材料。它的主要物理特征是空隙尺寸极其微小，比表面积数值很大；内部的微小空隙可能是互相连通的，也可能是部分连通的；空隙中充满空气时，既可以储存热量又可以利用空气的热物性减少热量散失。

1 保温材料实物模型

实物模型如图1所示。模型宽度用h表示，高度为L。在x=0处，设置有覆盖选择性涂层的金属板，以有效吸收太阳辐射能。太阳辐射能的传递方向，为带涂层金属板-多孔介质保温材料。

图1 保温材料实物模型

2 数学模型

2.1 传热方程式[3-4]

传热过程的分析以N-S方程为基础。根据外墙保温材

料的结构特点，方程式有如下形式。连续性方程：

热量传递主要沿x方向进行，在y方向近似绝热。因此，动量方程中只列出了x方向的方程式。

2.2 多孔介质方程式

多孔介质模型方程式利用文献[5]中给出的Brinkman Forch-heimer Extender Darcy模型进行分析。

连续性方程：

2.3 初始条件

τ =0,Tw=const,Ux=Uy=0

2.4 环境条件

式中，Tr、Tb依次为环境气温日平均值、日变幅值；

Gmax为太阳日辐射最大值；a、b分别为日出、日落时刻。

3 结果分析

本文选择不同导热系数、不同厚度的多孔介质保温墙材进行数值分析，从而对其内部温度变化、热传导情况进行探讨。

3.1 壁面温度对热传导的影响

不同的太阳辐射强度可以使太阳能集热板表面达到不同的温度。本文以两种不同壁面温度进行分析，其内部温度变化如图2所示。

图2 不同温度下保温墙材内部温度变化

根据温度分布图，壁温较高时，在保温材料内部，温度的下降较为迅速；壁温较低时，温度下降趋势缓慢；在保温材料达到一定厚度时，壁面温度的影响不再明显；不同壁面温度下，保温材料内部的温度变化具有相同特点。

3.2 墙材内表面温度变化

以导热系数为0.3w/(m·K)和0.5w/(m·K)的两种保温墙材为对象进行分析，研究其24小时之内保温墙材内表面温度变化。

图3 墙材内表面温度变化

由图3可见，两种保温材料在太阳辐射下，内表面温度都可以逐步升高。导热系数较大的材料温升较为迅速；太阳辐射减弱时，导热系数较低的材料温度下降较为缓慢，可以维持较长时间的保温效果。

4 结论

（1）保温材料的布置要按照合理的厚度进行。过大的厚度，对于保温效果不会有较大的改善。由于热传递路径的增加，可能会带来更多能量损失。

（2）导热系数较高的保温材料对于太阳辐射较为敏感。太阳辐射较强时，有较好的蓄热能力；太阳辐射减弱时，能量损失较快。

（3）随着导热系数的减小，保温墙内表面温度可以在较长时间维持较高温度，对于室内保温有较好效果。

[1]王崇杰，何文晶，薛一冰.欧美建筑设计中太阳墙的应用[J].建筑学报，2004，（8）：77-79.

[2]Ben Yedder R，Bilgen E.Natural Convection and Conduction in Trombe Wall Systems[J].Intemational Journal of Heat andMass Transfer，1991，34（4/5）：1237.

[3]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

[4]杜建华，王补宣.带内热源多孔介质中的受迫对流换热叨[J].工程热物理学报，1999，20（1）：69-73.

[5]Liesen R J，Pedersom C O.Modeling the Energy Effects of Combined Heat and Mass Transfer in Builing Elements：Part l-Theory[J].ASHRAE Transactions，1999，105（2）：941-953.

Analysis of the Thermal Performance in Insulation Wall with Solar Collector

WANG Jun
(Department of Thermal Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101)

In this paper, solar heating insulation wall material were analyzed, the impact of the solar collector on the internal wall temperature decreased after the insulation wall material reached a certain thickness. The minimum temperature appeared in the insulation wall with higher thermal conductivity, the heat loss is larger when there is no extral heat source.

solar energy, insulation, thermal performance