特朗勃墙系统集热技术强化研究

王蕴芝，周文和，欧阳焕英

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州730070)

1 引言

近年来随着建筑采暖能耗的不断增加，环境和生态平衡遭到严重破坏，不可再生能源匮乏，节能环保、发展绿色建筑已经成为时代主旋律。被动式太阳房是一种充分利用太阳能资源的建筑形式，节能效果显著，近年来国内外研究学者对其进行了大量研究。

Duffina和Knowles[1]给出了一个基于线性传递理论的Trombe墙模型，该模型可以对影响墙体热性能的参数进行分析；Tamara Bajc[2]通过数值研究的方法得出了采用不同材料墙体时太阳房温度场、速度场的变化规律。段双平[3]通过理论分析方法研究了冬季太阳房墙体导热供热量等参数随太阳辐射强度的变化规律；华北电力大学吴彦廷等[4]对太阳能相变集热蓄热墙系统进行简化，建立了二维模型。

本文采用了模拟的方法对被动式太阳房集热墙通风孔的大小对室内温度及空气流速带来的影响做了进一步的研究。

2 工作原理

如图1所示，作为建筑外围护结构的特朗勃墙由玻璃层、空气夹层、集热蓄热墙及其通风孔、玻璃窗等组成，当有太阳光照射时，集热蓄热墙上的吸热板升温加热空气层中空气的温度，空气通过上通风孔流入，从下通风孔置换出室内的冷空气从而达到供热的效果。

图1 太阳能集热墙系统简化模型示意

3 模型建立

3.1 物理模型

本次模拟房间为青藏线不冻泉站生活、办公综合楼某房间，位于北纬35°13′，东经93°05′，海拔4612 m之处。该地区最低温度可达－41℃，为常年冻土区，但太阳能资源充足。此房间属于被动式太阳房，正南方向布置，层高3.40 m，太阳墙宽3.6 m，径深5.1 m。

3.2 数学模型

连续性方程：

能量连续性方程：

动量连续性方程：

4 数值模拟方法

4.1 模型验证

为了验证数值计算方法的准确性，根据青藏线的实验数据，对三维系统进行了数值模拟，所得模拟结果与实验数据中的相应值符合较好误差在±5%以内，如图2、图3所示。

4.2 模拟结果分析

将空气夹层宽度设定为15 cm，其他条件不变，通风孔的大小占墙面积分别为0.5%、1%、1.5%和2%，选取9：00～18：00的太阳辐射强度对改进型太阳房进行模拟，探讨其对特朗勃墙集热效果的影响。下面列举11：00室内平均温度模拟结果进行分析，如表1所示。

表1 不同面积温度

从表1中可以看出通风孔面积为1%时室内平均温度较高，在11：00，相比其他通风孔面积可以提高1～3℃左右，说明集热墙集热效果较好，将青藏线某房间改造成通风孔面积为1%，可以提高及集热性能，节省采暖能量，符合绿色节能要求。

图2 模型出口空气温度与实验数据对比

5 结论

根据青藏线太阳辐射特点和房间模型，建立三维模型，模拟得出了不同通风孔面积的温度和速度变化规律，通过分析太阳能相变集热墙系统的送风风速及房间内温度的分布规律，对比得出通风孔面积为1%时，室内温度高于通风孔面积为0.5%、1.5%和2%的温度，并且室内空气流动较其他两个更均匀，热舒适性较好。

图3 模型空气流量与实验数据对比