基于CFD 模拟的太阳能墙空气间层气流组织优化设计研究

夏 婧 贾 欣 戴佳馨 吴艳芳 王良煜

（大连大学建筑工程学院，辽宁 大连116600）

1 概述

随着社会和科技的进步，全球变暖所产生的影响不仅是气候和全球环境领域的问题，更是一个涉及到人类社会生产、消费、生活方式以及生存空间等社会和经济发展领域的重大问题。生活中碳排放随处可见，而碳排放量最大的行业却是建筑业和房地产业，由它及其产业链产生的温室效应占碳排放总量的3/4（孙楠2010）。为了保持能源、经济和环境的可持续发展，建筑节能设计显得尤为重要。从太阳能、墙体材料、保温技术、门窗、暖通空调等方面在建筑节能中应用新技术、新材料（徐立松2009）以及节能设计中充分利用太阳能与建筑的结合应用，将是建筑节能发展的趋势。谢宜燕等人研究结果表明，我国北方采暖区安装太阳墙系统是完全可行的，具有明显的节能与减排效果，且部分地区的经济效益很可观，太阳墙系统在我国北方采暖区有着广阔的应用市场和巨大的节能减排潜力（谢宜燕等2011）。太阳能取之不尽、用之不竭，成本低廉，洁净，安全，对供暖这种低品位热量需求时具有很大的优势。王莹钰等建立了太阳能房的物理模型，并根据热力学第一定律建立了太阳能房的数学模型（王莹钰等2014）。通过数值模拟给出了太阳能墙体各部位温度分布，通过该次研究为太阳能集热墙的设计提供了参考和理论指导。王莹钰等研究分析发现实体墙在厚度方向上的温度分布出现明显分层（王莹钰2014）。邢秉元等基于FLUENT 软件的基础上，建立了基本的数学模型（邢秉元等2012），着重研究了太阳能集热板孔径尺寸及太阳辐射强度对太阳能墙系统的热性能影响，得出了最佳的集热板孔径的数据。本文主要利用ANSYS CFD 对建立的太阳墙实验系统进行模拟，得到实验工况下的速度场、压力场和流线图，优化太阳能墙。

2 模拟分析

2.1 网格模拟及质量检测。根据真实实验台的设置，在ICEM CFD 软件中做出了与之相匹配的几何模型（见图1）。接下来进行边界的定义，块操作创建出了二维网格，即结构化网格（见图4）并采取了两种方式进行了网格质量的检测（见图5），都证明了我们所创建的结构化网格质量很好，采用porous jump边界条件处理带有微孔的集热板。

2.2 速度场。我们在前面通过使用ICEM CFD 网格构造功能构造出了我们所需的网格，再将其导入到Fluent 软件中，接下来设置边界条件进行模拟复杂流动，得到了气体的速度场、压力场以及对应的流线图。

图3 网格质量检测

在速度场的图中（见图4），可以看到，在最外侧的阳光板与集热板之间的外腔速度是较高的，这是因为我们采用的是下口进风上口出风的流动方式，空气从外腔流动，导致此处速度较高。而上处的出风口由于靠近室内风机位置，风速出现了一个高速点。中部的深蓝色区域，即为空气内腔，内部空气流动不充分，导致速度较低。最底部的深蓝色是由于基本上空气无法到达，导致空气淤积，没有流动情况，速度最低。

2.3 压力场。在压力场的图中（见图5），可以看出，最下部的深红色区域，表示它的压力较大，由于空气堆积，几乎不流动，而产生了一个增压区，而导致压力有所增加。中部的淡蓝色区域是由于空气流动充分，根据空气流动公式可以知道，流动速度越大，压力越小，因此它相对于上下两端，压力相对下降。

图4 速度场

图5 压力场

2.4 流线图。在流线图中（见图6），从图中可以看出，图中左侧的蓝色区域，流线组成了一个漩涡，右边的橙色区域流线也形成了一个漩涡，说明在整个太阳能墙中，流动是分为外腔和内腔两腔流动的。最左边的流线箭头向下，中间的流线箭头向上，最外侧的流线箭头总体向上，表明空气从下部进入之后，从外腔沿着阳光板向上流动，被风机从顶部抽入室内，但仍存在部分空气未被风机抽出，直接从内墙向下流动，产生回流，导致集热板后侧的热量并未得到充分的利用，利用率降低。

3 讨论

太阳能墙集热板上有许多小孔，在墙板与建筑外墙之间的负压作用下，外部空气由集热板的小孔抽入空腔内。虽然有孔的孔板热损失小，有较好的集热效率，但在模拟中仍然发现集热板的热量没能得到很好的利用，模拟发现集热板后侧的热量没有能得到充分的利用，热利用率没有达到最高。而影响集热板后方集热效率的因素与空气不能被抽出而自循环有关。

图6 流线图

4 结论

邢秉元等基于Fluent 软件的基础上，建立了基本的数学模型，着重研究了太阳能集热板孔径尺寸及太阳辐射强度对太阳能墙系统的热性能影响，得出了最佳的集热板孔径的数据。在本次研究通过Fluent 软件模拟出了空气在太阳能墙间层的速度场、压力场及其流线图，在模拟得出的数据中，发现了空气在太阳能墙底部会存在一定的空气堆积，并且在集热板的后侧也发现了热量没能得到充分利用现象。因此在今后的模拟实验中着重解决太阳能利用率问题，不断优化太阳能墙空气间层。积极响应我国的可持续发展观这一理念，为改善能源利用和提高人民生活得幸福指数贡献绵薄之力。