光伏光热墙体结构优化模拟研究

2024-04-03李佳琪蔡庆峰王晓梦王泽林

煤气与热力 2024年2期

李佳琪, 刘芳, 蔡庆峰, 王晓梦, 王泽林

(山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101)

1 概述

随着经济发展和城市建设不断推进,化石能源消耗持续增加。在全球范围内,建筑能耗约占能耗总量的40%左右。为减少建筑能耗,众多学者对太阳能利用进行了广泛研究。太阳能空气集热器是太阳能利用的主要装置之一,太阳能光伏光热系统能够将接收的太阳能同时转化为电和热[1-3]。

特朗伯墙是一种依靠墙体独特的构造设计,无机械动力、无传统能源消耗,仅依靠被动式收集太阳能为建筑供暖的集热墙体。特朗伯墙由法国太阳能实验室主任Trombe教授及其合作者首先提出并实验成功,因此称为Trombewall(特朗伯墙)。众多学者基于特朗伯墙原理进行了实验和模拟研究。Peng等人[4-5]研究了不同通风模式下的通风光伏立面墙的电热性能,并针对不同天气条件提出了适当的运行策略。实验结果表明,通风模式可降低光伏组件的工作温度,从而提高系统的发电效率。虞丽丹[6]对光伏光热墙体系统流道内空气流动的传热特性进行分析,结果表明,可以在允许的范围内尽量增加流道的高度,但流道的宽度一般不宜大于70 mm;当高宽比大于30时,更有利于流道内的流动传热。Alberto等人[7]认为对双层幕墙效率影响最大的是气流路径,双层立面结构能够最大限度降低气隙内部空气温度。Preet等人[8]发现合理的空气流道和风速组合可显著提高光伏系统的电功率输出。Zhu等人[9]提出了一种设置双层相变材料板的特朗伯墙,结果表明,相变材料板可改善建筑围护结构的全年热性能。Ling等人[10]和Meng等人[11]证明了相变材料能够降低建筑能耗、提高用能效率。Preet等人[12]分析指出,将相变材料与光伏光热系统结合可提高发电效率和热效率。

研究表明,光伏板温度上升1 ℃,光电转换效率下降0.3%～0.5%。而风道与光伏板的结合既有利于光伏板降温,也可以拓宽光伏光热系统在建筑中的应用。本文提出4种光伏光热墙体,针对夏季工况,对4种光伏光热墙体的出口温度、空气得热量、光伏板表面温度进行模拟。

2 物理模型

光伏光热墙体高×宽×厚为1 700 mm×1 000 mm×304 mm。由室外到室内依次为:玻璃盖板、光伏板、空气通道、砖墙。玻璃盖板高×宽×厚为1 700 mm×1 000 mm×4 mm。光伏板长×宽×厚为1 000 mm×700 mm×4 mm,安装在墙体高度中间部分。空气通道进、出口截面尺寸均为1 000 mm×100 mm。砖墙高×宽×厚为1 700 mm×1 000 mm×200 mm,当设置相变材料时砖墙厚度含相变材料厚度(60 mm)。4种光伏光热墙体物理模型见图1。各模型均由玻璃盖板、光伏板、空气通道、砖墙组成,模型1、2的光伏板紧贴玻璃盖板内侧,模型3、4的光伏板置于空气通道中间,模型2、4在砖墙一侧增设相变材料层。相变材料选用石蜡,光伏光热墙体各种材料的热物性参数见表1。空气密度由数学模型计算得到。

表1 光伏光热墙体各种材料的热物性参数

图1 4种光伏光热墙体物理模型

3 数学模型

3.1 主要数学方程

光伏墙体的热量传递主要是沿着墙体厚度方向。为简化计算,进行以下设定:光伏墙体内各层材料均为各向同性。相变过程中,相变材料除了密度发生变化外,比热容、热导率均不变。不考虑相变材料固液两相之间的对流。忽略光伏墙体各层材料之间的接触热阻。

① 空气层

连续性方程:

div(ρu)=0

(1)

式中 div——散度

ρ——空气密度,kg/m3

u——空气速度矢量,m/s

动量方程:

ρ(udivu)=-divp+divμ(gradu)

(2)

(3)

(4)

式中u——空气速度分量,m/s

p——空气压力,Pa

μ——空气动力黏度,Pa·s

grad——梯度

k——湍流动能,J

μT——湍流黏性系数,Pa·s

σk——模型常数,取1.00

Pk——湍流动能生成项

ε——湍流耗散率

σε——模型常数,取1.30

C1——模型常数,取1.44

C2——模型常数,取1.92

② 砖墙传热方程

砖墙接收太阳能,热量的传递过程主要为导热,传热方程为:

(5)

式中ρw——墙体材料密度,kg/m3

cw——墙体材料比热容,J/(kg·K)

θw——墙体材料温度,K

t——时间,s

λ——墙体材料热导率,W/(m·K)

Q——热源项,指吸收的太阳辐射热,W/m3

光伏板吸收太阳辐射后,与空气层内空气对流传热。玻璃盖板外表面与室外空气对流传热,玻璃盖板内表面与空气层内空气对流传热,玻璃盖板视为通过大平壁的一维导热。

相变材料的能量方程为:

h=hs+hL

(6)

(7)

hL=fHi

(8)

f=0,θ≤θs

(9)

(10)

f=1,θ≥θL

(11)

式中h——相变材料比焓,J/kg

hs——相变材料显热比焓,J/kg

hL——相变材料潜热比焓,J/kg

θ——相变材料温度,℃

θret——相变材料初始温度,℃

cPCM——相变材料比热容,J/(kg·K)

f——液相率

Hi——相变潜热,J/kg

θs——相变材料凝固温度,℃,本文取26 ℃

θL——相变材料熔化温度,℃,本文取28 ℃

3.2 模拟软件

笔者采用COMSOL软件进行模拟,建立光伏光热墙体的三维模型。模型主要考虑辐射传热、固体部件内部传热、流体的湍流和外界环境的对流。模型将传热方程与流体流动的N-S方程和连续性方程进行耦合。

3.3 边界条件与初始条件

玻璃盖板外表面与室外空气进行对流传热,玻璃盖板外表面传热系数为1.0 W/(m2·K)。砖墙内壁面与室内空气进行对流换热,砖墙内壁面表面传热系数为1.5 W/(m2·K),室内环境温度设为25 ℃。除空气通道进出口外,光伏光热墙体四周均为绝热条件,空气通道进口风速变化范围为0.1～0.5 m/s。模型初始状态温度为25 ℃,进风温度为室外温度。室外温度、太阳辐照度随时间的变化见图2[13]。图中时段编号7表示[6:00,7:00),时段编号8表示[7:00,8:00),以此类推。模拟时间为7:00—24:00。

图2 室外温度、太阳辐照度随时间的变化

3.4 网格无关性验证

模型采用自由四面体进行网格划分,在各层边界处对网格进行加密处理。进口风速为0.1 m/s,各模型不同网格数10:30时空气通道出口温度见表2。由表2可知,当网格数超过51 267后,随着网格数增加,出口温度变化很小,说明网格数继续增加对模拟计算结果的影响可以忽略。因此,为平衡计算时间和精度,模型网格数选取51 267。

表2 各模型不同网格数10:30时空气通道出口温度

3.5 模型验证

为验证模型的准确性,建立与文献[14]的特朗伯墙相同结构的物理模型。在进口风速为1 m/s条件下,采用本文的模型模拟出口温度,并与文献[14]的实验出口温度进行比较。室外温度、太阳辐照度来自文献[14]。模拟出口温度与实验出口温度见图3。由图3可知,模拟出口温度与实验出口温度变化趋势一致。与实验出口温度相比,模拟出口温度的最大相对误差绝对值为4.29%。因此,模型的准确性比较高。