內置式PV-Trombe墻自然通風的數值研究

徐小煒，蘇亞欣

(東華大學 環境學院，上海 201620)

內置式PV-Trombe墻自然通風的數值研究

徐小煒，蘇亞欣

(東華大學 環境學院，上海 201620)

提出了一種新的內置式PV-Trombe墻模型，并通過CFD方法對自然通風進行了數值模擬。分析了太陽輻射和流道寬度對氣流模式和通風量的影響。結果表明，太陽輻射、流道寬度和高度對通風量的影響非常明顯。通風量隨太陽輻射強度和高度的增加而增大。當流道寬度從0.1 m增加到0.4 m時，通風量呈單調遞增趨勢，然而當寬度增加到0.5 m時，流道頂部區域的空氣出現回流并且通風量開始減小。對于3 m高的模型，最大通風量出現在流道寬度等于0.4 m時。流道寬度是影響流道內空氣自然對流的流動形態的主要因素，當流道寬度尺寸在0.1～0.4 m之間時，流道內的空氣為層流熱分層流動。當寬度超過0.5 m后，流道上部區域出現的回流使得熱分層流動消失，空氣從層流向湍流轉變。

自然通風；內置式PV-Trombe墻；CFD模擬

太陽能煙囪是一種利用自然通風原理實現建筑的暖通空調的被動式太陽能利用技術[1]。Trombe墻是一種典型的太陽能煙囪，作為一種高效節能的被動式太陽能系統，通常被應用于新建和現有建筑的南墻外立面。典型的Trombe墻結構由朝南方向的集熱墻以及一個覆蓋在集熱墻外面并與之保持一定間距的玻璃蓋板構成。太陽輻射穿過玻璃蓋板被集熱墻吸收并儲存，被加熱后的墻體則通過自然對流換熱的方式加熱流道內的空氣，驅動空氣向上流動，形成自然通風。通過控制Trombe墻上、下的閥門的出口方向達到通風、供暖以及冷卻的目的。目前，研究人員對Trombe內墻空氣的通風、傳熱特性及隨太陽輻射瞬時變化的動態響應特性等進行了大量的理論與實驗研究[2-6]。

光伏建筑一體化Trombe墻(PV-Trombe墻)將光伏電池與Trombe墻相結合，能同時產生熱能和電能。季杰等[7-9]提出了一種將光伏電池貼于傳統Trombe墻玻璃蓋板內側的PV-TTrombe墻結構，并利用傳熱理論建立了其能量平衡的數學模型，得到了有關空氣以及墻、玻璃等的溫度分布等規律[7-8]。雖然該PV-Trombe墻能同時提供熱能和電能，但是隨著光伏電池在玻璃蓋板上的覆蓋率的增加，Trombe墻的熱效率減小，最大減小17%。當玻璃蓋板被光伏電池全部覆蓋后，即使考慮光電轉換效率，該PV-Trombe墻對太陽能利用的總效率仍然會降低5%[10]。數值模擬結果也表明[11]，當玻璃蓋板貼上光伏電池后，Trombe墻流道內以及室內的空氣溫度都會降低，而這將會減弱系統的供熱或通風效果。其原因是光伏電池阻擋了太陽光進入流道內，減少了集熱墻的得熱量，從而削弱了了流道內的自然通風。

為進一步提高對太陽能的綜合利用率，本文提出了一種新的內置式PV-Trombe墻，它將光伏電池貼在Trombe墻的集熱墻表面，太陽輻射完全穿過玻璃蓋板進入Trombe墻內，并被集熱墻表面的太陽能電池吸收，一部分太陽輻射發電，其余部分則用于加熱通道內的空氣。本文采用計算流體力學(CFD)方法研究該內置式PV-Trombe墻內部的空氣流動與通風特性。

1 數值模擬計算說明

1.1 內置式PV-Trombe墻的模型

內置式PV-Trombe墻的物理模型和簡化模型如圖1所示。該物理模型主要包括外部的玻璃蓋板，鋪設在集熱墻表面的光伏電池面板；電池與墻面之間以絕熱材料相隔，玻璃蓋板與光伏面板之間構成一個帶開口的空氣流道。太陽輻射能透過玻璃被電池吸收，其中一小部分轉化成電能，剩下的絕大部分轉化成熱能，使電池的溫度升高。流道內的空氣與電池表面進行自然對流換熱，空氣受熱后便產生自下而上的流動，形成自然通風。流動的空氣帶走電池表面熱量、冷卻電池表面，電池的溫度降低，使電池發電效率得到提高。

在簡化模型中，玻璃和光伏面板兩側受太陽輻射S所獲得的恒定熱流密度分別用q1和q2表示，流道的高度和寬度用H和b表示，兩者的變化范圍分別為1～6 m和0.1～0.6 m。空氣流經模型底部的水平進口進入空氣流道并由豎直出口流出，開口大小與Trombe墻空氣流道的寬度相等。并假設模型底部黑色粗線標識部分為絕熱墻體。

圖1 內置式PV-Trombe墻的物理模型及簡化模型

1.2 數值模型

Gan[12]對典型的Trombe墻內自然通風的CFD模擬表明，采用RNG κ-ε湍流模型的計算結果與實驗數據基本吻合。因此采用能較好的處理低雷諾數和近壁流動問題的RNG κ-ε模型模擬流道內空氣的的流動和傳熱情況。Boussinesq假設用于處理動量方程中因溫差而引起的浮力項的改變。基于以上假設，對于二維穩態、不可壓縮的浮力驅動流，其流動和傳熱的通用控制方程可寫為：

式中：Φ代表xi方向上的平均速度vi、湍流參數或者是平均溫度；ΓΦ表示擴散系數，SΦ為變量Φ的源項。

離散坐標輻射(DO)模型用于計算玻璃與光伏電池之間的輻射換熱。考慮到近壁面處溫度梯度和速度梯度變化較大，壁面附近選用增強壁面函數法進行處理。在計算過程中不斷細化網格，最終得到計算結果與網格無關的網格尺寸。本文模擬中，模型的水平進口和豎直出口設為壓力進口和壓力出口；玻璃蓋板和光伏電池表面的熱流密度恒定，具體數值需結合太陽輻射強度大小經計算確定。采用二階迎風格式對方程進行離散，用SIMPLE法進行求解，采用Fluent 6.3[13]完成計算。

2 數值計算結果與分析

2.1 模擬方法的可靠性驗證

Gan[5]運用CFD方法對二維通風腔內空氣流動特點進行模擬計算。運用本文模擬方法計算Gan[5]所研究的豎直通風腔，并將流道內空氣體積流量的計算結果與Gan[5]中的相關數據作對比來確認本文模擬方法的可靠性，對比結果如圖2和圖3所示。從圖中可以明顯看出，本文模擬結果與原文數據基本一致，證明了本文模擬方法的可靠性并可以用于對內置式PV-Trombe墻通風性能的進一步研究。

圖2 b=0.1 m時流道內空氣體積流量對比結果

圖3 b=0.3 m時流道內空氣體積流量對比結果

2.2 太陽輻射對流道內氣流的影響

內置式PV-Trombe墻內部的空氣流動是影響流道內光伏電池表面傳熱系數和通風量大小的關鍵因素。空氣流動受到包括太陽輻射強度、流道高度和寬度等參數的影響。太陽輻射是使空氣受熱并產生向上流動的能量來源。流道被空氣的壓力分布、流速矢量分布以及自然通風的空氣體積流量的計算結果如圖4～7所示。

當內置式PV-Trombe墻的幾何尺寸相同時，隨著太陽輻射強度的增加，太陽能電池吸收了更多的太陽輻射后，流經太陽能電池表面的空氣通過自然對流換熱也得到更多的熱量，因此，其上升的速度將增加，從而引起了內部壓力的降低，如圖4所示。對比在同一高度上的壓力分布發現，隨著太陽輻射強度的增加，沿Trombe墻的相同高度上空氣的負壓的絕對值增大，這表明，通道內空氣的流速增加了，即太陽輻射強度使得Trombe墻內的自然通風增強。圖4中所示的壓力等值線的水平分布特點表明，當H=3 m,b=0.3 m時，Trombe墻內的空氣呈熱分層流動。

圖4 流道內壓力場分布圖(Pa)(H=3 m,b=0.3 m，圖中太陽輻射強度S的單位為W/m2)

圖5 流道內速度矢量分布圖(H=3 m,b=0.3 m，圖中太陽輻射強度S的單位為W/m2 )

從圖5中所示的速度矢量圖中可以看出，在空氣進口處都會產生局部的渦流區。在右側墻體表面的光伏電池吸收太陽輻射能并加熱空氣，因此空氣沿著PV面板形成自然對流邊界層，該邊界層未出現局部旋渦，為層流。圖6為在Trombe墻內高度為1.5 m處的局部空氣速度沿流道寬度方向的分布，它表明在Trombe墻內右側墻體表面附近的空氣速度最大，且流道內的空氣速度隨太陽輻射強度的增加而增大。空氣流速的增加必然使得Trombe墻的通風量增加。圖7表示通風量隨著太陽輻射強度的變化規律。通風量的定義為流道截面面積和出口處平均速度的乘積。結果表明隨著太陽輻射的增強，通風量隨之增加。

圖6 截面高度為1.5 m處的速度沿寬度方向的分布圖

圖7 空氣體積流量隨太陽輻射的變化曲線

2.3 流道寬度對流道內氣流的影響

前人的研究表明，Trombe墻的流道寬度是影響Trombe墻自然通風量的主要因素之一[12，14]。Gan[12]通過CFD方法模擬一個傳統的Trombe墻的自然通風特性時發現，對于開口大小等于流道寬度的Trombe墻，當流道寬度在0.05～0.4 m之間時，空氣流量隨流道寬度的增大而持續增加。Burek和Habeb[14]通過實驗對傳統的Trombe墻內的空氣流動特性的研究結果也表明當流道寬度在0.02～0.12 m范圍內變化時，空氣流量也表現出類似分布規律。為深入分析流道寬度的影響，作者對高度H=3 m和太陽輻射強度S=400 W/m2時，流道寬度對內置式PV-Trombe墻的流動特性的影響進行了計算，結果如圖8～11所示。

圖8 寬度不同時流道內壓力場分布 (Pa)(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖9 寬度不同時流道內速度矢量分布圖(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖8表明，隨著流道寬度的增加，內置式PV-Trombe墻流道內在相同高度上的負壓等壓線的絕對值逐漸減小，表明空氣受熱上升的速度有所減小。當太陽輻射強度一定時，被吸熱墻表面的太陽能電池吸收的熱量一定，而隨著流道寬度的增加，流經電池表面的空氣質量增多，因而空氣被加熱后溫度升高的幅度減弱，使得其因熱浮力而產生的上升運動減弱。當流道寬度小于0.4 m時，等壓線 呈水平分布，表明流道內的空氣保持熱分層流動特點。圖9的速度矢量分布表明，隨著流道寬度的增加，流道內空氣向上運動的速度減小。在右側電池表面形成的自然對流邊界層中未出現旋渦，因此其流動為層流。隨著流道寬度的繼續增加，如當b超過0.5 m后，流道內的等壓線變為曲線，如圖8所示，而圖9的速度矢量圖則表明在流道上部出現了回流旋渦，流道內的氣流也不再是熱分層流動，流動模式發生改變。

自然對流流動的流態可以用Gr數來表征。對于均勻受熱壁面，定義下面的Gr數[15]：

當太陽輻射S=400 W/m2，煙囪高度H=3 m時，由式(2)計算出不同寬度時的Gr數，如表1所示。

表1 不同寬度時的Gr數

單側豎直熱壁面表面發生自然對流時，當式(2)定義的Gr數的大小為104～3×109時，流動為層流；當Gr數的大小為3×109～2×1010時，流動處于過渡區；當Gr數>2×1010后流動為湍流[15]。由表1的不同寬度時Gr數的大小可知，隨著寬度的增加，煙囪內的空氣流動逐漸從層流向湍流轉化，因而出現了局部旋渦。

圖10 不同寬度時流道內空氣流線圖(H=3 m，S=400 W/m2，圖中寬度b的單位為m)

圖11 空氣體積流量隨寬度的變化曲線(H=3 m)

圖10給出了流道內空氣流動的流線，清楚了表明了隨著寬度的增加，空氣流動方式逐漸從層流向湍流轉變。回流的產生會增加額外的空氣流動阻力，因此流道的通風量也受到影響。圖11為通風量隨流道寬度的變化曲線。當寬度從0.2 m增加到0.4 m時，通風量呈遞增趨勢。而當寬度超過0.5 m之后，通風量隨之下降。

2.4 高度對流道內氣流的影響

圖12 S=400 W/m2，b=0.3 m時等壓線分布(單位：Pa，其中高度H變化范圍為1～6 m)

內置式PV-Trombe墻的高度對流道內氣流的影響如圖12～13所示。當S=400 W/m2，b=0.3 m時，流道內的等壓線隨著高度的增加依然保持水平，而沒有出現彎曲，如圖12所示。這說明隨著高度的增加，流道內并沒有出現渦流，空氣依然保持了熱分層流動。從等壓線的絕對值的變化特點來看，隨著高度的增加，流道內的負壓的絕對值增大，表明空氣向上流動的速度增加了。圖13的速度矢量圖更加清楚地表明了這一變化特點。這是由于高度增加后，空氣在上升的沿程中吸收了更多的太陽輻射，其浮力增加，因而上升的速度增大。由于流道內未形成局部渦流，因而其流動本質上是層流。當空氣速度隨Trombe墻的高度增加而增大時，通風量也必然增大，結果如圖14所示。因此，內置式PV-Trombe墻的高度不影響流道內的空氣的流態，而流道寬度則是影響通道內空氣流態的主要參數。

圖13 S=400 W/m2，b=0.3 m時速度矢量分布(單位：m/s，其中高度H變化范圍為1～6 m)

圖14 高度對通風量的影響(b= 0.3 m)

3 結 論

提出了一種以同時實現自然通風和發電新的內置式PV-Trombe墻，并采用CFD方法對流道內空氣流動進行了數值模擬，分析了太陽輻射、流道寬度、高度對空氣流動模式和通風量的影響。從本文的研究結果可以得出以下結論：

1)內置式PV-Trombe墻的隨太陽輻射的增強而增大。隨著太陽輻射強度的增加，通道內空氣的流速增加，通風量增大。當H=3 m,b=0.3 m時，Trombe墻內的空氣呈熱分層流動。

2)流道寬度是影響流道內空氣自然對流的流動形態的主要因素。當流道寬度尺寸在0.1～0.4 m之間時，流道內的空氣為層流熱分層流動，通風量隨寬度的增加而增大。而當寬度超過0.5 m后，流道上部區域出現回流，空氣從層流向湍流轉變，熱分層流動消失，通風量隨寬度的增加而減小。當模型高度H=3 m而寬度為0.4 m時，流道內空氣的體積流量達到最大值。

3)內置式PV-Trombe墻的高度不影響流道內的空氣的流態，隨著高度的增加，流道內的空氣向上流動的速度增加，從而通風量增大。不同高度時空氣依然保持熱分層流動。

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(編輯 胡 玲)

NumericalanalysisofNaturalVentilationinBuilt-inPhotovoltaic-TrombeWall

XuXiaowei,SuYaxin

(School of Environmental Science and Engineering, Donghua University,Shanghai 201620, P.R.China)

The natural ventilation in a novel built-in photovoltaic-Trombe wall (BiPV-TW) was numerically simulated by CFD method. The effect of solar radiation, channel width and height on the air flow pattern and ventilation rate was analyzed. Results show that the solar radiation, channel width and height influenced the ventilation rate remarkably. As the solar radiation and BiPV-TW height increased,the ventilation rate increased. As the channel width increasing from 0.1 m to 0.4 m, the ventilation rate monotonously increased. However, when the channel width exceeded 0.5 m, the reverse flow was formed in the top zone and the ventilation rate decreased. A maximum air volume flow rate was achieved when the channel width was approximately equal to 0.4 m in a 3 m height model. The channel width was the dominant factor that influenced the flow pattern in the channel. When the channel width was smaller than 0.4 m, the airflow was thermally stratified laminar flow. When the channel width exceeded 0.5 m, thermally stratified flow disappeared due to the reverse flow formed in the top zone and the laminar flow became turbulent.

natural ventilation; built-in photovoltaic-Trombe wall; CFD simulation

10.11835/j.issn.1674-4764.2014.05.004

2014-01-18

國家自然科學基金(51278095)

徐小煒(1988-)，男，主要從事建筑節能及新能源與建筑一體化研究，(E-mail)xuxiaowei0118@foxmail.com。 蘇亞欣(通信作者)，男，教授，博士,(E-mail)suyx@dhu.edu.cn。

TK 519

A

1674-4764(2014)05-0023-06