太陽能集熱保溫墻材熱工性能的研究與分析

王 軍

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

太陽能集熱保溫墻材熱工性能的研究與分析

王 軍

（山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

本文以太陽能集熱保溫墻材為對象進(jìn)行分析。太陽能集熱板的溫度在保溫墻材達(dá)到一定厚度后，對墻材內(nèi)部溫度的影響逐漸減弱，導(dǎo)熱系數(shù)較高的保溫墻材內(nèi)部出現(xiàn)的最低溫度數(shù)值較小，無外界熱源時損失較大。

太陽能 保溫 熱工性能

引言

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，對國民經(jīng)濟(jì)的提升起著十分重要的作用。目前，隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，對能源的需求量越來越大，節(jié)能降耗成為當(dāng)前的重要解決方向。由于城市化的發(fā)展，大量的商品住房入市，建筑耗能已占我國社會總能耗的近50%，其中外墻能量損失又占建筑耗能的60%，建筑節(jié)能特別是外墻體的保溫節(jié)能，是建筑領(lǐng)域節(jié)能減排的首要問題。

在建筑物能量消耗中盡可能利用天然能源，既可以降低能耗又可以防止污染。太陽能是一種清潔易獲得的能源。在建筑物能量系統(tǒng)中，以太陽能為熱源的多孔介質(zhì)保溫系統(tǒng)可以起到良好的降低建筑物能耗作用，具有顯著的節(jié)能減排效果[1]。

多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)。Nick H.M.和Schotting R.利用充液多孔介質(zhì)，分析其固體骨架與孔內(nèi)流體流動的力學(xué)行為，對多孔介質(zhì)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了定量數(shù)值分析。

多孔介質(zhì)由于自身特性，可以作為良好的保溫材料。它的主要物理特征是空隙尺寸極其微小，比表面積數(shù)值很大；內(nèi)部的微小空隙可能是互相連通的，也可能是部分連通的；空隙中充滿空氣時，既可以儲存熱量又可以利用空氣的熱物性減少熱量散失。

1 保溫材料實物模型

實物模型如圖1所示。模型寬度用h表示，高度為L。在x=0處，設(shè)置有覆蓋選擇性涂層的金屬板，以有效吸收太陽輻射能。太陽輻射能的傳遞方向，為帶涂層金屬板-多孔介質(zhì)保溫材料。

圖1 保溫材料實物模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 傳熱方程式[3-4]

傳熱過程的分析以N-S方程為基礎(chǔ)。根據(jù)外墻保溫材

料的結(jié)構(gòu)特點，方程式有如下形式。連續(xù)性方程：

熱量傳遞主要沿x方向進(jìn)行，在y方向近似絕熱。因此，動量方程中只列出了x方向的方程式。

2.2 多孔介質(zhì)方程式

多孔介質(zhì)模型方程式利用文獻(xiàn)[5]中給出的Brinkman Forch-heimer Extender Darcy模型進(jìn)行分析。

連續(xù)性方程：

2.3 初始條件

τ =0,Tw=const,Ux=Uy=0

2.4 環(huán)境條件

式中，Tr、Tb依次為環(huán)境氣溫日平均值、日變幅值；

Gmax為太陽日輻射最大值；a、b分別為日出、日落時刻。

3 結(jié)果分析

本文選擇不同導(dǎo)熱系數(shù)、不同厚度的多孔介質(zhì)保溫墻材進(jìn)行數(shù)值分析，從而對其內(nèi)部溫度變化、熱傳導(dǎo)情況進(jìn)行探討。

3.1 壁面溫度對熱傳導(dǎo)的影響

不同的太陽輻射強度可以使太陽能集熱板表面達(dá)到不同的溫度。本文以兩種不同壁面溫度進(jìn)行分析，其內(nèi)部溫度變化如圖2所示。

圖2 不同溫度下保溫墻材內(nèi)部溫度變化

根據(jù)溫度分布圖，壁溫較高時，在保溫材料內(nèi)部，溫度的下降較為迅速；壁溫較低時，溫度下降趨勢緩慢；在保溫材料達(dá)到一定厚度時，壁面溫度的影響不再明顯；不同壁面溫度下，保溫材料內(nèi)部的溫度變化具有相同特點。

3.2 墻材內(nèi)表面溫度變化

以導(dǎo)熱系數(shù)為0.3w/(m·K)和0.5w/(m·K)的兩種保溫墻材為對象進(jìn)行分析，研究其24小時之內(nèi)保溫墻材內(nèi)表面溫度變化。

圖3 墻材內(nèi)表面溫度變化

由圖3可見，兩種保溫材料在太陽輻射下，內(nèi)表面溫度都可以逐步升高。導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料溫升較為迅速；太陽輻射減弱時，導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料溫度下降較為緩慢，可以維持較長時間的保溫效果。

4 結(jié)論

（1）保溫材料的布置要按照合理的厚度進(jìn)行。過大的厚度，對于保溫效果不會有較大的改善。由于熱傳遞路徑的增加，可能會帶來更多能量損失。

（2）導(dǎo)熱系數(shù)較高的保溫材料對于太陽輻射較為敏感。太陽輻射較強時，有較好的蓄熱能力；太陽輻射減弱時，能量損失較快。

（3）隨著導(dǎo)熱系數(shù)的減小，保溫墻內(nèi)表面溫度可以在較長時間維持較高溫度，對于室內(nèi)保溫有較好效果。

[1]王崇杰，何文晶，薛一冰.歐美建筑設(shè)計中太陽墻的應(yīng)用[J].建筑學(xué)報，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]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

[4]杜建華，王補宣.帶內(nèi)熱源多孔介質(zhì)中的受迫對流換熱叨[J].工程熱物理學(xué)報，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