太陽能建筑特朗勃墻結構特性數值分析

歐陽煥英，周文和，王蘊芝

(蘭州交通大學，甘肅 蘭州730070)

1 引言

建筑能耗占比社會終端能耗較大，北方地區建筑冬季供暖能耗達到30%以上，傳統化石能源消耗的同時對環境也造成了較大壓力。特朗勃墻可使建筑有效集成太陽熱能，降低建筑的供暖能耗，尤其適用于北方太陽能豐富地區。

縱觀國內外研究現狀，特朗勃集熱蓄熱墻的研究和成果較多，但大多局限于單一墻體性能和結構的實驗和數值模擬研究，即通常只不含窗戶，與實際不符；此外，數值模擬研究通常二維建模，不能準確揭示通風孔氣流室內擴散的規律[1－3]。本文以青藏線某被動式太陽房間為例，結合室外氣象參數和太陽輻射特點，借助Fluent模擬軟件，對含窗戶結構的特朗勃墻及其室內環境整體建模，采用三維數值模擬的方法進行計算分析，以期得到窗墻面積比對特朗勃墻集熱性能的影響。

2 系統模型

2.1 物理模型及網格劃分

如圖1所示，作為建筑外圍護結構的特朗勃墻通常(自外向里)由外玻璃層、空氣夾層、集熱蓄熱墻及其上設置的通風孔、玻璃窗等組成，玻璃層與集熱墻體之間形成空氣通道，利用通道產生的煙囪效應，將室內冷空氣帶入通道，加熱后再送入室內，承擔部分室內熱負荷；夜晚關閉通風口減少室內熱量散失。

圖1 太陽能集熱墻系統簡化模型示意

為得到窗墻面積比對特朗勃墻集熱性能的影響關系，在通風孔、空氣夾層和集熱墻結構等恒定的條件下，以青藏線不凍泉站某帶窗戶的被動太陽房間為目標對房間及其圍護結構整體建模和研究，目標房間的窗墻面積比為7.2%，空氣夾層厚度為15 cm，窗戶的設置不但可滿足室內采光要求，節省部分采光的電耗，而且下午的集熱效果明顯優于無窗特朗勃墻，提高室內的熱舒適，但是夜晚將會明顯增加熱損失。

2.2 數學模型

模型為長方形的腔體，簡化為浮力驅動的自然對流傳熱問題，本文自然對流采用標準的Standardκ－ε湍流模型。基本控制方程如下[4]：

2.3 邊界條件

(1)太陽輻射熱流：采用離散的輻射do模型，參數為青海省不凍泉站位置參數，經度98.083deg，緯度為35.217deg，時刻為1月27日9：35～17：35。

(2)通風口：采用速度進口和壓力出口邊界，上通風口為風速進口，下風口為壓力出口，其速度和溫度參數按照青藏線實驗數據輸入。

(3)玻璃蓋板和窗戶外邊界：采用第三類邊界條件，其表面對流換熱系數為18.6 W/m2。

(4)其他邊界：地面，屋頂，外墻與集熱墻等均均采用絕熱邊界。

2.4 數值模擬方法

從描寫流動與傳熱問題的角度出發，對控制方程進行離散，采用有限容積法。求解離散方程采用SIMPLE算法[5，6]。

本文首先進行了網格獨立性驗證，最終選用100×100×80的網格進行計算。為了驗證數值計算方法的準確性，根據文獻[4]中的參數設置，對二維系統進行了數值模擬，所得計算結果與文獻[4]中的相應數據符合較好，誤差在±6%以內，結果如圖2、圖3所示。

圖2 出口空氣溫度的文獻對比

隨后，采用目標房間－青藏線太陽能房的實驗數據對本文的三維模型及方法進行了驗證，驗證結果如圖4所示，可以看出，模擬數據和實驗數據趨勢相同，能夠滿足模擬需求。

3 模擬結果及分析

本文首先選取表1所示青藏線不凍泉站1月份某典型日的室外氣象參數進行后續的模擬計算。

圖3 空氣流量的文獻對比

圖4 室內平均溫度的實測對比

表1 青藏線1月份某天的室外氣象參數

本文在通風孔面積比、空氣層和集熱墻及結構等條件不變的前提下，通過改變窗戶和集熱墻的面積比例分別為10%，8%、7.2%、6%、5%，對其與特朗勃墻集熱性能的影響關系進行模擬分析，房間在9時、13時、18時室內平均溫度的模擬計算結果如表2所示。

表2 模擬不同窗墻比條件下的室內平均溫度

從表2可以看出窗戶面積變大使得室內溫度降低，但是相差不到1℃，在13時，室內平均溫度基本相近，但是到了17時，窗戶面積為10%的室內平均溫度明顯低于其他值，原因是太陽落山后，房間開始向外散熱，窗墻比大的導致熱量散失更多。如果窗戶設置卷簾，可減輕此現象的程度。采光效果可以有效減少開燈時間，節省的電能不能小覷，同時光照到房間，使人的舒適感更好。考慮人體工學要求：采光窗戶的有效采光面積和房間地面面積之比不應小于1∶15，以便于人的居住，本文目標建筑的窗戶面積不應小于1.224 m2，此時窗墻比為10%。

4 結論

在不借助其他供暖設施的情況下，特朗勃墻可有效提升建筑室內環境溫度，降低建筑能耗。在特朗勃墻上開窗雖然減小了集熱墻的面積，不利于其集熱蓄熱，并增加了夜間熱損失，但通過本文分析可知，相比無窗特朗勃墻建筑，含窗特朗勃墻建筑白天溫度降低小于1℃，太陽輻射較強的時刻，室內溫度反而與窗墻比成反比關系；同時可以有效減少開燈時間、節省電能。在窗戶上安裝卷簾可以有效減少夜晚熱量的散失。綜合分析舒適和節能等因素，推薦窗墻比為10%。